MICROPHONE ARRAY OPTIMIZATION IN IMMERSIVE ENVIRONMENTS

The complex relationship between array gain patterns and microphone distributions limits the application of traditional optimization algorithms on irregular arrays, which show enhanced beamforming performance for human speech capture in immersive environments. This work analyzes the relationship between irregular microphone geometries and spatial filtering performance with statistical methods. Novel geometry descriptors are developed to capture the properties of irregular microphone distributions showing their impact on array performance. General guidelines and optimization methods for regular and irregular array design are proposed in immersive (near-field) environments to obtain superior beamforming ability for speech applications. Optimization times are greatly reduced through the objective function rules using performance-based geometric descriptions of microphone distributions that circumvent direct array gain computations over the space of interest. In addition, probabilistic descriptions of acoustic scenes are introduced to incorporate various levels of prior knowledge for the source distribution. To verify the effectiveness of the proposed optimization methods, simulated gain patterns and real SNR results of the optimized arrays are compared to corresponding traditional regular arrays and arrays obtained from direct exhaustive searching methods. Results show large SNR enhancements for the optimized arrays over arbitrary randomly generated arrays and regular arrays, especially at low microphone densities. The rapid convergence and acceptable processing times observed during the experiments establish the feasibility of proposed optimization methods for array geometry design in immersive environments where rapid deployment is required with limited knowledge of the acoustic scene, such as in mobile platforms and audio surveillance applications

Speech recognition enhancement using beamforming and a genetic algorithm

This paper proposes a genetic algorithm (GA) based beamformer to optimize speech recognition accuracy for a pretrained speech recognizer. The proposed beamformer is designed to tackle the non-differentiable and non-linear natures of speech recognition by employing the GA algorithm to search for the optimal beamformer weights. Specifically, a population of beamformer weights is reproduced by crossover and mutation until the optimal beamformer weights are obtained. Results show that the speech recognition accuracies can be greatly improved even in noisy environments

Array signal processing for source localization and enhancement

“A common approach to the wide-band microphone array problem is to assume a certain array geometry and then design optimal weights (often in subbands) to meet a set of desired criteria. In addition to weights, we consider the geometry of the microphone arrangement to be part of the optimization problem. Our approach is to use particle swarm optimization (PSO) to search for the optimal geometry while using an optimal weight design to design the weights for each particle’s geometry. The resulting directivity indices (DI’s) and white noise SNR gains (WNG’s) form the basis of the PSO’s fitness function. Another important consideration in the optimal weight design are several regularization parameters. By including those parameters in the particles, we optimize their values as well in the operation of the PSO. The proposed method allows the user great flexibility in specifying desired DI’s and WNG’s over frequency by virtue of the PSO fitness function. Although the above method discusses beam and nulls steering for fixed locations, in real time scenarios, it requires us to estimate the source positions to steer the beam position adaptively. We also investigate source localization of sound and RF sources using machine learning techniques. As for the RF source localization, we consider radio frequency identification (RFID) antenna tags. Using a planar RFID antenna array with beam steering capability and using received signal strength indicator (RSSI) value captured for each beam position, the position of each RFID antenna tag is estimated. The proposed approach is also shown to perform well under various challenging scenarios”--Abstract, page iv

