Enhanced independent vector analysis for audio separation in a room environment

Independent vector analysis (IVA) is studied as a frequency domain blind source separation method, which can theoretically avoid the permutation problem by retaining the dependency between different frequency bins of the same source vector while removing the dependency between different source vectors. This thesis focuses upon improving the performance of independent vector analysis when it is used to solve the audio separation problem in a room environment. A specific stability problem of IVA, i.e. the block permutation problem, is identified and analyzed. Then a robust IVA method is proposed to solve this problem by exploiting the phase continuity of the unmixing matrix. Moreover, an auxiliary function based IVA algorithm with an overlapped chain type source prior is proposed as well to mitigate this problem. Then an informed IVA scheme is proposed which combines the geometric information of the sources from video to solve the problem by providing an intelligent initialization for optimal convergence. The proposed informed IVA algorithm can also achieve a faster convergence in terms of iteration numbers and better separation performance. A pitch based evaluation method is defined to judge the separation performance objectively when the information describing the mixing matrix and sources is missing. In order to improve the separation performance of IVA, an appropriate multivariate source prior is needed to better preserve the dependency structure within the source vectors. A particular multivariate generalized Gaussian distribution is adopted as the source prior. The nonlinear score function derived from this proposed source prior contains the fourth order relationships between different frequency bins, which provides a more informative and stronger dependency structure compared with the original IVA algorithm and thereby improves the separation performance. Copula theory is a central tool to model the nonlinear dependency structure. The t copula is proposed to describe the dependency structure within the frequency domain speech signals due to its tail dependency property, which means if one variable has an extreme value, other variables are expected to have extreme values. A multivariate student's t distribution constructed by using a t copula with the univariate student's t marginal distribution is proposed as the source prior. Then the IVA algorithm with the proposed source prior is derived. The proposed algorithms are tested with real speech signals in different reverberant room environments both using modelled room impulse response and real room recordings. State-of-the-art criteria are used to evaluate the separation performance, and the experimental results confirm the advantage of the proposed algorithms

Adaptive algorithms and structures with potential application in reverberation time estimation in occupied rooms

Realistic and accurate room reverberation time (RT) extraction is very important in room acoustics. Occupied room RT extraction is even more attractive but it is technically challenging, since the presence of the audience changes the room acoustics. Recently, some methods have been proposed to solve the occupied room RT extraction problem by utilizing passively received speech signals, such as the maximum likelihood estimation (MLE) technique and the artificial neural network (ANN) scheme. Although reasonable RT estimates can be extracted by these methods, noise may affect their accuracy, especially for occupied rooms, where noise is inevitable due to the presence of the audience. To improve the accuracy of the RT estimates from high noise occupied rooms, adaptive techniques are utilized in this thesis as a preprocess ing stage for RT estimation. As a demonstration, this preprocessing together with the MLE method will be applied to extract the RT of a room in which there is significant noise from passively received speech signals. This preprocessing can also be potentially used to aid in the extraction of other acoustic parameters, such as the early decay time (EDT) and speech transmission index (STI). The motivation of the proposed approach is to utilize adaptive techniques, namely blind source separation (BSS) and adaptive noise cancellation (ANC), based upon the least mean square (LMS) algorithm, to reduce the noise level contained in the received speech signal, so that the RT extracted from the signal output generated by the preprocessing can be more accurate. Further research is also performed on some fundamental topics re lated to adaptive techniques. The first topic is variable step size LMS (VSSLMS) algorithms, which are designed to enhance the convergence rate of the LMS algorithm. The concept of gradient based VSSLMS algorithms is described, and new gradient based VSSLMS algorithms are proposed for applications where the input signal is statistically stationary and the signal-to-noise ratio (SNR) is zero decibels or less. The second topic is variable tap-length LMS (VTLMS) algorithms. VTLMS algorithms are designed for applications where the tap-length of the adaptive filter coefficient vector is unknown. The target of these algorithms is to establish a good steady-state tap-length for the LMS algorithm. A steady-state performance analysis for a VTLMS algorithm, the fractional tap-length (FT) algorithm is therefore provided. To improve the performance of the FT algorithm in high noise conditions, a convex combination approach for the FT algorithm is proposed. Furthermore, a new practical VTLMS algorithm is also designed for applications in which the optimal filter has an exponential decay impulse response, commonplace in enclosed acoustic environments. These original research outputs provide deep understanding of the VTLMS algorithms. Finally, the idea of variable tap-length is introduced for the first time into the BSS algorithm. Similar to the FT algorithm, the tap-length of the natural gradient (NG) algorithm, which is one of the most important sequential BSS algorithms is also made variable rather than fixed. A new variable tap-length NG algorithm is proposed to search for a steady-state adaptive filter vector tap-length, and thereby provide a good compromise between steady-state performance and computational complexity. The research recorded in this thesis gives a first step in introducing adaptive techniques into acoustic parameter extraction. Limited by the performance of such adaptive techniques, only simulated studies and comparisons are performed to evaluate the proposed new approach. With further development of the associated adaptive techniques, practical applications of the proposed approach may be obtained in the future.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Exploiting the bimodality of speech in the cocktail party problem

The cocktail party problem is one of following a conversation in a crowded room where there are many competing sound sources, such as the voices of other speakers or music. To address this problem using computers, digital signal processing solutions commonly use blind source separation (BSS) which aims to separate all the original sources (voices) from the mixture simultaneously. Traditionally, BSS methods have relied on information derived from the mixture of sources to separate the mixture into its constituent elements. However, the human auditory system is well adapted to handle the cocktail party scenario, using both auditory and visual information to follow (or hold) a conversation in a such an environment. This thesis focuses on using visual information of the speakers in a cocktail party like scenario to aid in improving the performance of BSS. There are several useful applications of such technology, for example: a pre-processing step for a speech recognition system, teleconferencing or security surveillance. The visual information used in this thesis is derived from the speaker's mouth region, as it is the most visible component of speech production. Initial research presented in this thesis considers a joint statistical model of audio and visual features, which is used to assist in control ling the convergence behaviour of a BSS algorithm. The results of using the statistical models are compared to using the raw audio information alone and it is shown that the inclusion of visual information greatly improves its convergence behaviour. Further research focuses on using the speaker's mouth region to identify periods of time when the speaker is silent through the development of a visual voice activity detector (V-VAD) (i.e. voice activity detection using visual information alone). This information can be used in many different ways to simplify the BSS process. To this end, two novel V-VADs were developed and tested within a BSS framework, which result in significantly improved intelligibility of the separated source associated with the V-VAD output. Thus the research presented in this thesis confirms the viability of using visual information to improve solutions to the cocktail party problem.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial

Audio-Motor Integration for Robot Audition

International audienceIn the context of robotics, audio signal processing in the wild amounts to dealing with sounds recorded by a system that moves and whose actuators produce noise. This creates additional challenges in sound source localization, signal enhancement and recognition. But the speci-ficity of such platforms also brings interesting opportunities: can information about the robot actuators' states be meaningfully integrated in the audio processing pipeline to improve performance and efficiency? While robot audition grew to become an established field, methods that explicitly use motor-state information as a complementary modality to audio are scarcer. This chapter proposes a unified view of this endeavour, referred to as audio-motor integration. A literature review and two learning-based methods for audio-motor integration in robot audition are presented, with application to single-microphone sound source localization and ego-noise reduction on real data