Binaural scene analysis : localization, detection and recognition of speakers in complex acoustic scenes

The human auditory system has the striking ability to robustly localize and recognize a specific target source in complex acoustic environments while ignoring interfering sources. Surprisingly, this remarkable capability, which is referred to as auditory scene analysis, is achieved by only analyzing the waveforms reaching the two ears. Computers, however, are presently not able to compete with the performance achieved by the human auditory system, even in the restricted paradigm of confronting a computer algorithm based on binaural signals with a highly constrained version of auditory scene analysis, such as localizing a sound source in a reverberant environment or recognizing a speaker in the presence of interfering noise. In particular, the problem of focusing on an individual speech source in the presence of competing speakers, termed the cocktail party problem, has been proven to be extremely challenging for computer algorithms. The primary objective of this thesis is the development of a binaural scene analyzer that is able to jointly localize, detect and recognize multiple speech sources in the presence of reverberation and interfering noise. The processing of the proposed system is divided into three main stages: localization stage, detection of speech sources, and recognition of speaker identities. The only information that is assumed to be known a priori is the number of target speech sources that are present in the acoustic mixture. Furthermore, the aim of this work is to reduce the performance gap between humans and machines by improving the performance of the individual building blocks of the binaural scene analyzer. First, a binaural front-end inspired by auditory processing is designed to robustly determine the azimuth of multiple, simultaneously active sound sources in the presence of reverberation. The localization model builds on the supervised learning of azimuthdependent binaural cues, namely interaural time and level differences. Multi-conditional training is performed to incorporate the uncertainty of these binaural cues resulting from reverberation and the presence of competing sound sources. Second, a speech detection module that exploits the distinct spectral characteristics of speech and noise signals is developed to automatically select azimuthal positions that are likely to correspond to speech sources. Due to the established link between the localization stage and the recognition stage, which is realized by the speech detection module, the proposed binaural scene analyzer is able to selectively focus on a predefined number of speech sources that are positioned at unknown spatial locations, while ignoring interfering noise sources emerging from other spatial directions. Third, the speaker identities of all detected speech sources are recognized in the final stage of the model. To reduce the impact of environmental noise on the speaker recognition performance, a missing data classifier is combined with the adaptation of speaker models using a universal background model. This combination is particularly beneficial in nonstationary background noise

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

Studies on noise robust automatic speech recognition

Noise in everyday acoustic environments such as cars, traffic environments, and cafeterias remains one of the main challenges in automatic speech recognition (ASR). As a research theme, it has received wide attention in conferences and scientific journals focused on speech technology. This article collection reviews both the classic and novel approaches suggested for noise robust ASR. The articles are literature reviews written for the spring 2009 seminar course on noise robust automatic speech recognition (course code T-61.6060) held at TKK

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

Perspectives

International audienceSource separation and speech enhancement research has made dramatic progress in the last 30 years. It is now a mainstream topic in speech and audio processing, with hundreds of papers published every year. Separation and enhancement performance have greatly improved and successful commercial applications are increasingly being deployed. This chapter provides an overview of research and development perspectives in the field. We do not attempt to cover all perspectives currently under discussion in the community. Instead, we focus on five directions in which we believe major progress is still possible: getting the most out of deep learning, exploiting phase relationships across time-frequency bins, improving the estimation accuracy of multichannel parameters, addressing scenarios involving multiple microphone arrays or other sensors, and accelerating industry transfer. These five directions are covered in Sections 19.1, 19.2, 19.3, 19.4, and 19.5, respectively

