Statistical single channel source separation

PhD ThesisSingle channel source separation (SCSS) principally is one of the challenging fields in signal processing and has various significant applications. Unlike conventional SCSS methods which were based on linear instantaneous model, this research sets out to investigate the separation of single channel in two types of mixture which is nonlinear instantaneous mixture and linear convolutive mixture. For the nonlinear SCSS in instantaneous mixture, this research proposes a novel solution based on a two-stage process that consists of a Gaussianization transform which efficiently compensates for the nonlinear distortion follow by a maximum likelihood estimator to perform source separation. For linear SCSS in convolutive mixture, this research proposes new methods based on nonnegative matrix factorization which decomposes a mixture into two-dimensional convolution factor matrices that represent the spectral basis and temporal code. The proposed factorization considers the convolutive mixing in the decomposition by introducing frequency constrained parameters in the model. The method aims to separate the mixture into its constituent spectral-temporal source components while alleviating the effect of convolutive mixing. In addition, family of Itakura-Saito divergence has been developed as a cost function which brings the beneficial property of scale-invariant. Two new statistical techniques are proposed, namely, Expectation-Maximisation (EM) based algorithm framework which maximizes the log-likelihood of a mixed signals, and the maximum a posteriori approach which maximises the joint probability of a mixed signal using multiplicative update rules. To further improve this research work, a novel method that incorporates adaptive sparseness into the solution has been proposed to resolve the ambiguity and hence, improve the algorithm performance. The theoretical foundation of the proposed solutions has been rigorously developed and discussed in details. Results have concretely shown the effectiveness of all the proposed algorithms presented in this thesis in separating the mixed signals in single channel and have outperformed others available methods.Universiti Teknikal Malaysia Melaka(UTeM), Ministry of Higher Education of Malaysi

Audio source separation for music in low-latency and high-latency scenarios

Aquesta tesi proposa mètodes per tractar les limitacions de les tècniques existents de separació de fonts musicals en condicions de baixa i alta latència. En primer lloc, ens centrem en els mètodes amb un baix cost computacional i baixa latència. Proposem l'ús de la regularització de Tikhonov com a mètode de descomposició de l'espectre en el context de baixa latència. El comparem amb les tècniques existents en tasques d'estimació i seguiment dels tons, que són passos crucials en molts mètodes de separació. A continuació utilitzem i avaluem el mètode de descomposició de l'espectre en tasques de separació de veu cantada, baix i percussió. En segon lloc, proposem diversos mètodes d'alta latència que milloren la separació de la veu cantada, gràcies al modelatge de components específics, com la respiració i les consonants. Finalment, explorem l'ús de correlacions temporals i anotacions manuals per millorar la separació dels instruments de percussió i dels senyals musicals polifònics complexes.Esta tesis propone métodos para tratar las limitaciones de las técnicas existentes de separación de fuentes musicales en condiciones de baja y alta latencia. En primer lugar, nos centramos en los métodos con un bajo coste computacional y baja latencia. Proponemos el uso de la regularización de Tikhonov como método de descomposición del espectro en el contexto de baja latencia. Lo comparamos con las técnicas existentes en tareas de estimación y seguimiento de los tonos, que son pasos cruciales en muchos métodos de separación. A continuación utilizamos y evaluamos el método de descomposición del espectro en tareas de separación de voz cantada, bajo y percusión. En segundo lugar, proponemos varios métodos de alta latencia que mejoran la separación de la voz cantada, gracias al modelado de componentes que a menudo no se toman en cuenta, como la respiración y las consonantes. Finalmente, exploramos el uso de correlaciones temporales y anotaciones manuales para mejorar la separación de los instrumentos de percusión y señales musicales polifónicas complejas.This thesis proposes specific methods to address the limitations of current music source separation methods in low-latency and high-latency scenarios. First, we focus on methods with low computational cost and low latency. We propose the use of Tikhonov regularization as a method for spectrum decomposition in the low-latency context. We compare it to existing techniques in pitch estimation and tracking tasks, crucial steps in many separation methods. We then use the proposed spectrum decomposition method in low-latency separation tasks targeting singing voice, bass and drums. Second, we propose several high-latency methods that improve the separation of singing voice by modeling components that are often not accounted for, such as breathiness and consonants. Finally, we explore using temporal correlations and human annotations to enhance the separation of drums and complex polyphonic music signals

