Audio source separation into the wild

International audienceThis review chapter is dedicated to multichannel audio source separation in real-life environment. We explore some of the major achievements in the field and discuss some of the remaining challenges. We will explore several important practical scenarios, e.g. moving sources and/or microphones, varying number of sources and sensors, high reverberation levels, spatially diffuse sources, and synchronization problems. Several applications such as smart assistants, cellular phones, hearing aids and robots, will be discussed. Our perspectives on the future of the field will be given as concluding remarks of this chapter

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

Using deep learning methods for supervised speech enhancement in noisy and reverberant environments

In real world environments, the speech signals received by our ears are usually a combination of different sounds that include not only the target speech, but also acoustic interference like music, background noise, and competing speakers. This interference has negative effect on speech perception and degrades the performance of speech processing applications such as automatic speech recognition (ASR), speaker identification, and hearing aid devices. One way to solve this problem is using source separation algorithms to separate the desired speech from the interfering sounds. Many source separation algorithms have been proposed to improve the performance of ASR systems and hearing aid devices, but it is still challenging for these systems to work efficiently in noisy and reverberant environments. On the other hand, humans have a remarkable ability to separate desired sounds and listen to a specific talker among noise and other talkers. Inspired by the capabilities of human auditory system, a popular method known as auditory scene analysis (ASA) was proposed to separate different sources in a two stage process of segmentation and grouping. The main goal of source separation in ASA is to estimate time frequency masks that optimally match and separate noise signals from a mixture of speech and noise. In this work, multiple algorithms are proposed to improve upon source separation in noisy and reverberant acoustic environment. First, a simple and novel algorithm is proposed to increase the discriminability between two sound sources by scaling (magnifying) the head-related transfer function of the interfering source. Experimental results from applications of this algorithm show a significant increase in the quality of the recovered target speech. Second, a time frequency masking-based source separation algorithm is proposed that can separate a male speaker from a female speaker in reverberant conditions by using the spatial cues of the source signals. Furthermore, the proposed algorithm has the ability to preserve the location of the sources after separation. Three major aims are proposed for supervised speech separation based on deep neural networks to estimate either the time frequency masks or the clean speech spectrum. Firstly, a novel monaural acoustic feature set based on a gammatone filterbank is presented to be used as the input of the deep neural network (DNN) based speech separation model, which shows significant improvement in objective speech intelligibility and speech quality in different testing conditions. Secondly, a complementary binaural feature set is proposed to increase the ability of source separation in adverse environment with non-stationary background noise and high reverberation using 2-channel recordings. Experimental results show that the combination of spatial features with this complementary feature set improves significantly the speech intelligibility and speech quality in noisy and reverberant conditions. Thirdly, a novel dilated convolution neural network is proposed to improve the generalization of the monaural supervised speech enhancement model to different untrained speakers, unseen noises and simulated rooms. This model increases the speech intelligibility and speech quality of the recovered speech significantly, while being computationally more efficient and requiring less memory in comparison to other models. In addition, the proposed model is modified with recurrent layers and dilated causal convolution layers for real-time processing. This model is causal which makes it suitable for implementation in hearing aid devices and ASR system, while having fewer trainable parameters and using only information about previous time frames in output prediction. The main goal of the proposed algorithms are to increase the intelligibility and the quality of the recovered speech from noisy and reverberant environments, which has the potential to improve both speech processing applications and signal processing strategies for hearing aid and cochlear implant technology

