1,948 research outputs found

    Improving speech intelligibility in hearing aids. Part I: Signal processing algorithms

    Full text link
    [EN] The improvement of speech intelligibility in hearing aids is a traditional problem that still remains open and unsolved. Modern devices may include signal processing algorithms to improve intelligibility: automatic gain control, automatic environmental classification or speech enhancement. However, the design of such algorithms is strongly restricted by some engineering constraints caused by the reduced dimensions of hearing aid devices. In this paper, we discuss the application of state-of-theart signal processing algorithms to improve speech intelligibility in digital hearing aids, with particular emphasis on speech enhancement algorithms. Different alternatives for both monaural and binaural speech enhancement have been considered, arguing whether they are suitable to be implemented in a commercial hearing aid or not.This work has been funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation, under project TEC2012-38142-C04-02.Ayllón, D.; Gil Pita, R.; Rosa Zurera, M.; Padilla, L.; Piñero Sipán, MG.; Diego Antón, MD.; Ferrer Contreras, M.... (2014). Improving speech intelligibility in hearing aids. Part I: Signal processing algorithms. Waves. 6:61-71. http://hdl.handle.net/10251/57901S6171

    KAVUAKA: a low-power application-specific processor architecture for digital hearing aids

    Get PDF
    The power consumption of digital hearing aids is very restricted due to their small physical size and the available hardware resources for signal processing are limited. However, there is a demand for more processing performance to make future hearing aids more useful and smarter. Future hearing aids should be able to detect, localize, and recognize target speakers in complex acoustic environments to further improve the speech intelligibility of the individual hearing aid user. Computationally intensive algorithms are required for this task. To maintain acceptable battery life, the hearing aid processing architecture must be highly optimized for extremely low-power consumption and high processing performance.The integration of application-specific instruction-set processors (ASIPs) into hearing aids enables a wide range of architectural customizations to meet the stringent power consumption and performance requirements. In this thesis, the application-specific hearing aid processor KAVUAKA is presented, which is customized and optimized with state-of-the-art hearing aid algorithms such as speaker localization, noise reduction, beamforming algorithms, and speech recognition. Specialized and application-specific instructions are designed and added to the baseline instruction set architecture (ISA). Among the major contributions are a multiply-accumulate (MAC) unit for real- and complex-valued numbers, architectures for power reduction during register accesses, co-processors and a low-latency audio interface. With the proposed MAC architecture, the KAVUAKA processor requires 16 % less cycles for the computation of a 128-point fast Fourier transform (FFT) compared to related programmable digital signal processors. The power consumption during register file accesses is decreased by 6 %to 17 % with isolation and by-pass techniques. The hardware-induced audio latency is 34 %lower compared to related audio interfaces for frame size of 64 samples.The final hearing aid system-on-chip (SoC) with four KAVUAKA processor cores and ten co-processors is integrated as an application-specific integrated circuit (ASIC) using a 40 nm low-power technology. The die size is 3.6 mm2. Each of the processors and co-processors contains individual customizations and hardware features with a varying datapath width between 24-bit to 64-bit. The core area of the 64-bit processor configuration is 0.134 mm2. The processors are organized in two clusters that share memory, an audio interface, co-processors and serial interfaces. The average power consumption at a clock speed of 10 MHz is 2.4 mW for SoC and 0.6 mW for the 64-bit processor.Case studies with four reference hearing aid algorithms are used to present and evaluate the proposed hardware architectures and optimizations. The program code for each processor and co-processor is generated and optimized with evolutionary algorithms for operation merging,instruction scheduling and register allocation. The KAVUAKA processor architecture is com-pared to related processor architectures in terms of processing performance, average power consumption, and silicon area requirements

    Speech enhancement algorithms for audiological applications

    Get PDF
    Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño

    An objective evaluation of Hearing Aids and DNN-based speech enhancement in complex acoustic scenes

