Informed algorithms for sound source separation in enclosed reverberant environments

While humans can separate a sound of interest amidst a cacophony of contending sounds in an echoic environment, machine-based methods lag behind in solving this task. This thesis thus aims at improving performance of audio separation algorithms when they are informed i.e. have access to source location information. These locations are assumed to be known a priori in this work, for example by video processing. Initially, a multi-microphone array based method combined with binary time-frequency masking is proposed. A robust least squares frequency invariant data independent beamformer designed with the location information is utilized to estimate the sources. To further enhance the estimated sources, binary time-frequency masking based post-processing is used but cepstral domain smoothing is required to mitigate musical noise. To tackle the under-determined case and further improve separation performance at higher reverberation times, a two-microphone based method which is inspired by human auditory processing and generates soft time-frequency masks is described. In this approach interaural level difference, interaural phase difference and mixing vectors are probabilistically modeled in the time-frequency domain and the model parameters are learned through the expectation-maximization (EM) algorithm. A direction vector is estimated for each source, using the location information, which is used as the mean parameter of the mixing vector model. Soft time-frequency masks are used to reconstruct the sources. A spatial covariance model is then integrated into the probabilistic model framework that encodes the spatial characteristics of the enclosure and further improves the separation performance in challenging scenarios i.e. when sources are in close proximity and when the level of reverberation is high. Finally, new dereverberation based pre-processing is proposed based on the cascade of three dereverberation stages where each enhances the twomicrophone reverberant mixture. The dereverberation stages are based on amplitude spectral subtraction, where the late reverberation is estimated and suppressed. The combination of such dereverberation based pre-processing and use of soft mask separation yields the best separation performance. All methods are evaluated with real and synthetic mixtures formed for example from speech signals from the TIMIT database and measured room impulse responses

Sound Source Separation

This is the author's accepted pre-print of the article, first published as G. Evangelista, S. Marchand, M. D. Plumbley and E. Vincent. Sound source separation. In U. Zölzer (ed.), DAFX: Digital Audio Effects, 2nd edition, Chapter 14, pp. 551-588. John Wiley & Sons, March 2011. ISBN 9781119991298. DOI: 10.1002/9781119991298.ch14file: Proof:e\EvangelistaMarchandPlumbleyV11-sound.pdf:PDF owner: markp timestamp: 2011.04.26file: Proof:e\EvangelistaMarchandPlumbleyV11-sound.pdf:PDF owner: markp timestamp: 2011.04.2

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

Application of sound source separation methods to advanced spatial audio systems

This thesis is related to the field of Sound Source Separation (SSS). It addresses the development and evaluation of these techniques for their application in the resynthesis of high-realism sound scenes by means of Wave Field Synthesis (WFS). Because the vast majority of audio recordings are preserved in twochannel stereo format, special up-converters are required to use advanced spatial audio reproduction formats, such as WFS. This is due to the fact that WFS needs the original source signals to be available, in order to accurately synthesize the acoustic field inside an extended listening area. Thus, an object-based mixing is required. Source separation problems in digital signal processing are those in which several signals have been mixed together and the objective is to find out what the original signals were. Therefore, SSS algorithms can be applied to existing two-channel mixtures to extract the different objects that compose the stereo scene. Unfortunately, most stereo mixtures are underdetermined, i.e., there are more sound sources than audio channels. This condition makes the SSS problem especially difficult and stronger assumptions have to be taken, often related to the sparsity of the sources under some signal transformation. This thesis is focused on the application of SSS techniques to the spatial sound reproduction field. As a result, its contributions can be categorized within these two areas. First, two underdetermined SSS methods are proposed to deal efficiently with the separation of stereo sound mixtures. These techniques are based on a multi-level thresholding segmentation approach, which enables to perform a fast and unsupervised separation of sound sources in the time-frequency domain. Although both techniques rely on the same clustering type, the features considered by each of them are related to different localization cues that enable to perform separation of either instantaneous or real mixtures.Additionally, two post-processing techniques aimed at improving the isolation of the separated sources are proposed. The performance achieved by several SSS methods in the resynthesis of WFS sound scenes is afterwards evaluated by means of listening tests, paying special attention to the change observed in the perceived spatial attributes. Although the estimated sources are distorted versions of the original ones, the masking effects involved in their spatial remixing make artifacts less perceptible, which improves the overall assessed quality. Finally, some novel developments related to the application of time-frequency processing to source localization and enhanced sound reproduction are presented.Cobos Serrano, M. (2009). Application of sound source separation methods to advanced spatial audio systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8969Palanci

Joint Tensor Factorization and Outlying Slab Suppression with Applications

We consider factoring low-rank tensors in the presence of outlying slabs. This problem is important in practice, because data collected in many real-world applications, such as speech, fluorescence, and some social network data, fit this paradigm. Prior work tackles this problem by iteratively selecting a fixed number of slabs and fitting, a procedure which may not converge. We formulate this problem from a group-sparsity promoting point of view, and propose an alternating optimization framework to handle the corresponding $\ell_p$ ($0<p\leq 1$) minimization-based low-rank tensor factorization problem. The proposed algorithm features a similar per-iteration complexity as the plain trilinear alternating least squares (TALS) algorithm. Convergence of the proposed algorithm is also easy to analyze under the framework of alternating optimization and its variants. In addition, regularization and constraints can be easily incorporated to make use of \emph{a priori} information on the latent loading factors. Simulations and real data experiments on blind speech separation, fluorescence data analysis, and social network mining are used to showcase the effectiveness of the proposed algorithm

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