Speech enhancement algorithms for audiological applications

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

Speech enhancement algorithms for audiological applications

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

Robust speaker diarization for meetings

Aquesta tesi doctoral mostra la recerca feta en l'àrea de la diarització de locutor per a sales de reunions. En la present s'estudien els algorismes i la implementació d'un sistema en diferit de segmentació i aglomerat de locutor per a grabacions de reunions a on normalment es té accés a més d'un micròfon per al processat. El bloc més important de recerca s'ha fet durant una estada al International Computer Science Institute (ICSI, Berkeley, Caligornia) per un període de dos anys.La diarització de locutor s'ha estudiat força per al domini de grabacions de ràdio i televisió. La majoria dels sistemes proposats utilitzen algun tipus d'aglomerat jeràrquic de les dades en grups acústics a on de bon principi no se sap el número de locutors òptim ni tampoc la seva identitat. Un mètode molt comunment utilitzat s'anomena "bottom-up clustering" (aglomerat de baix-a-dalt), amb el qual inicialment es defineixen molts grups acústics de dades que es van ajuntant de manera iterativa fins a obtenir el nombre òptim de grups tot i acomplint un criteri de parada. Tots aquests sistemes es basen en l'anàlisi d'un canal d'entrada individual, el qual no permet la seva aplicació directa per a reunions. A més a més, molts d'aquests algorisms necessiten entrenar models o afinar els parameters del sistema usant dades externes, el qual dificulta l'aplicabilitat d'aquests sistemes per a dades diferents de les usades per a l'adaptació.La implementació proposada en aquesta tesi es dirigeix a solventar els problemes mencionats anteriorment. Aquesta pren com a punt de partida el sistema existent al ICSI de diarització de locutor basat en l'aglomerat de "baix-a-dalt". Primer es processen els canals de grabació disponibles per a obtindre un sol canal d'audio de qualitat major, a més dínformació sobre la posició dels locutors existents. Aleshores s'implementa un sistema de detecció de veu/silenci que no requereix de cap entrenament previ, i processa els segments de veu resultant amb una versió millorada del sistema mono-canal de diarització de locutor. Aquest sistema ha estat modificat per a l'ús de l'informació de posició dels locutors (quan es tingui) i s'han adaptat i creat nous algorismes per a que el sistema obtingui tanta informació com sigui possible directament del senyal acustic, fent-lo menys depenent de les dades de desenvolupament. El sistema resultant és flexible i es pot usar en qualsevol tipus de sala de reunions pel que fa al nombre de micròfons o la seva posició. El sistema, a més, no requereix en absolute dades d´entrenament, sent més senzill adaptar-lo a diferents tipus de dades o dominis d'aplicació. Finalment, fa un pas endavant en l'ús de parametres que siguin mes robusts als canvis en les dades acústiques. Dos versions del sistema es van presentar amb resultats excel.lents a les evaluacions de RT05s i RT06s del NIST en transcripció rica per a reunions, a on aquests es van avaluar amb dades de dos subdominis diferents (conferencies i reunions). A més a més, es fan experiments utilitzant totes les dades disponibles de les evaluacions RT per a demostrar la viabilitat dels algorisms proposats en aquesta tasca.This thesis shows research performed into the topic of speaker diarization for meeting rooms. It looks into the algorithms and the implementation of an offline speaker segmentation and clustering system for a meeting recording where usually more than one microphone is available. The main research and system implementation has been done while visiting the International Computes Science Institute (ICSI, Berkeley, California) for a period of two years. Speaker diarization is a well studied topic on the domain of broadcast news recordings. Most of the proposed systems involve some sort of hierarchical clustering of the data into clusters, where the optimum number of speakers of their identities are unknown a priory. A very commonly used method is called bottom-up clustering, where multiple initial clusters are iteratively merged until the optimum number of clusters is reached, according to some stopping criterion. Such systems are based on a single channel input, not allowing a direct application for the meetings domain. Although some efforts have been done to adapt such systems to multichannel data, at the start of this thesis no effective implementation had been proposed. Furthermore, many of these speaker diarization algorithms involve some sort of models training or parameter tuning using external data, which impedes its usability with data different from what they have been adapted to.The implementation proposed in this thesis works towards solving the aforementioned problems. Taking the existing hierarchical bottom-up mono-channel speaker diarization system from ICSI, it first uses a flexible acoustic beamforming to extract speaker location information and obtain a single enhanced signal from all available microphones. It then implements a train-free speech/non-speech detection on such signal and processes the resulting speech segments with an improved version of the mono-channel speaker diarization system. Such system has been modified to use speaker location information (then available) and several algorithms have been adapted or created new to adapt the system behavior to each particular recording by obtaining information directly from the acoustics, making it less dependent on the development data.The resulting system is flexible to any meetings room layout regarding the number of microphones and their placement. It is train-free making it easy to adapt to different sorts of data and domains of application. Finally, it takes a step forward into the use of parameters that are more robust to changes in the acoustic data. Two versions of the system were submitted with excellent results in RT05s and RT06s NIST Rich Transcription evaluations for meetings, where data from two different subdomains (lectures and conferences) was evaluated. Also, experiments using the RT datasets from all meetings evaluations were used to test the different proposed algorithms proving their suitability to the task.Postprint (published version