Automatic Music Transcription using Structure and Sparsity

PhdAutomatic Music Transcription seeks a machine understanding of a musical signal in terms of pitch-time activations. One popular approach to this problem is the use of spectrogram decompositions, whereby a signal matrix is decomposed over a dictionary of spectral templates, each representing a note. Typically the decomposition is performed using gradient descent based methods, performed using multiplicative updates based on Non-negative Matrix Factorisation (NMF). The final representation may be expected to be sparse, as the musical signal itself is considered to consist of few active notes. In this thesis some concepts that are familiar in the sparse representations literature are introduced to the AMT problem. Structured sparsity assumes that certain atoms tend to be active together. In the context of AMT this affords the use of subspace modelling of notes, and non-negative group sparse algorithms are proposed in order to exploit the greater modelling capability introduced. Stepwise methods are often used for decomposing sparse signals and their use for AMT has previously been limited. Some new approaches to AMT are proposed by incorporation of stepwise optimal approaches with promising results seen. Dictionary coherence is used to provide recovery conditions for sparse algorithms. While such guarantees are not possible in the context of AMT, it is found that coherence is a useful parameter to consider, affording improved performance in spectrogram decompositions

The development of corpus-based computer assisted composition program and its application for instrumental music composition

In the last 20 years, we have seen the nourishing environment for the development of music software using a corpus of audio data expanding significantly, namely that synthesis techniques producing electronic sounds, and supportive tools for creative activities are the driving forces to the growth. Some software produces a sequence of sounds by means of synthesizing a chunk of source audio data retrieved from an audio database according to a rule. Since the matching of sources is processed according to their descriptive features extracted by FFT analysis, the quality of the result is significantly influenced by the outcomes of the Audio Analysis, Segmentation, and Decomposition. Also, the synthesis process often requires a considerable amount of sample data and this can become an obstacle to establish easy, inexpensive, and user-friendly applications on various kinds of devices. Therefore, it is crucial to consider how to treat the data and construct an efficient database for the synthesis. We aim to apply corpusbased synthesis techniques to develop a Computer Assisted Composition program, and to investigate the actual application of the program on ensemble pieces. The goal of this research is to apply the program to the instrumental music composition, refine its function, and search new avenues for innovative compositional method

Trennung und Schätzung der Anzahl von Audiosignalquellen mit Zeit- und Frequenzüberlappung

