Assistive listening headsets for high noise environments: Protection and communication

© 2015 IEEE. In industrial noise environments, the use of assistive listening headsets is a means to provide adequate access to voice communication while wearing hearing protection. This paper presents a performance evaluation and comparison of two different methods to provide the binaural speech enhancement in real industrial noise scenarios. The investigated binaural methods based on differential beamforming and multichannel Wiener filter show different strengths and weaknesses. A transient noise suppression algorithm is also proposed and evaluated. Performance evaluation shows that this algorithm, together with the binaural multi-channel Wiener filter approach, can successfully reduce the hammering noise. This can be observed from the PESQ scores and the signal characteristics

A Study into Speech Enhancement Techniques in Adverse Environment

This dissertation developed speech enhancement techniques that improve the speech quality in applications such as mobile communications, teleconferencing and smart loudspeakers. For these applications it is necessary to suppress noise and reverberation. Thus the contribution in this dissertation is twofold: single channel speech enhancement system which exploits the temporal and spectral diversity of the received microphone signal for noise suppression and multi-channel speech enhancement method with the ability to employ spatial diversity to reduce reverberation

In Car Audio

This chapter presents implementations of advanced in Car Audio Applications. The system is composed by three main different applications regarding the In Car listening and communication experience. Starting from a high level description of the algorithms, several implementations on different levels of hardware abstraction are presented, along with empirical results on both the design process undergone and the performance results achieved

Impact of single-microphone dereverberation on DNN-based meeting transcription systems

Over the past few decades, a range of front-end techniques have been proposed to improve the robustness of automatic speech recognition systems against environmental distortion. While these techniques are effective for small tasks consisting of carefully designed data sets, especially when used with a classical acoustic model, there has been limited evidence that they are useful for a state-of-the-art system with large scale realistic data. This paper focuses on reverberation as a type of distortion and investigates the degree to which dereverberation processing can improve the performance of various forms of acoustic models based on deep neural networks (DNNs) in a challenging meeting transcription task using a single distant microphone. Experimental results show that dereverberation improves the recognition performance regardless of the acoustic model structure and the type of the feature vectors input into the neural networks, providing additional relative improvements of 4.7% and 4.1% to our best configured speaker-independent and speaker-adaptive DNN-based systems, respectively.Xie Chen was funded by Toshiba Research Europe Ltd, Cambridge Research Lab.This is the accepted manuscript of a paper published in the 2014 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP) (Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), 2014 IEEE International Conference on, Issue Date: 4-9 May 2014, Written by: Yoshioka, T.; Xie Chen; Gales, M.J.F.)

Distributed Microphone Array System for Two-way Audio Communication

Tässä työssä esitellään hajautettu mikrofoniryhmäjärjestelmä kahdensuuntaisessa äänikommunikaatiossa. Järjestelmän tavoitteena on paikallistaa hallitseva puhuja ja tallentaa puhesignaali mahdollisimman korkealaatuisesti. Työssä esiteltävässä järjestelmässä jokainen mikrofoniryhmä toimii polynomirakenteella parametrisoituna keilanmuodostajana (PBF), joka mahdollistaa jatkuvan keilanohjauksen. Hallitsevan puhelähteen suunta päätellään PBF:n jokaisen keilan ulostulotehoista. Lopuksi yhdistämällä jokaisen PBF:n kaikkien keilojen ulostulotehot muodostetaan avaruudellinen todennäköisyysfunktio (SLF), jonka suurin arvo määrää puhujan paikan. Puhesignaali tallennetaan ohjaamalla puhujaa lähinnä olevan PBF:n keila puhujan suuntaan. Tässä työssä esiteltävän järjestelmän toiminta arvioitiin simuloidulla ja mitatulla datalla. Arvionti näyttää, että toteutettu järjestelmä pystyy paikallistamaan puhujan noin 40 cm paikannustarkkuudella ja järjestelmä vaimentaa muista suunnista tulevia häiriölähteitä noin 15 dB. Lopuksi järjestelmä toteutettiin reaaliakaisena systeeminä Pure Data signaalinkäsittelyympäristössä.In this work a distributed microphone array system for two-way audio communication is presented. The goal of the system is to locate the dominant speaker and capture the speech signal with highest possible quality. In the presented system each microphone array works as a Polynomial Beamformer (PBF) thus enabling continuous beam steering. The output power of each PBF beam is used to determine the direction of the dominant speech source. Finally, a Spatial Likelihood Function (SLF) is formed by combining the output beam powers of each microphone array and the speaker is determined to be in the point that has highest value of SLF. The audio signal capture is done by steering the closest microphone array to the direction of the speaker. The presented audio capture front-end was evaluated with simulated and measured data. The evaluation shows that the implemented system gives approximately 40 cm localization accuracy and 15 dB attenuation of interference sources. Finally the system was implemented to run in real-time in the Pure Data signal processing environment