    Full text link
    We investigate the objective performance of five high-end commercially available Hearing Aid (HA) devices compared to DNN-based speech enhancement algorithms in complex acoustic environments. To this end, we measure the HRTFs of a single HA device to synthesize a binaural dataset for training two state-of-the-art causal and non-causal DNN enhancement models. We then generate an evaluation set of realistic speech-in-noise situations using an Ambisonics loudspeaker setup and record with a KU100 dummy head wearing each of the HA devices, both with and without the conventional HA algorithms, applying the DNN enhancers to the latter. We find that the DNN-based enhancement outperforms the HA algorithms in terms of noise suppression and objective intelligibility metrics.Comment: Accepted to WASPAA2

    Speech enhancement algorithms for audiological applications

    Get PDF
    Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño

    Head orientation benefit to speech intelligibility in noise for cochlear implant users and in realistic listening conditions

    Get PDF
    Cochlear implant (CI) users suffer from elevated speech-reception thresholds and may rely on lip reading. Traditional measures of spatial release from masking quantify speech-reception-threshold improvement with azimuthal separation of target speaker and interferers and with the listener facing the target speaker. Substantial benefits of orienting the head away from the target speaker were predicted by a model of spatial release from masking. Audio-only and audio-visual speech-reception thresholds in normal-hearing (NH) listeners and bilateral and unilateral CI users confirmed model predictions of this head-orientation benefit. The benefit ranged 2–5 dB for a modest 30� orientation that did not affect the lip-reading benefit. NH listeners’ and CI users’ lip-reading benefit measured 3 and 5 dB, respectively. A head-orientation benefit of �2 dB was also both predicted and observed in NH listeners in realistic simulations of a restaurant listening environment. Exploiting the benefit of head orientation is thus a robust hearing tactic that would benefit both NH listeners and CI users in noisy listening conditions

    A study on wireless hearing aids system configuration and simulation

    Get PDF
    Master'sMASTER OF SCIENC

    Learning-Based Reference-Free Speech Quality Assessment for Normal Hearing and Hearing Impaired Applications

    Get PDF
    Accurate speech quality measures are highly attractive and beneficial in the design, fine-tuning, and benchmarking of speech processing algorithms, devices, and communication systems. Switching from narrowband telecommunication to wideband telephony is a change within the telecommunication industry which provides users with better speech quality experience but introduces a number of challenges in speech processing. Noise is the most common distortion on audio signals and as a result there have been a lot of studies on developing high performance noise reduction algorithms. Assistive hearing devices are designed to decrease communication difficulties for people with loss of hearing. As the algorithms within these devices become more advanced, it becomes increasingly crucial to develop accurate and robust quality metrics to assess their performance. Objective speech quality measurements are more attractive compared to subjective assessments as they are cost-effective and subjective variability is eliminated. Although there has been extensive research on objective speech quality evaluation for narrowband speech, those methods are unsuitable for wideband telephony. In the case of hearing-impaired applications, objective quality assessment is challenging as it has to be capable of distinguishing between desired modifications which make signals audible and undesired artifacts. In this thesis a model is proposed that allows extracting two sets of features from the distorted signal only. This approach which is called reference-free (nonintrusive) assessment is attractive as it does not need access to the reference signal. Although this benefit makes nonintrusive assessments suitable for real-time applications, more features need to be extracted and smartly combined to provide comparable accuracy as intrusive metrics. Two feature vectors are proposed to extract information from distorted signals and their performance is examined in three studies. In the first study, both feature vectors are trained on various portions of a noise reduction database for normal hearing applications. In the second study, the same investigation is performed on two sets of databases acquired through several hearing aids. Third study examined the generalizability of the proposed metrics on benchmarking four wireless remote microphones in a variety of environmental conditions. Machine learning techniques are deployed for training the models in the three studies. The studies show that one of the feature sets is robust when trained on different portions of the data from different databases and it also provides good quality prediction accuracy for both normal hearing and hearing-impaired applications

    EMC, RF, and Antenna Systems in Miniature Electronic Devices

    Get PDF
    corecore