Everyday audio recordings involve mixture signals: music contains a mixture of instruments; in a meeting or conference, there is a mixture of human voices. For these mixtures, automatically separating or estimating the number of sources is a challenging task. A common assumption when processing mixtures in the time-frequency domain is that sources are not fully overlapped. However, in this work we consider some cases where the overlap is severe — for instance, when instruments play the same note (unison) or when many people speak concurrently ("cocktail party") — highlighting the need for new representations and more powerful models. To address the problems of source separation and count estimation, we use conventional signal processing techniques as well as deep neural networks (DNN). We first address the source separation problem for unison instrument mixtures, studying the distinct spectro-temporal modulations caused by vibrato. To exploit these modulations, we developed a method based on time warping, informed by an estimate of the fundamental frequency. For cases where such estimates are not available, we present an unsupervised model, inspired by the way humans group time-varying sources (common fate). This contribution comes with a novel representation that improves separation for overlapped and modulated sources on unison mixtures but also improves vocal and accompaniment separation when used as an input for a DNN model. Then, we focus on estimating the number of sources in a mixture, which is important for real-world scenarios. Our work on count estimation was motivated by a study on how humans can address this task, which lead us to conduct listening experiments, confirming that humans are only able to estimate the number of up to four sources correctly. To answer the question of whether machines can perform similarly, we present a DNN architecture, trained to estimate the number of concurrent speakers. Our results show improvements compared to other methods, and the model even outperformed humans on the same task. In both the source separation and source count estimation tasks, the key contribution of this thesis is the concept of “modulation”, which is important to computationally mimic human performance. Our proposed Common Fate Transform is an adequate representation to disentangle overlapping signals for separation, and an inspection of our DNN count estimation model revealed that it proceeds to find modulation-like intermediate features.Im Alltag sind wir von gemischten Signalen umgeben: Musik besteht aus einer Mischung von Instrumenten; in einem Meeting oder auf einer Konferenz sind wir einer Mischung menschlicher Stimmen ausgesetzt. Für diese Mischungen ist die automatische Quellentrennung oder die Bestimmung der Anzahl an Quellen eine anspruchsvolle Aufgabe. Eine häufige Annahme bei der Verarbeitung von gemischten Signalen im Zeit-Frequenzbereich ist, dass die Quellen sich nicht vollständig überlappen. In dieser Arbeit betrachten wir jedoch einige Fälle, in denen die Überlappung immens ist zum Beispiel, wenn Instrumente den gleichen Ton spielen (unisono) oder wenn viele Menschen gleichzeitig sprechen (Cocktailparty) —, so dass neue Signal-Repräsentationen und leistungsfähigere Modelle notwendig sind. Um die zwei genannten Probleme zu bewältigen, verwenden wir sowohl konventionelle Signalverbeitungsmethoden als auch tiefgehende neuronale Netze (DNN). Wir gehen zunächst auf das Problem der Quellentrennung für Unisono-Instrumentenmischungen ein und untersuchen die speziellen, durch Vibrato ausgelösten, zeitlich-spektralen Modulationen. Um diese Modulationen auszunutzen entwickelten wir eine Methode, die auf Zeitverzerrung basiert und eine Schätzung der Grundfrequenz als zusätzliche Information nutzt. Für Fälle, in denen diese Schätzungen nicht verfügbar sind, stellen wir ein unüberwachtes Modell vor, das inspiriert ist von der Art und Weise, wie Menschen zeitveränderliche Quellen gruppieren (Common Fate). Dieser Beitrag enthält eine neuartige Repräsentation, die die Separierbarkeit für überlappte und modulierte Quellen in Unisono-Mischungen erhöht, aber auch die Trennung in Gesang und Begleitung verbessert, wenn sie in einem DNN-Modell verwendet wird. Im Weiteren beschäftigen wir uns mit der Schätzung der Anzahl von Quellen in einer Mischung, was für reale Szenarien wichtig ist. Unsere Arbeit an der Schätzung der Anzahl war motiviert durch eine Studie, die zeigt, wie wir Menschen diese Aufgabe angehen. Dies hat uns dazu veranlasst, eigene Hörexperimente durchzuführen, die bestätigten, dass Menschen nur in der Lage sind, die Anzahl von bis zu vier Quellen korrekt abzuschätzen. Um nun die Frage zu beantworten, ob Maschinen dies ähnlich gut können, stellen wir eine DNN-Architektur vor, die erlernt hat, die Anzahl der gleichzeitig sprechenden Sprecher zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen im Vergleich zu anderen Methoden, aber vor allem auch im Vergleich zu menschlichen Hörern. Sowohl bei der Quellentrennung als auch bei der Schätzung der Anzahl an Quellen ist ein Kernbeitrag dieser Arbeit das Konzept der “Modulation”, welches wichtig ist, um die Strategien von Menschen mittels Computern nachzuahmen. Unsere vorgeschlagene Common Fate Transformation ist eine adäquate Darstellung, um die Überlappung von Signalen für die Trennung zugänglich zu machen und eine Inspektion unseres DNN-Zählmodells ergab schließlich, dass sich auch hier modulationsähnliche Merkmale finden lassen

Automatic Transcription of Bass Guitar Tracks applied for Music Genre Classification and Sound Synthesis

