Pitch-Informed Solo and Accompaniment Separation

Das 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 Musikstück zu isolieren, unabhängig 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 zusätzliche Information aus der Verteilung der Instrumente im Stereo-Panorama gewonnen werden. Die entwickelte Methode nutzt Tonhöhen-Information als Basis für 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 für die Separation genutzt. Tonobjekt-basierte Verarbeitung ermöglicht es, zusätzlich die Notenanfänge zu verfeinern, transiente Artefakte zu reduzieren, gemeinsame Amplitudenmodulation (Common Amplitude Modulation CAM) einzubeziehen und besser nichtharmonische Elemente der Töne abzuschätzen. Der vorgestellte Algorithmus zur Quellentrennung von Soloinstrument und Begleitung ermöglicht eine Echtzeitverarbeitung und ist somit relevant für den praktischen Einsatz. Ein Experiment zur besseren Modellierung der Zusammenhänge zwischen Magnitude, Phase und Feinfrequenz von isolierten Instrumententönen wurde durchgeführt. Als Ergebnis konnte die Kontinuität der zeitlichen Einhüllenden, die Inharmonizität bestimmter Musikinstrumente und die Auswertung des Phasenfortschritts für die vorgestellte Methode ausgenutzt werden. Zusätzlich wurde ein Algorithmus für die Quellentrennung in perkussive und harmonische Signalanteile auf Basis des Phasenfortschritts entwickelt. Dieser erreicht ein verbesserte perzeptuelle Qualität der harmonischen und perkussiven Signale gegenüber 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 Bewertungsmaße erzielt werden. Die Qualität eines Referenzalgorithmus im Hinblick auf den in dieser Dissertation beschriebenen Instrumentaldatensatz übertroffen werden. Als ein Anwendungsszenario für die Klangquellentrennung in Solo und Begleitung wurde ein Hörtest durchgeführt, der die Qualitätsanforderungen an Quellentrennung im Kontext von Musiklernsoftware bewerten sollte. Die Ergebnisse dieses Hörtests zeigen, dass die Solo- und Begleitspur gemäß unterschiedlicher Qualitätskriterien getrennt werden sollten. Die Musiklernsoftware Songs2See integriert die vorgestellte Klangquellentrennung bereits in einer kommerziell erhältlichen 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

Trennung und Schätzung der Anzahl von Audiosignalquellen mit Zeit- und Frequenzüberlappung

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 — for instance, when instruments play the same note (unison) or when many people speak concurrently ("cocktail party") — 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 first 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, confirming 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 “modulation”, 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 find 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. Für diese Mischungen ist die automatische Quellentrennung oder die Bestimmung der Anzahl an Quellen eine anspruchsvolle Aufgabe. Eine häufige Annahme bei der Verarbeitung von gemischten Signalen im Zeit-Frequenzbereich ist, dass die Quellen sich nicht vollständig überlappen. In dieser Arbeit betrachten wir jedoch einige Fälle, in denen die Überlappung immens ist zum Beispiel, wenn Instrumente den gleichen Ton spielen (unisono) oder wenn viele Menschen gleichzeitig sprechen (Cocktailparty) —, so dass neue Signal-Repräsentationen und leistungsfähigere Modelle notwendig sind. Um die zwei genannten Probleme zu bewältigen, verwenden wir sowohl konventionelle Signalverbeitungsmethoden als auch tiefgehende neuronale Netze (DNN). Wir gehen zunächst auf das Problem der Quellentrennung für 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 Schätzung der Grundfrequenz als zusätzliche Information nutzt. Für Fälle, in denen diese Schätzungen nicht verfügbar sind, stellen wir ein unüberwachtes Modell vor, das inspiriert ist von der Art und Weise, wie Menschen zeitveränderliche Quellen gruppieren (Common Fate). Dieser Beitrag enthält eine neuartige Repräsentation, die die Separierbarkeit für überlappte 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 beschäftigen wir uns mit der Schätzung der Anzahl von Quellen in einer Mischung, was für reale Szenarien wichtig ist. Unsere Arbeit an der Schätzung der Anzahl war motiviert durch eine Studie, die zeigt, wie wir Menschen diese Aufgabe angehen. Dies hat uns dazu veranlasst, eigene Hörexperimente durchzuführen, die bestätigten, dass Menschen nur in der Lage sind, die Anzahl von bis zu vier Quellen korrekt abzuschätzen. Um nun die Frage zu beantworten, ob Maschinen dies ähnlich 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 Schätzung der Anzahl an Quellen ist ein Kernbeitrag dieser Arbeit das Konzept der “Modulation”, welches wichtig ist, um die Strategien von Menschen mittels Computern nachzuahmen. Unsere vorgeschlagene Common Fate Transformation ist eine adäquate Darstellung, um die Überlappung von Signalen für die Trennung zugänglich zu machen und eine Inspektion unseres DNN-Zählmodells ergab schließlich, dass sich auch hier modulationsähnliche Merkmale finden lassen

Self-Supervised Representation Learning for Vocal Music Context

In music and speech, meaning is derived at multiple levels of context. Affect, for example, can be inferred both by a short sound token and by sonic patterns over a longer temporal window such as an entire recording. In this paper we focus on inferring meaning from this dichotomy of contexts. We show how contextual representations of short sung vocal lines can be implicitly learned from fundamental frequency ($F_0$) and thus be used as a meaningful feature space for downstream Music Information Retrieval (MIR) tasks. We propose three self-supervised deep learning paradigms which leverage pseudotask learning of these two levels of context to produce latent representation spaces. We evaluate the usefulness of these representations by embedding unseen vocal contours into each space and conducting downstream classification tasks. Our results show that contextual representation can enhance downstream classification by as much as 15 % as compared to using traditional statistical contour features.Comment: Working on more updated versio

Statistical Approaches for Signal Processing with Application to Automatic Singer Identification

In the music world, the oldest instrument is known as the singing voice that plays an important role in musical recordings. The singer\u27s identity serves as a primary aid for people to organize, browse, and retrieve music recordings. In this thesis, we focus on the problem of singer identification based on the acoustic features of singing voice. An automatic singer identification system is constructed and has achieved a very high identification accuracy. This system consists of three crucial parts: singing voice detection, background music removal and pattern recognition. These parts are introduced and explored in great details in this thesis. To be specific, in terms of the singing voice detection, we firstly study a traditional method, double GMM. Then an improved method, namely single GMM, is proposed. The experimental result shows that the detection accuracy of single GMM can be achieved as high as 96.42%. In terms of the background music removal, Non-negative Matrix Factorization (NMF) and Robust Principal Component Analysis (RPCA) are demonstrated. The evaluation result shows that RPCA outperforms NMF. In terms of pattern recognition, we explore the algorithms of Support Vector Machine (SVM) and Gaussian Mixture Model (GMM). Based on the experimental results, it turns out that the prediction accuracy of GMM classifier is about 16% higher than SVM