Acoustic sensor network geometry calibration and applications

In the modern world, we are increasingly surrounded by computation devices with communication links and one or more microphones. Such devices are, for example, smartphones, tablets, laptops or hearing aids. These devices can work together as nodes in an acoustic sensor network (ASN). Such networks are a growing platform that opens the possibility for many practical applications. ASN based speech enhancement, source localization, and event detection can be applied for teleconferencing, camera control, automation, or assisted living. For this kind of applications, the awareness of auditory objects and their spatial positioning are key properties. In order to provide these two kinds of information, novel methods have been developed in this thesis. Information on the type of auditory objects is provided by a novel real-time sound classification method. Information on the position of human speakers is provided by a novel localization and tracking method. In order to localize with respect to the ASN, the relative arrangement of the sensor nodes has to be known. Therefore, different novel geometry calibration methods were developed. Sound classification The first method addresses the task of identification of auditory objects. A novel application of the bag-of-features (BoF) paradigm on acoustic event classification and detection was introduced. It can be used for event and speech detection as well as for speaker identification. The use of both mel frequency cepstral coefficient (MFCC) and Gammatone frequency cepstral coefficient (GFCC) features improves the classification accuracy. By using soft quantization and introducing supervised training for the BoF model, superior accuracy is achieved. The method generalizes well from limited training data. It is working online and can be computed in a fraction of real-time. By a dedicated training strategy based on a hierarchy of stationarity, the detection of speech in mixtures with noise was realized. This makes the method robust against severe noises levels corrupting the speech signal. Thus it is possible to provide control information to a beamformer in order to realize blind speech enhancement. A reliable improvement is achieved in the presence of one or more stationary noise sources. Speaker localization The localization method enables each node to determine the direction of arrival (DoA) of concurrent sound sources. The author's neuro-biologically inspired speaker localization method for microphone arrays was refined for the use in ASNs. By implementing a dedicated cochlear and midbrain model, it is robust against the reverberation found in indoor rooms. In order to better model the unknown number of concurrent speakers, an application of the EM algorithm that realizes probabilistic clustering according to auditory scene analysis (ASA) principles was introduced. Based on this approach, a system for Euclidean tracking in ASNs was designed. Each node applies the node wise localization method and shares probabilistic DoA estimates together with an estimate of the spectral distribution with the network. As this information is relatively sparse, it can be transmitted with low bandwidth. The system is robust against jitter and transmission errors. The information from all nodes is integrated according to spectral similarity to correctly associate concurrent speakers. By incorporating the intersection angle in the triangulation, the precision of the Euclidean localization is improved. Tracks of concurrent speakers are computed over time, as is shown with recordings in a reverberant room. Geometry calibration The central task of geometry calibration has been solved with special focus on sensor nodes equipped with multiple microphones. Novel methods were developed for different scenarios. An audio-visual method was introduced for the calibration of ASNs in video conferencing scenarios. The DoAs estimates are fused with visual speaker tracking in order to provide sensor positions in a common coordinate system. A novel acoustic calibration method determines the relative positioning of the nodes from ambient sounds alone. Unlike previous methods that only infer the positioning of distributed microphones, the DoA is incorporated and thus it becomes possible to calibrate the orientation of the nodes with a high accuracy. This is very important for all applications using the spatial information, as the triangulation error increases dramatically with bad orientation estimates. As speech events can be used, the calibration becomes possible without the requirement of playing dedicated calibration sounds. Based on this, an online method employing a genetic algorithm with incremental measurements was introduced. By using the robust speech localization method, the calibration is computed in parallel to the tracking. The online method is be able to calibrate ASNs in real time, as is shown with recordings of natural speakers in a reverberant room. The informed acoustic sensor network All new methods are important building blocks for the use of ASNs. The online methods for localization and calibration both make use of the neuro-biologically inspired processing in the nodes which leads to state-of-the-art results, even in reverberant enclosures. The high robustness and reliability can be improved even more by including the event detection method in order to exclude non-speech events. When all methods are combined, both semantic information on what is happening in the acoustic scene as well as spatial information on the positioning of the speakers and sensor nodes is automatically acquired in real time. This realizes truly informed audio processing in ASNs. Practical applicability is shown by application to recordings in reverberant rooms. The contribution of this thesis is thus not only to advance the state-of-the-art in automatically acquiring information on the acoustic scene, but also pushing the practical applicability of such methods

A non-intrusive method for estimating binaural speech intelligibility from noise-corrupted signals captured by a pair of microphones

A non-intrusive method is introduced to predict binaural speech intelligibility in noise directly from signals captured using a pair of microphones. The approach combines signal processing techniques in blind source separation and localisation, with an intrusive objective intelligibility measure (OIM). Therefore, unlike classic intrusive OIMs, this method does not require a clean reference speech signal and knowing the location of the sources to operate. The proposed approach is able to estimate intelligibility in stationary and fluctuating noises, when the noise masker is presented as a point or diffused source, and is spatially separated from the target speech source on a horizontal plane. The performance of the proposed method was evaluated in two rooms. When predicting subjective intelligibility measured as word recognition rate, this method showed reasonable predictive accuracy with correlation coefficients above 0.82, which is comparable to that of a reference intrusive OIM in most of the conditions. The proposed approach offers a solution for fast binaural intelligibility prediction, and therefore has practical potential to be deployed in situations where on-site speech intelligibility is a concern

Proceedings of the EAA Spatial Audio Signal Processing symposium: SASP 2019

International audienc

The Use of Optimal Cue Mapping to Improve the Intelligibility and Quality of Speech in Complex Binaural Sound Mixtures.

A person with normal hearing has the ability to follow a particular conversation of interest in a noisy and reverberant environment, whilst simultaneously ignoring the interfering sounds. This task often becomes more challenging for individuals with a hearing impairment. Attending selectively to a sound source is difficult to replicate in machines, including devices such as hearing aids. A correctly set up hearing aid will work well in quiet conditions, but its performance may deteriorate seriously in the presence of competing sounds. To be of help in these more challenging situations the hearing aid should be able to segregate the desired sound source from any other, unwanted sounds. This thesis explores a novel approach to speech segregation based on optimal cue mapping (OCM). OCM is a signal processing method for segregating a sound source based on spatial and other cues extracted from the binaural mixture of sounds arriving at a listener's ears. The spectral energy fraction of the target speech source in the mixture is estimated frame-by-frame using artificial neural networks (ANNs). The resulting target speech magnitude estimates for the left and right channels are combined with the corresponding original phase spectra to produce the final binaural output signal. The performance improvements delivered by the OCM algorithm are evaluated using the STOI and PESQ metrics for speech intelligibility and quality, respectively. A variety of increasingly challenging binaural mixtures are synthesised involving up to five spatially separate sound sources in both anechoic and reverberant environments. The segregated speech consistently exhibits gains in intelligibility and quality and compares favourably with a leading, somewhat more complex approach. The OCM method allows the selection and integration of multiple cues to be optimised and provides scalable performance benefits to suit the available computational resources. The ability to determine the varying relative importance of each cue in different acoustic conditions is expected to facilitate computationally efficient solutions suitable for use in a hearing aid, allowing the aid to operate effectively in a range of typical acoustic environments. Further developments are proposed to achieve this overall goal