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Score-Informed Source Separation for Musical Audio Recordings [An overview]
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Trennung und SchĂ€tzung der Anzahl von Audiosignalquellen mit Zeit- und FrequenzĂŒberlappung
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 â for instance, when instruments play the same note (unison) or when many people speak concurrently ("cocktail party") â 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 ïŹrst 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, conïŹrming 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 âmodulationâ, 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 ïŹnd 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. FĂŒr diese Mischungen ist die automatische Quellentrennung oder die Bestimmung der Anzahl an Quellen eine anspruchsvolle Aufgabe. Eine hĂ€uïŹge Annahme bei der Verarbeitung von gemischten Signalen im Zeit-Frequenzbereich ist, dass die Quellen sich nicht vollstĂ€ndig ĂŒberlappen. In dieser Arbeit betrachten wir jedoch einige FĂ€lle, in denen die Ăberlappung immens ist zum Beispiel, wenn Instrumente den gleichen Ton spielen (unisono) oder wenn viele Menschen gleichzeitig sprechen (Cocktailparty) â, so dass neue Signal-ReprĂ€sentationen und leistungsfĂ€higere Modelle notwendig sind.
Um die zwei genannten Probleme zu bewĂ€ltigen, verwenden wir sowohl konventionelle Signalverbeitungsmethoden als auch tiefgehende neuronale Netze (DNN). Wir gehen zunĂ€chst auf das Problem der Quellentrennung fĂŒr 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 SchĂ€tzung der Grundfrequenz als zusĂ€tzliche Information nutzt. FĂŒr FĂ€lle, in denen diese SchĂ€tzungen nicht verfĂŒgbar sind, stellen wir ein unĂŒberwachtes Modell vor, das inspiriert ist von der Art und Weise, wie Menschen zeitverĂ€nderliche Quellen gruppieren (Common Fate). Dieser Beitrag enthĂ€lt eine neuartige ReprĂ€sentation, die die Separierbarkeit fĂŒr ĂŒberlappte 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 beschĂ€ftigen wir uns mit der SchĂ€tzung der Anzahl von Quellen in einer Mischung, was fĂŒr reale Szenarien wichtig ist. Unsere Arbeit an der SchĂ€tzung der Anzahl war motiviert durch eine Studie, die zeigt, wie wir Menschen diese Aufgabe angehen. Dies hat uns dazu veranlasst, eigene Hörexperimente durchzufĂŒhren, die bestĂ€tigten, dass Menschen nur in der Lage sind, die Anzahl von bis zu vier Quellen korrekt abzuschĂ€tzen. Um nun die Frage zu beantworten, ob Maschinen dies Ă€hnlich 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 SchĂ€tzung der Anzahl an Quellen ist ein Kernbeitrag dieser Arbeit das Konzept der âModulationâ, welches wichtig ist, um die Strategien von Menschen mittels Computern nachzuahmen. Unsere vorgeschlagene Common Fate Transformation ist eine adĂ€quate Darstellung, um die Ăberlappung von Signalen fĂŒr die Trennung zugĂ€nglich zu machen und eine Inspektion unseres DNN-ZĂ€hlmodells ergab schlieĂlich, dass sich auch hier modulationsĂ€hnliche Merkmale ïŹnden lassen
Music Information Retrieval: An Inspirational Guide to Transfer from Related Disciplines
The emerging field of Music Information Retrieval (MIR) has been influenced by neighboring domains in signal processing and machine learning, including automatic speech recognition, image processing and text information retrieval. In this contribution, we start with concrete examples for methodology transfer between speech and music processing, oriented on the building blocks of pattern recognition: preprocessing, feature extraction, and classification/decoding. We then assume a higher level viewpoint when describing sources of mutual inspiration derived from text and image information retrieval. We conclude that dealing with the peculiarities of music in MIR research has contributed to advancing the state-of-the-art in other fields, and that many future challenges in MIR are strikingly similar to those that other research areas have been facing
Pitch-Informed Solo and Accompaniment Separation
ï»żDas Thema dieser Dissertation ist die Entwicklung eines Systems zur
Tonhöhen-informierten Quellentrennung von Musiksignalen in Soloinstrument
und Begleitung. Dieses ist geeignet, die dominanten Instrumente aus einem
MusikstĂŒck zu isolieren, unabhĂ€ngig von der Art des Instruments, der
Begleitung und Stilrichtung. Dabei werden nur einstimmige
Melodieinstrumente in Betracht gezogen. Die Musikaufnahmen liegen monaural
vor, es kann also keine zusÀtzliche Information aus der Verteilung der
Instrumente im Stereo-Panorama gewonnen werden.
Die entwickelte Methode nutzt Tonhöhen-Information als Basis fĂŒr eine
sinusoidale Modellierung der spektralen Eigenschaften des Soloinstruments
aus dem Musikmischsignal. Anstatt die spektralen Informationen pro Frame zu
bestimmen, werden in der vorgeschlagenen Methode Tonobjekte fĂŒr die
Separation genutzt. Tonobjekt-basierte Verarbeitung ermöglicht es,
zusÀtzlich die NotenanfÀnge zu verfeinern, transiente Artefakte zu
reduzieren, gemeinsame Amplitudenmodulation (Common Amplitude Modulation
CAM) einzubeziehen und besser nichtharmonische Elemente der Töne
abzuschÀtzen. Der vorgestellte Algorithmus zur Quellentrennung von
Soloinstrument und Begleitung ermöglicht eine Echtzeitverarbeitung und ist
somit relevant fĂŒr den praktischen Einsatz.
