Implementation and evaluation of a low complexity microphone array for speaker recognition

Includes bibliographical references (leaves 83-86).This thesis discusses the application of a microphone array employing a noise canceling beamforming technique for improving the robustness of speaker recognition systems in a diffuse noise field

Enhanced Diffuse Field Model for Ad Hoc Microphone Array Calibration

In this paper, we investigate the diffuse field coherence model for microphone array pairwise distance estimation. We study the fundamental constraints and assumptions underlying this approach and propose evaluation methodologies to measure the adequacy of diffuseness for microphone array calibration. In addition, an enhanced scheme based on coherence averaging and histogramming, is presented to improve the robustness and performance of the pairwise distance estimation approach. The proposed theories and algorithms are evaluated on simulated and real data recordings for calibration of microphone array geometry in an ad hoc set-up

A study into the design of steerable microphones arrays

Beamforming, being a multi-channel signal processing technique, can offer both spatial and temporal selective filtering. It has much more potential than single channel signal processing in various commercial applications. This thesis presents a study on steerable robust broadband beamformers together with a number of their design formulations. The design formulations allow a simple steering mechanism and yet maintain a frequency invariant property as well as achieve robustness against practical imperfectio

Sector-Based Detection for Hands-Free Speech Enhancement in Cars

Speech-based command interfaces are becoming more and more common in cars. Applications include automatic dialog systems for hands-free phone calls as well as more advanced features such as navigation systems. However, interferences, such as speech from the codriver, can hamper a lot the performance of the speech recognition component, which is crucial for those applications. This issue can be addressed with {\em adaptive} interference cancellation techniques such as the Generalized Sidelobe Canceller~(GSC). In order to cancel the interference (codriver) while not cancelling the target (driver), adaptation must happen only when the interference is active and dominant. To that purpose, this paper proposes two efficient adaptation control methods called ``implicit'' and ``explicit''. While the ``implicit'' method is fully automatic, the ``explicit'' method relies on pre-estimation of target and interference energies. A major contribution of this paper is a direct, robust method for such pre-estimation, directly derived from sector-based detection and localization techniques. Experiments on real in-car data validate both adaptation methods, including a case with 100 km/h background road noise

EXPERIMENTAL EVALUATION OF MODIFIED PHASE TRANSFORM FOR SOUND SOURCE DETECTION

The detection of sound sources with microphone arrays can be enhanced through processing individual microphone signals prior to the delay and sum operation. One method in particular, the Phase Transform (PHAT) has demonstrated improvement in sound source location images, especially in reverberant and noisy environments. Recent work proposed a modification to the PHAT transform that allows varying degrees of spectral whitening through a single parameter, andamp;acirc;, which has shown positive improvement in target detection in simulation results. This work focuses on experimental evaluation of the modified SRP-PHAT algorithm. Performance results are computed from actual experimental setup of an 8-element perimeter array with a receiver operating characteristic (ROC) analysis for detecting sound sources. The results verified simulation results of PHAT- andamp;acirc; in improving target detection probabilities. The ROC analysis demonstrated the relationships between various target types (narrowband and broadband), room reverberation levels (high and low) and noise levels (different SNR) with respect to optimal andamp;acirc;. Results from experiment strongly agree with those of simulations on the effect of PHAT in significantly improving detection performance for narrowband and broadband signals especially at low SNR and in the presence of high levels of reverberation

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

Mathematical modelling ano optimization strategies for acoustic source localization in reverberant environments

La presente Tesis se centra en el uso de técnicas modernas de optimización y de procesamiento de audio para la localización precisa y robusta de personas dentro de un entorno reverberante dotado con agrupaciones (arrays) de micrófonos. En esta tesis se han estudiado diversos aspectos de la localización sonora, incluyendo el modelado, la algoritmia, así como el calibrado previo que permite usar los algoritmos de localización incluso cuando la geometría de los sensores (micrófonos) es desconocida a priori. Las técnicas existentes hasta ahora requerían de un número elevado de micrófonos para obtener una alta precisión en la localización. Sin embargo, durante esta tesis se ha desarrollado un nuevo método que permite una mejora de más del 30\% en la precisión de la localización con un número reducido de micrófonos. La reducción en el número de micrófonos es importante ya que se traduce directamente en una disminución drástica del coste y en un aumento de la versatilidad del sistema final. Adicionalmente, se ha realizado un estudio exhaustivo de los fenómenos que afectan al sistema de adquisición y procesado de la señal, con el objetivo de mejorar el modelo propuesto anteriormente. Dicho estudio profundiza en el conocimiento y modelado del filtrado PHAT (ampliamente utilizado en localización acústica) y de los aspectos que lo hacen especialmente adecuado para localización. Fruto del anterior estudio, y en colaboración con investigadores del instituto IDIAP (Suiza), se ha desarrollado un sistema de auto-calibración de las posiciones de los micrófonos a partir del ruido difuso presente en una sala en silencio. Esta aportación relacionada con los métodos previos basados en la coherencia. Sin embargo es capaz de reducir el ruido atendiendo a parámetros físicos previamente conocidos (distancia máxima entre los micrófonos). Gracias a ello se consigue una mejor precisión utilizando un menor tiempo de cómputo. El conocimiento de los efectos del filtro PHAT ha permitido crear un nuevo modelo que permite la representación 'sparse' del típico escenario de localización. Este tipo de representación se ha demostrado ser muy conveniente para localización, permitiendo un enfoque sencillo del caso en el que existen múltiples fuentes simultáneas. La última aportación de esta tesis, es el de la caracterización de las Matrices TDOA (Time difference of arrival -Diferencia de tiempos de llegada, en castellano-). Este tipo de matrices son especialmente útiles en audio pero no están limitadas a él. Además, este estudio transciende a la localización con sonido ya que propone métodos de reducción de ruido de las medias TDOA basados en una representación matricial 'low-rank', siendo útil, además de en localización, en técnicas tales como el beamforming o el autocalibrado