Advanced algorithms for audio and image processing

The objective of the thesis is the development of a set of innovative algorithms around the topic of beamforming in the field of acoustic imaging, audio and image processing, aimed at significantly improving the performance of devices that exploit these computational approaches. Therefore the context is the improvement of devices (ultrasound machines and video/audio devices) already on the market or the development of new ones which, through the proposed studies, can be introduced on new the markets with the launch of innovative high-tech start-ups. This is the motivation and the leitmotiv behind the doctoral work carried out. In fact, in the first part of the work an innovative image reconstruction algorithm in the field of ultrasound biomedical imaging is presented, which is connected to the development of such equipment that exploits the computing opportunities currently offered nowadays at low cost by GPUs (Moore\u2019s law). The proposed target is to obtain a new pipeline of the reconstruction of the image abandoning the architecture of such hardware based In the first part of the thesis I faced the topic of the reconstruction of ultrasound images for applications hypothesized on a software based device through image reconstruction algorithms processed in the frequency domain. An innovative beamforming algorithm based on seismic migration is presented, in which a transformation of the RF data is carried out and the reconstruction algorithm can evaluate a masking of the k-space of the data, speeding up the reconstruction process and reducing the computational burden. The analysis and development of the algorithms responsible for carrying out the thesis has been approached from a feasibility point in an off-line context and on the Matlab platform, processing both synthetic simulated generated data and real RF data: the subsequent development of these algorithms within of the future ultrasound biomedical equipment will exploit an high-performance computing framework capable of processing customized kernel pipelines (henceforth called \u2019filters\u2019) on CPU/GPU. The type of filters implemented involved the topic of Plane Wave Imaging (PWI), an alternative method of acquiring the ultrasound image compared to the state of the art of the traditional standard B-mode which currently exploit sequential sequence of insonification of the sample under examination through focused beams transmitted by the probe channels. The PWI mode is interesting and opens up new scenarios compared to the usual signal acquisition and processing techniques, with the aim of making signal processing in general and image reconstruction in particular faster and more flexible, and increasing importantly the frame rate opens up and improves clinical applications. The innovative idea is to introduce in an offline seismic reconstruction algorithm for ultrasound imaging a further filter, named masking matrix. The masking matrices can be computed offline knowing the system parameters, since they do not depend from acquired data. Moreover, they can be pre-multiplied to propagation matrices, without affecting the overall computational load. Subsequently in the thesis, the topic of beamforming in audio processing on super-direct linear arrays of microphones is addressed. The aim is to make an in depth analysis of two main families of data-independent approaches and algorithms present in the literature by comparing their performances and the trade-off between directivity and frequency invariance, which is not yet known at to the state-of-the-art. The goal is to validate the best algorithm that allows, from the perspective of an implementation, to experimentally verify performance, correlating it with the characteristics and error statistics. Frequency-invariant beam patterns are often required by systems using an array of sensors to process broadband signals. In some experimental conditions, the array spatial aperture is shorter than the involved wavelengths. In these conditions, superdirective beamforming is essential for an efficient system. I present a comparison between two methods that deal with a data-independent beamformer based on a filter-and-sum structure. Both methods (the first one numerical, the second one analytic) formulate a mathematical convex minimization problem, in which the variables to be optimized are the filters coefficients or frequency responses. In the described simulations, I have chosen a geometry and a set-up of parameters that allows us to make a fair comparison between the performances of the two different design methods analyzed. In particular, I addressed a small linear array for audio capture with different purposes (hearing aids, audio surveillance system, video-conference system, multimedia device, etc.). The research activity carried out has been used for the launch of a high-tech device through an innovative start-up in the field of glasses/audio devices (https://acoesis.com/en/). It has been proven that the proposed algorithm gives the possibility of obtaining higher performances than the state of the art of similar algorithms, additionally providing the possibility of connecting directivity or better generalized directivity to the statistics of phase errors and gain of sensors, extremely important in superdirective arrays in the case of real and industrial implementation. Therefore, the method proposed by the comparison is innovative because it quantitatively links the physical construction characteristics of the array to measurable and experimentally verifiable quantities, making the real implementation process controllable. The third topic faced is the reconstruction of the Room Impluse Response (RIR) using audio processing blind methods. Given an unknown audio source, the estimation of time differences-of-arrivals (TDOAs) can be efficiently and robustly solved using blind channel identification and exploiting the cross-correlation identity (CCI). Prior blind works have improved the estimate of TDOAs by means of different algorithmic solutions and optimization strategies, while always sticking to the case N = 2 microphones. But what if we can obtain a direct improvement in performance by just increasing N? In the fourth Chapter I tried to investigate this direction, showing that, despite the arguable simplicity, this is capable of (sharply) improving upon state-of-the-art blind channel identification methods based on CCI, without modifying the computational pipeline. Inspired by our