Ein Experiment zur besseren Modellierung der ZusammenhÀnge zwischen
Magnitude, Phase und Feinfrequenz von isolierten Instrumententönen wurde
durchgefĂŒhrt. Als Ergebnis konnte die KontinuitĂ€t der zeitlichen
EinhĂŒllenden, die InharmonizitĂ€t bestimmter Musikinstrumente und die
Auswertung des Phasenfortschritts fĂŒr die vorgestellte Methode ausgenutzt
werden. ZusĂ€tzlich wurde ein Algorithmus fĂŒr die Quellentrennung in
perkussive und harmonische Signalanteile auf Basis des Phasenfortschritts
entwickelt. Dieser erreicht ein verbesserte perzeptuelle QualitÀt der
harmonischen und perkussiven Signale gegenĂŒber vergleichbaren Methoden nach
dem Stand der Technik.
Die vorgestellte Methode zur Klangquellentrennung in Soloinstrument und
Begleitung wurde zu den Evaluationskampagnen SiSEC 2011 und SiSEC 2013
eingereicht. Dort konnten vergleichbare Ergebnisse im Hinblick auf
perzeptuelle BewertungsmaĂe erzielt werden. Die QualitĂ€t eines
Referenzalgorithmus im Hinblick auf den in dieser Dissertation
beschriebenen Instrumentaldatensatz ĂŒbertroffen werden.
Als ein Anwendungsszenario fĂŒr die Klangquellentrennung in Solo und
Begleitung wurde ein Hörtest durchgefĂŒhrt, der die QualitĂ€tsanforderungen
an Quellentrennung im Kontext von Musiklernsoftware bewerten sollte. Die
Ergebnisse dieses Hörtests zeigen, dass die Solo- und Begleitspur gemĂ€Ă
unterschiedlicher QualitÀtskriterien getrennt werden sollten. Die
Musiklernsoftware Songs2See integriert die vorgestellte
Klangquellentrennung bereits in einer kommerziell erhÀltlichen Anwendung.This thesis addresses the development of a system for pitch-informed solo
and accompaniment separation capable of separating main instruments from
music accompaniment regardless of the musical genre of the track, or type
of music accompaniment. For the solo instrument, only pitched monophonic
instruments were considered in a single-channel scenario where no panning
or spatial location information is available.
In the proposed method, pitch information is used as an initial stage of a
sinusoidal modeling approach that attempts to estimate the spectral
information of the solo instrument from a given audio mixture. Instead of
estimating the solo instrument on a frame by frame basis, the proposed
method gathers information of tone objects to perform separation.
Tone-based processing allowed the inclusion of novel processing stages for
attack refinement, transient interference reduction, common amplitude
modulation (CAM) of tone objects, and for better estimation of non-harmonic
elements that can occur in musical instrument tones. The proposed solo and
accompaniment algorithm is an efficient method suitable for real-world
applications.
A study was conducted to better model magnitude, frequency, and phase of
isolated musical instrument tones. As a result of this study, temporal
envelope smoothness, inharmonicty of musical instruments, and phase
expectation were exploited in the proposed separation method. Additionally,
an algorithm for harmonic/percussive separation based on phase expectation
was proposed. The algorithm shows improved perceptual quality with respect
to state-of-the-art methods for harmonic/percussive separation.
The proposed solo and accompaniment method obtained perceptual quality
scores comparable to other state-of-the-art algorithms under the SiSEC 2011
and SiSEC 2013 campaigns, and outperformed the comparison algorithm on the
instrumental dataset described in this thesis.As a use-case of solo and
accompaniment separation, a listening test procedure was conducted to
assess separation quality requirements in the context of music education.
Results from the listening test showed that solo and accompaniment tracks
should be optimized differently to suit quality requirements of music
education. The Songs2See application was presented as commercial music
learning software which includes the proposed solo and accompaniment
separation method
Binaural Source Separation with Convolutional Neural Networks
This work is a study on source separation techniques for binaural music mixtures. The chosen framework uses a Convolutional Neural Network (CNN) to estimate time-frequency soft masks. This masks are used to extract the different sources from the original two-channel mixture signal. Its baseline single-channel architecture performed state-of-the-art results on monaural music mixtures under low-latency conditions. It has been extended to perform separation in two-channel signals, being the first two-channel CNN joint estimation architecture. This means that filters are learned for each source by taking in account both channels information. Furthermore, a specific binaural condition is included during training stage. It uses Interaural Level Difference (ILD) information to improve spatial images of extracted sources. Concurrently, we present a novel tool to create binaural scenes for testing purposes. Multiple binaural scenes are rendered from a music dataset of four instruments (voice, drums, bass and others). The CNN framework have been tested for these binaural scenes and compared with monaural and stereo results. The system showed a great amount of adaptability and good separation results in all the scenarios. These results are used to evaluate spatial information impact on separation performance
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