Musiksignale bestehen in der Regel aus einer Überlagerung mehrerer Einzelinstrumente. Die meisten existierenden Algorithmen zur automatischen Transkription und Analyse von Musikaufnahmen im Forschungsfeld des Music Information Retrieval (MIR) versuchen, semantische Information direkt aus diesen gemischten Signalen zu extrahieren. In den letzten Jahren wurde häufig beobachtet, dass die Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen durch die Signalüberlagerungen und den daraus resultierenden Informationsverlust generell limitiert ist. Ein möglicher Lösungsansatz besteht darin, mittels Verfahren der Quellentrennung die beteiligten Instrumente vor der Analyse klanglich zu isolieren. Die Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen ist zum aktuellen Stand der Technik jedoch nicht immer ausreichend, um eine sehr gute Trennung der Einzelquellen zu ermöglichen. In dieser Arbeit werden daher ausschließlich isolierte Instrumentalaufnahmen untersucht, die klanglich nicht von anderen Instrumenten überlagert sind. Exemplarisch werden anhand der elektrischen Bassgitarre auf die Klangerzeugung dieses Instrumentes hin spezialisierte Analyse- und Klangsynthesealgorithmen entwickelt und evaluiert.Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird ein Algorithmus vorgestellt, der eine automatische Transkription von Bassgitarrenaufnahmen durchführt. Dabei wird das Audiosignal durch verschiedene Klangereignisse beschrieben, welche den gespielten Noten auf dem Instrument entsprechen. Neben den üblichen Notenparametern Anfang, Dauer, Lautstärke und Tonhöhe werden dabei auch instrumentenspezifische Parameter wie die verwendeten Spieltechniken sowie die Saiten- und Bundlage auf dem Instrument automatisch extrahiert. Evaluationsexperimente anhand zweier neu erstellter Audiodatensätze belegen, dass der vorgestellte Transkriptionsalgorithmus auf einem Datensatz von realistischen Bassgitarrenaufnahmen eine höhere Erkennungsgenauigkeit erreichen kann als drei existierende Algorithmen aus dem Stand der Technik. Die Schätzung der instrumentenspezifischen Parameter kann insbesondere für isolierte Einzelnoten mit einer hohen Güte durchgeführt werden.Im zweiten Teil der Arbeit wird untersucht, wie aus einer Notendarstellung typischer sich wieder- holender Basslinien auf das Musikgenre geschlossen werden kann. Dabei werden Audiomerkmale extrahiert, welche verschiedene tonale, rhythmische, und strukturelle Eigenschaften von Basslinien quantitativ beschreiben. Mit Hilfe eines neu erstellten Datensatzes von 520 typischen Basslinien aus 13 verschiedenen Musikgenres wurden drei verschiedene Ansätze für die automatische Genreklassifikation verglichen. Dabei zeigte sich, dass mit Hilfe eines regelbasierten Klassifikationsverfahrens nur Anhand der Analyse der Basslinie eines Musikstückes bereits eine mittlere Erkennungsrate von 64,8 % erreicht werden konnte.Die Re-synthese der originalen Bassspuren basierend auf den extrahierten Notenparametern wird im dritten Teil der Arbeit untersucht. Dabei wird ein neuer Audiosynthesealgorithmus vorgestellt, der basierend auf dem Prinzip des Physical Modeling verschiedene Aspekte der für die Bassgitarre charakteristische Klangerzeugung wie Saitenanregung, Dämpfung, Kollision zwischen Saite und Bund sowie dem Tonabnehmerverhalten nachbildet. Weiterhin wird ein parametrischerAudiokodierungsansatz diskutiert, der es erlaubt, Bassgitarrenspuren nur anhand der ermittel- ten notenweisen Parameter zu übertragen um sie auf Dekoderseite wieder zu resynthetisieren. Die Ergebnisse mehrerer Hötest belegen, dass der vorgeschlagene Synthesealgorithmus eine Re- Synthese von Bassgitarrenaufnahmen mit einer besseren Klangqualität ermöglicht als die Übertragung der Audiodaten mit existierenden Audiokodierungsverfahren, die auf sehr geringe Bitraten ein gestellt sind.Music recordings most often consist of multiple instrument signals, which overlap in time and frequency. In the field of Music Information Retrieval (MIR), existing algorithms for the automatic transcription and analysis of music recordings aim to extract semantic information from mixed audio signals. In the last years, it was frequently observed that the algorithm performance is limited due to the signal interference and the resulting loss of information. One common approach to solve this problem is to first apply source separation algorithms to isolate the present musical instrument signals before analyzing them individually. The performance of source separation algorithms strongly depends on the number of instruments as well as on the amount of spectral overlap.In this thesis, isolated instrumental tracks are analyzed in order to circumvent the challenges of source separation. Instead, the focus is on the development of instrument-centered signal processing algorithms for music transcription, musical analysis, as well as sound synthesis. The electric bass guitar is chosen as an example instrument. Its sound production principles are closely investigated and considered in the algorithmic design.In the first part of this thesis, an automatic music transcription algorithm for electric bass guitar recordings will be presented. The audio signal is interpreted as a sequence of sound events, which are described by various parameters. In addition to the conventionally used score-level parameters note onset, duration, loudness, and pitch, instrument-specific parameters such as the applied instrument playing techniques and the geometric position on the instrument fretboard will be extracted. Different evaluation experiments confirmed that the proposed transcription algorithm outperformed three state-of-the-art bass transcription algorithms for the transcription of realistic bass guitar recordings. The estimation of the instrument-level parameters works with high accuracy, in particular for isolated note samples.In the second part of the thesis, it will be investigated, whether the sole analysis of the bassline of a music piece allows to automatically classify its music genre. Different score-based audio features will be proposed that allow to quantify tonal, rhythmic, and structural properties of basslines. Based on a novel data set of 520 bassline transcriptions from 13 different music genres, three approaches for music genre classification were compared. A rule-based classification system could achieve a mean class accuracy of 64.8 % by only taking features into account that were extracted from the bassline of a music piece.The re-synthesis of a bass guitar recordings using the previously extracted note parameters will be studied in the third part of this thesis. Based on the physical modeling of string instruments, a novel sound synthesis algorithm tailored to the electric bass guitar will be presented. The algorithm mimics different aspects of the instrument’s sound production mechanism such as string excitement, string damping, string-fret collision, and the influence of the electro-magnetic pickup. Furthermore, a parametric audio coding approach will be discussed that allows to encode and transmit bass guitar tracks with a significantly smaller bit rate than conventional audio coding algorithms do. The results of different listening tests confirmed that a higher perceptual quality can be achieved if the original bass guitar recordings are encoded and re-synthesized using the proposed parametric audio codec instead of being encoded using conventional audio codecs at very low bit rate settings

