Block-Online Multi-Channel Speech Enhancement Using DNN-Supported Relative Transfer Function Estimates

This work addresses the problem of block-online processing for multi-channel speech enhancement. Such processing is vital in scenarios with moving speakers and/or when very short utterances are processed, e.g., in voice assistant scenarios. We consider several variants of a system that performs beamforming supported by DNN-based voice activity detection (VAD) followed by post-filtering. The speaker is targeted through estimating relative transfer functions between microphones. Each block of the input signals is processed independently in order to make the method applicable in highly dynamic environments. Owing to the short length of the processed block, the statistics required by the beamformer are estimated less precisely. The influence of this inaccuracy is studied and compared to the processing regime when recordings are treated as one block (batch processing). The experimental evaluation of the proposed method is performed on large datasets of CHiME-4 and on another dataset featuring moving target speaker. The experiments are evaluated in terms of objective and perceptual criteria (such as signal-to-interference ratio (SIR) or perceptual evaluation of speech quality (PESQ), respectively). Moreover, word error rate (WER) achieved by a baseline automatic speech recognition system is evaluated, for which the enhancement method serves as a front-end solution. The results indicate that the proposed method is robust with respect to short length of the processed block. Significant improvements in terms of the criteria and WER are observed even for the block length of 250 ms.Comment: 10 pages, 8 figures, 4 tables. Modified version of the article accepted for publication in IET Signal Processing journal. Original results unchanged, additional experiments presented, refined discussion and conclusion

Neural Networks for improved signal source enumeration and localization with unsteered antenna arrays

Direction of Arrival estimation using unsteered antenna arrays, unlike mechanically scanned or phased arrays, requires complex algorithms which perform poorly with small aperture arrays or without a large number of observations, or snapshots. In general, these algorithms compute a sample covriance matrix to obtain the direction of arrival and some require a prior estimate of the number of signal sources. Herein, artificial neural network architectures are proposed which demonstrate improved estimation of the number of signal sources, the true signal covariance matrix, and the direction of arrival. The proposed number of source estimation network demonstrates robust performance in the case of coherent signals where conventional methods fail. For covariance matrix estimation, four different network architectures are assessed and the best performing architecture achieves a 20 times improvement in performance over the sample covariance matrix. Additionally, this network can achieve comparable performance to the sample covariance matrix with 1/8-th the amount of snapshots. For direction of arrival estimation, preliminary results are provided comparing six architectures which all demonstrate high levels of accuracy and demonstrate the benefits of progressively training artificial neural networks by training on a sequence of sub- problems and extending to the network to encapsulate the entire process

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

雑音特性の変動を伴う多様な環境で実用可能な音声強調

筑波大学 (University of Tsukuba)201

Robust Multichannel Microphone Beamforming

In this thesis, a method for the design and implementation of a spatially robust multichannel microphone beamforming system is presented. A set of spatial correlation functions are derived for 2D and 3D far-field/near-field scenarios based on von Mises(-Fisher), Gaussian, and uniform source location distributions. These correlation functions are used to design spatially robust beamformers and blocking beamformers (nullformers) designed to enhance or suppress a known source, where the target source location is not perfectly known due to either an incorrect location estimate or movement of the target while the beamformers are active. The spatially robust beam/null-formers form signal and interferer plus noise references which can be further processed via a blind source separation algorithm to remove mutual components - removing the interference and sensor noise from the signal path and vice versa. The noise reduction performance of the combined beamforming and blind source separation system approaches that of a perfect information MVDR beamformer under reverberant conditions. It is demonstrated that the proposed algorithm can be implemented on low-power hardware with good performance on hardware similar to current mobile platforms using a four-element microphone array

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

An investigation of the wind noise reduction mechanism of porous microphone windscreens