results, we seek to warm up the community and the practitioners by paving the way (with two concrete, yet preliminary, examples) towards joint approaches in which advances in the optimization are combined with an increased number of microphones, in order to achieve further improvements. Sound source localisation applications can be tackled by inferring the time-difference-of-arrivals (TDOAs) between a sound-emitting source and a set of microphones. Among the referred applications, one can surely list room-aware sound reproduction, room geometry\u2019s estimation, speech enhancement. Despite a broad spectrum of prior works estimate TDOAs from a known audio source, even when the signal emitted from the acoustic source is unknown, TDOAs can be inferred by comparing the signals received at two (or more) spatially separated microphones, using the notion of cross-corrlation identity (CCI). This is the key theoretical tool, not only, to make the ordering of microphones irrelevant during the acquisition stage, but also to solve the problem as blind channel identification, robustly and reliably inferring TDOAs from an unknown audio source. However, when dealing with natural environments, such \u201cmutual agreement\u201d between microphones can be tampered by a variety of audio ambiguities such as ambient noise. Furthermore, each observed signal may contain multiple distorted or delayed replicas of the emitting source due to reflections or generic boundary effects related to the (closed) environment. Thus, robustly estimating TDOAs is surely a challenging problem and CCI-based approaches cast it as single-input/multi-output blind channel identification. Such methods promote robustness in the estimate from the methodological standpoint: using either energy-based regularization, sparsity or positivity constraints, while also pre-conditioning the solution space. Last but not least, the Acoustic Imaging is an imaging modality that exploits the propagation of acoustic waves in a medium to recover the spatial distribution and intensity of sound sources in a given region. Well known and widespread acoustic imaging applications are, for example, sonar and ultrasound. There are active and passive imaging devices: in the context of this thesis I consider a passive imaging system called Dual Cam that does not emit any sound but acquires it from the environment. In an acoustic image each pixel corresponds to the sound intensity of the source, the whose position is described by a particular pair of angles and, in the case in which the beamformer can, as in our case, work in near-field, from a distance on which the system is focused. In the last part of this work I propose the use of a new modality characterized by a richer information content, namely acoustic images, for the sake of audio-visual scene understanding. Each pixel in such images is characterized by a spectral signature, associated to a specific direction in space and obtained by processing the audio signals coming from an array of microphones. By coupling such array with a video camera, we obtain spatio-temporal alignment of acoustic images and video frames. This constitutes a powerful source of self-supervision, which can be exploited in the learning pipeline we are proposing, without resorting to expensive data annotations. However, since 2D planar arrays are cumbersome and not as widespread as ordinary microphones, we propose that the richer information content of acoustic images can be distilled, through a self-supervised learning scheme, into more powerful audio and visual feature representations. The learnt feature representations can then be employed for downstream tasks such as classification and cross-modal retrieval, without the need of a microphone array. To prove that, we introduce a novel multimodal dataset consisting in RGB videos, raw audio signals and acoustic images, aligned in space and synchronized in time. Experimental results demonstrate the validity of our hypothesis and the effectiveness of the proposed pipeline, also when tested for tasks and datasets different from those used for training. Chapter 6 closes the thesis, presenting a development activity of a new Dual Cam POC to build-up from it a spin-off, assuming to apply for an innovation project for hi-tech start- ups (such as a SME instrument H2020) for a 50Keuro grant, following the idea of the technology transfer. A deep analysis of the reference market, technologies and commercial competitors, business model and the FTO of intellectual property is then conducted. Finally, following the latest technological trends (https://www.flir.eu/products/si124/) a new version of the device (planar audio array) with reduced dimensions and improved technical characteristics is simulated, simpler and easier to use than the current one, opening up new interesting possibilities of development not only technical and scientific but also in terms of business fallout

Optimal Space-Time-Frequency Design of Microphone Networks

Consider a sensing system using a large number of N microphones placed in multiple dimensions to monitor a acoustic field. Using all the microphones at once is impractical because of the amount data generated. Instead, we choose a subset of D microphones to be active. Specifically, we wish to find the D set of microphones that minimizes the largest interference gain at multiple frequencies while monitoring a target of interest. A direct, combinatorial approach - testing all N choose D subsets of microphones - is impractical because of problem size. Instead, we use a convex optimization technique that induces sparsity through a l1-penalty to determine which subset of microphones to use. Our work investigates not only the optimal placement (space) of microphones but also how to process the output of each microphone (time/frequency). We explore this problem for both single and multi-frequency sources, optimizing both microphone weights and positions simultaneously. In addition, we explore this problem for random sources where the output of each of the N microphones is processed by an individual multirate filterbank. The N processed filterbank outputs are then combined to form one final signal. In this case, we fix all the analysis filters and optimize over all the synthesis filters. We show how to convert the continuous frequency problem to a discrete frequency approximation that is computationally tractable. In this random source/multirate filterbank case, we once again optimize over space-time-frequency simultaneously