Iterative Separation of Note Events from Single-Channel Polyphonic Recordings

This thesis is concerned with the separation of audio sources from single-channel polyphonic musical recordings using the iterative estimation and separation of note events. Each event is defined as a section of audio containing largely harmonic energy identified as coming from a single sound source. Multiple events can be clustered to form separated sources. This solution is a model-based algorithm that can be applied to a large variety of audio recordings without requiring previous training stages. The proposed system embraces two principal stages. The first one considers the iterative detection and separation of note events from within the input mixture. In every iteration, the pitch trajectory of the predominant note event is automatically selected from an array of fundamental frequency estimates and used to guide the separation of the event's spectral content using two different methods: time-frequency masking and time-domain subtraction. A residual signal is then generated and used as the input mixture for the next iteration. After convergence, the second stage considers the clustering of all detected note events into individual audio sources. Performance evaluation is carried out at three different levels. Firstly, the accuracy of the note-event-based multipitch estimator is compared with that of the baseline algorithm used in every iteration to generate the initial set of pitch estimates. Secondly, the performance of the semi-supervised source separation process is compared with that of another semi-automatic algorithm. Finally, a listening test is conducted to assess the audio quality and naturalness of the separated sources when they are used to create stereo mixes from monaural recordings. Future directions for this research focus on the application of the proposed system to other music-related tasks. Also, a preliminary optimisation-based approach is presented as an alternative method for the separation of overlapping partials, and as a high resolution time-frequency representation for digital signals