Wind energy is a green way to produce electricity without carbon emissions. However, the infrasound and low frequency audible sound radiated by wind turbines may adversely affect the nearby communities. To investigate the impact of wind farm noise and to understand its noise generation mechanism and propagation, the sound level of wind farm noise must be measured under windy conditions. However, it is often a challenge to measure wind turbine noise under windy conditions in quiet rural residential areas due to wind noise, especially for infrasound and low frequency audible sound. Wind noise is the pseudo sound pressure generated on microphones due to turbulent pressure fluctuations and is indistinguishable from the acoustic signals to be measured. Various microphone windscreens have been utilized to reduce wind noise. However, the physical mechanism of wind noise reduction by windscreens has been unclear to date. The aim of this PhD research is to investigate the mechanisms of wind noise generation and the wind noise reduction mechanism of porous microphone windscreens, and then develop a new compact acoustic measurement system that is insensitive to wind noise. To achieve this objective, a critical literature review is first presented to summarise the state-of-the-art research results in the field of wind noise and its reduction. Then, the research is focused on three aspects: the mechanisms of wind noise generation, the wind noise reduction mechanism of porous microphone windscreens, and wind noise reduction with a compact spherical microphone array. In the first aspect of this thesis, the generation mechanism of wind noise is explored and two theoretical models are proposed to predict wind noise spectra. One model is for outdoor atmospheric turbulence where the Reynolds number based on the Taylor microscale varies from 4250 to 19500, and the other is for indoor fan generated turbulent flows where the Reynolds number based on the Taylor microscale is estimated to be around 432. The proposed theoretical models are validated with existing simulations and experimental results from the literature, as well as measurement results conducted as part of this thesis in a car park for outdoor wind noise and in a laboratory for wind noise from an axial fan. In the second aspect of this thesis, the mechanism of wind noise reduction by porous microphone windscreens is investigated. It is shown that the wind noise reduction of porous microphone windscreens is caused by viscous and inertial forces introduced by the porous structure. Simulation results indicate that the design of porous microphone windscreens should take into account both turbulence suppression inside and wake generation behind the windscreens to achieve optimal performance. Besides, porous windscreens are found to be the most effective in attenuating wind noise in a certain frequency range, where the windscreen diameter is approximately 2 to 4 times the turbulence wavelengths. It is also found that the wind noise reduction is related to the spatial decorrelation of the wind noise signals provided by porous microphone windscreens. The simulation findings are validated with measurement results from an axial fan in a laboratory. In the last aspect of this thesis, a method for wind noise reduction with the spherical microphone array is proposed, and the effect of wind noise on the beamforming performance of a spherical microphone array is investigated. The characteristics of the wind noise is explored and compared with the sound signals in the spherical harmonics domain, based on which a spherical harmonics domain low pass filter method is proposed to reduce wind noise without degrading the desired sound signal. Experimental results demonstrate the feasibility of the proposed method. On the other hand, the effects of wind noise on the beamforming performance of the spherical Plane Wave Decomposition (PWD), Delay and Sum (DAS) and Maximum Variance Distortionless Response (MVDR) beamformers are studied. The experimental results demonstrate that the MVDR beamformer is insensitive to wind noise and able to localise the sound source direction under windy conditions. In summary, two theoretical models are proposed in this PhD research to predict the wind noise spectra in outdoor, large Reynolds number, atmospheric turbulence and indoor, small Reynolds number, turbulent flows, respectively; the physical mechanism of wind noise reduction by porous microphone windscreens is found to be related to the spatial decorrelation effect on the wind noise signal due to the porous structure, and it is demonstrated that the design of porous windscreens should take into account both turbulence suppression inside and wake generation behind the windscreen to achieve optimal performance; the effect of wind noise on the beamforming performance of a spherical microphone array is investigated and a spherical harmonic domain low pass filtering method is proposed to attenuate wind noise without degrading the desired sound signal

Machine Learning for Beamforming in Audio, Ultrasound, and Radar

Multi-sensor signal processing plays a crucial role in the working of several everyday technologies, from correctly understanding speech on smart home devices to ensuring aircraft fly safely. A specific type of multi-sensor signal processing called beamforming forms a central part of this thesis. Beamforming works by combining the information from several spatially distributed sensors to directionally filter information, boosting the signal from a certain direction but suppressing others. The idea of beamforming is key to the domains of audio, ultrasound, and radar. Machine learning is the other central part of this thesis. Machine learning, and especially its sub-field of deep learning, has enabled breakneck progress in tackling several problems that were previously thought intractable. Today, machine learning powers many of the cutting edge systems we see on the internet for image classification, speech recognition, language translation, and more. In this dissertation, we look at beamforming pipelines in audio, ultrasound, and radar from a machine learning lens and endeavor to improve different parts of the pipelines using ideas from machine learning. We start off in the audio domain and derive a machine learning inspired beamformer to tackle the problem of ensuring the audio captured by a camera matches its visual content, a problem we term audiovisual zooming. Staying in the audio domain, we then demonstrate how deep learning can be used to improve the perceptual qualities of speech by denoising speech clipping, codec distortions, and gaps in speech. Transitioning to the ultrasound domain, we improve the performance of short-lag spatial coherence ultrasound imaging by exploiting the differences in tissue texture at each short lag value by applying robust principal component analysis. Next, we use deep learning as an alternative to beamforming in ultrasound and improve the information extraction pipeline by simultaneously generating both a segmentation map and B-mode image of high quality directly from raw received ultrasound data. Finally, we move to the radar domain and study how deep learning can be used to improve signal quality in ultra-wideband synthetic aperture radar by suppressing radio frequency interference, random spectral gaps, and contiguous block spectral gaps. By training and applying the networks on raw single-aperture data prior to beamforming, it can work with myriad sensor geometries and different beamforming equations, a crucial requirement in synthetic aperture radar