Mathematical modelling ano optimization strategies for acoustic source localization in reverberant environments

La presente Tesis se centra en el uso de técnicas modernas de optimización y de procesamiento de audio para la localización precisa y robusta de personas dentro de un entorno reverberante dotado con agrupaciones (arrays) de micrófonos. En esta tesis se han estudiado diversos aspectos de la localización sonora, incluyendo el modelado, la algoritmia, así como el calibrado previo que permite usar los algoritmos de localización incluso cuando la geometría de los sensores (micrófonos) es desconocida a priori. Las técnicas existentes hasta ahora requerían de un número elevado de micrófonos para obtener una alta precisión en la localización. Sin embargo, durante esta tesis se ha desarrollado un nuevo método que permite una mejora de más del 30\% en la precisión de la localización con un número reducido de micrófonos. La reducción en el número de micrófonos es importante ya que se traduce directamente en una disminución drástica del coste y en un aumento de la versatilidad del sistema final. Adicionalmente, se ha realizado un estudio exhaustivo de los fenómenos que afectan al sistema de adquisición y procesado de la señal, con el objetivo de mejorar el modelo propuesto anteriormente. Dicho estudio profundiza en el conocimiento y modelado del filtrado PHAT (ampliamente utilizado en localización acústica) y de los aspectos que lo hacen especialmente adecuado para localización. Fruto del anterior estudio, y en colaboración con investigadores del instituto IDIAP (Suiza), se ha desarrollado un sistema de auto-calibración de las posiciones de los micrófonos a partir del ruido difuso presente en una sala en silencio. Esta aportación relacionada con los métodos previos basados en la coherencia. Sin embargo es capaz de reducir el ruido atendiendo a parámetros físicos previamente conocidos (distancia máxima entre los micrófonos). Gracias a ello se consigue una mejor precisión utilizando un menor tiempo de cómputo. El conocimiento de los efectos del filtro PHAT ha permitido crear un nuevo modelo que permite la representación 'sparse' del típico escenario de localización. Este tipo de representación se ha demostrado ser muy conveniente para localización, permitiendo un enfoque sencillo del caso en el que existen múltiples fuentes simultáneas. La última aportación de esta tesis, es el de la caracterización de las Matrices TDOA (Time difference of arrival -Diferencia de tiempos de llegada, en castellano-). Este tipo de matrices son especialmente útiles en audio pero no están limitadas a él. Además, este estudio transciende a la localización con sonido ya que propone métodos de reducción de ruido de las medias TDOA basados en una representación matricial 'low-rank', siendo útil, además de en localización, en técnicas tales como el beamforming o el autocalibrado

The influence of random element displacement on DOA estimates obtained with (Khatri-Rao-)root-MUSIC

Although a wide range of direction of arrival (DOA) estimation algorithms has been described for a diverse range of array configurations, no specific stochastic analysis framework has been established to assess the probability density function of the error on DOA estimates due to random errors in the array geometry. Therefore, we propose a stochastic collocation method that relies on a generalized polynomial chaos expansion to connect the statistical distribution of random position errors to the resulting distribution of the DOA estimates. We apply this technique to the conventional root-MUSIC and the Khatri-Rao-root-MUSIC methods. According to Monte-Carlo simulations, this novel approach yields a speedup by a factor of more than 100 in terms of CPU-time for a one-dimensional case and by a factor of 56 for a two-dimensional case