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

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

Modelling the nonstationarity of speech in the maximum negentropy beamformer

State-of-the-art automatic speech recognition (ASR) systems can achieve very low word error rates (WERs) of below 5% on data recorded with headsets. However, in many situations such as ASR at meetings or in the car, far field microphones on the table, walls or devices such as laptops are preferable to microphones that have to be worn close to the user\u27s mouths. Unfortunately, the distance between speakers and microphones introduces significant noise and reverberation, and as a consequence the WERs of current ASR systems on this data tend to be unacceptably high (30-50% upwards). The use of a microphone array, i.e. several microphones, can alleviate the problem somewhat by performing spatial filtering: beamforming techniques combine the sensors\u27 output in a way that focuses the processing on a particular direction. Assuming that the signal of interest comes from a different direction than the noise, this can improve the signal quality and reduce the WER by filtering out sounds coming from non-relevant directions. Historically, array processing techniques developed from research on non-speech data, e.g. in the fields of sonar and radar, and as a consequence most techniques were not created to specifically address beamforming in the context of ASR. While this generality can be seen as an advantage in theory, it also means that these methods ignore characteristics which could be used to improve the process in a way that benefits ASR. An example of beamforming adapted to speech processing is the recently proposed maximum negentropy beamformer (MNB), which exploits the statistical characteristics of speech as follows. "Clean" headset speech differs from noisy or reverberant speech in its statistical distribution, which is much less Gaussian in the clean case. Since negentropy is a measure of non-Gaussianity, choosing beamformer weights that maximise the negentropy of the output leads to speech that is closer to clean speech in its distribution, and this in turn has been shown to lead to improved WERs [Kumatani et al., 2009]. In this thesis several refinements of the MNB algorithm are proposed and evaluated. Firstly, a number of modifications to the original MNB configuration are proposed based on theoretical or practical concerns. These changes concern the probability density function (pdf) used to model speech, the estimation of the pdf parameters, and the method of calculating the negentropy. Secondly, a further step is taken to reflect the characteristics of speech by introducing time-varying pdf parameters. The original MNB uses fixed estimates per utterance, which do not account for the nonstationarity of speech. Several time-dependent variance estimates are therefore proposed, beginning with a simple moving average window and including the HMM-MNB, which derives the variance estimate from a set of auxiliary hidden Markov models. All beamformer algorithms presented in this thesis are evaluated through far-field ASR experiments on the Multi-Channel Wall Street Journal Audio-Visual Corpus, a database of utterances captured with real far-field sensors, in a realistic acoustic environment, and spoken by real speakers. While the proposed methods do not lead to an improvement in ASR performance, a more efficient MNB algorithm is developed, and it is shown that comparable results can be achieved with significantly less data than all frames of the utterance, a result which is of particular relevance for real-time implementations.Automatische Spracherkennungssysteme können heutzutage sehr niedrige Wortfehlerraten (WER) unter 5% erreichen, wenn die Sprachdaten mit einem Headset oder anderem Nahbesprechungsmikrofon aufgezeichnet wurden. Allerdings hat das Tragen eines mundnahen Mikrofons in vielen Situationen, wie z.B. der Spracherkennung im Auto oder während einer Besprechung, praktische Nachteile, und ein auf dem Tisch, an der Wand oder am Laptop befestigtes Mikrofon wäre in dem Fall vorteilhaft. Bei einer größeren Distanz zwischen Mikrofon und Sprecher werden andererseits aber verstärkt Hintergrundgeräusche und Hall aufgenommen, wodurch die Wortfehlerraten häufig in einen unakzeptablen Bereich von 30—50% und höher steigen. Ein Mikrofonarray, d.h. eine Gruppe von Mikrofonen, kann hierbei durch räumliches Filtern in gewissem Maße Abhilfe schaffen: sogenannte Beamforming-Methoden können die Daten der einzelnen Sensoren so kombinieren, dass der Fokus auf eine bestimmte Richtung gerichtet wird. Wenn nun ein Zielsignal aus einer anderen Richtung als die Störgeräusche kommt, kann dieser Prozess die Signalqualität erhöhen und WER-Werte reduzieren, indem die Geräusche aus den nicht-relevanten Richtungen herausgefiltert werden. Da Beamforming-Techniken sich aus der Forschung an nicht-sprachlichen Daten wie Sonar und Radar entwickelt haben, sind die wenigsten Methoden in diesem Bereich speziell auf das Problem der Spracherkennung ausgerichtet. Während eine Anwendungsunabhängigkeit von Vorteil sein kann, bedeutet sie aber auch, dass Eigenschaften der Spracherkennung ignoriert werden, die zur Verbesserung des Ergebnisses genutzt werden könnten. Ein Beispiel für einen Beamforming-Algorithmus, der speziell für die Verarbeitung von Sprache entwickelt wurde, ist der Maximum Negentropy Beamformer (MNB). Der MNB nutzt die Tatsache, dass "saubere" Sprache, die mit einem Nahbesprechungsmikrofon aufgenommen wurde, eine andere Wahrscheinlichkeitsverteilung aufweist als verrauschte oder verhallte Sprache: Die Verteilung sauberer Sprache unterscheidet sich von der Normalverteilung sehr viel stärker als die von fern aufgezeichneter Sprache. Der MNB wählt Beamforming-Gewichte, die den Negentropy-Wert maximieren, und da Negentropy misst, wie sehr sich eine Verteilung von der Normalverteilung unterscheidet, ähnelt die vom MNB produzierte Sprache statistisch gesehen sauberer Sprache, was zu verbesserten WER-Werten geführt hat [Kumatani et al., 2009]. Das Thema dieser Dissertation ist die Entwicklung und Evaluierung von verschiedenen Modifikationen des MNB. Erstens wird eine Anzahl von praktisch und theoretisch motivierten Veränderungen vorgeschlagen, die die Form der Wahrscheinlichkeitsverteilung zur Sprachmodellierung, die Schätzung der Parameter dieser Verteilung und die Berechnung der Negentropy-Werte betreffen. Zweitens wird ein weiterer Schritt zur Berücksichtigung der Eigenschaften von Sprache unternommen, indem die Zeitabhängigkeit der Verteilungsparameter eingeführt wird; im ursprünglichen MNB-Algorithmus sind diese für eine Äußerung konstant, was im Gegensatz zur nicht-konstanten Eigenschaft von Sprache steht. Mehrere zeitabhängige Varianz-Schätzungmethoden werden beschrieben und evaluiert, von einem einfachen gleitenden Durchschnittswert bis zum komplexeren HMM-MNB, der die Varianz aus Hidden-Markov-Modellen ableitet. Alle Beamforming-Algorithmen, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, werden durch Spracherkennungsexperimente mit dem Multi-Channel Wall Street Journal Audio-Visual Corpus evaluiert. Dieser Korpus wurde nicht durch Simulation erstellt, sondern besteht aus Äußerungen von Personen, die mit echten Sensoren in einer realistischen akustischen Umgebung aufgenommen wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass mit den bisher entwickelten Methoden keine Verbesserung der Wortfehlerrate erreicht werden kann. Allerdings wurde ein effizienterer MNB-Algorithmus entwickelt, der vergleichbare Erkennungsraten mit deutlich weniger Sprachdaten erreichen kann, was vor allem für eine Echtzeitimplementierung relevant ist