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Deep Learning for Audio Signal Processing
Given the recent surge in developments of deep learning, this article
provides a review of the state-of-the-art deep learning techniques for audio
signal processing. Speech, music, and environmental sound processing are
considered side-by-side, in order to point out similarities and differences
between the domains, highlighting general methods, problems, key references,
and potential for cross-fertilization between areas. The dominant feature
representations (in particular, log-mel spectra and raw waveform) and deep
learning models are reviewed, including convolutional neural networks, variants
of the long short-term memory architecture, as well as more audio-specific
neural network models. Subsequently, prominent deep learning application areas
are covered, i.e. audio recognition (automatic speech recognition, music
information retrieval, environmental sound detection, localization and
tracking) and synthesis and transformation (source separation, audio
enhancement, generative models for speech, sound, and music synthesis).
Finally, key issues and future questions regarding deep learning applied to
audio signal processing are identified.Comment: 15 pages, 2 pdf figure
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Monaural speech separation with deep learning using phase modelling and capsule networks
The removal of background noise from speech audio is a problem with high practical relevance. A variety of deep learning approaches have been applied to it in recent years, most of which operate on a magnitude spectrogram representation of a noisy recording to estimate the isolated speaking voice. This work investigates ways to include phase information, which is commonly discarded, firstly within a convolutional neural network (CNN) architecture, and secondly by applying capsule networks, to our knowledge the first time capsules have been used in source separation. We present a Circular Loss function, which takes into account the periodic nature of phase. Our results show that the inclusion of phase information leads to an improvement in the quality of speech separation. We also find that in our experiments convolutional neural networks outperform capsule networks at speech separation
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
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