Voice inactivity ranking for enhancement of speech on microphone arrays

Motivated by the problem of improving the performance of speech enhancement algorithms in non-stationary acoustic environments with low SNR, a framework is proposed for identifying signal frames of noisy speech that are unlikely to contain voice activity. Such voice-inactive frames can then be incorporated into an adaptation strategy to improve the performance of existing speech enhancement algorithms. This adaptive approach is applicable to single-channel as well as multi-channel algorithms for noisy speech. In both cases, the adaptive versions of the enhancement algorithms are observed to improve SNR levels by 20dB, as indicated by PESQ and WER criteria. In advanced speech enhancement algorithms, it is often of interest to identify some regions of the signal that have a high likelihood of being noise only i.e. no speech present. This is in contrast to advanced speech recognition, speaker recognition, and pitch tracking algorithms in which we are interested in identifying all regions that have a high likelihood of containing speech, as well as regions that have a high likelihood of not containing speech. In other terms, this would mean minimizing the false positive and false negative rates, respectively. In the context of speech enhancement, the identification of some speech-absent regions prompts the minimization of false positives while setting an acceptable tolerance on false negatives, as determined by the performance of the enhancement algorithm. Typically, Voice Activity Detectors (VADs) are used for identifying speech absent regions for the application of speech enhancement. In recent years a myriad of Deep Neural Network (DNN) based approaches have been proposed to improve the performance of VADs at low SNR levels by training on combinations of speech and noise. Training on such an exhaustive dataset is combinatorically explosive. For this dissertation, we propose a voice inactivity ranking framework, where the identification of voice-inactive frames is performed using a machine learning (ML) approach that only uses clean speech utterances for training and is robust to high levels of noise. In the proposed framework, input frames of noisy speech are ranked by ‘voice inactivity score’ to acquire definitely speech inactive (DSI) frame-sequences. These DSI regions serve as a noise estimate and are adaptively used by the underlying speech enhancement algorithm to enhance speech from a speech mixture. The proposed voice-inactivity ranking framework was used to perform speech enhancement in single-channel and multi-channel systems. In the context of microphone arrays, the proposed framework was used to determine parameters for spatial filtering using adaptive beamformers. We achieved an average Word Error Rate (WER) improvement of 50% at SNR levels below 0dB compared to the noisy signal, which is 7±2.5% more than the framework where state-of-the-art VAD decision was used for spatial filtering. For monaural signals, we propose a multi-frame multiband spectral-subtraction (MF-MBSS) speech enhancement system utilizing the voice inactivity framework to compute and update the noise statistics on overlapping frequency bands. The proposed MF-MBSS not only achieved an average PESQ improvement of 16% with a maximum improvement of 56% when compared to the state-of-the-art Spectral Subtraction but also a 5 ± 1.5% improvement in the Word Error Rate (WER) of the spatially filtered output signal, in non-stationary acoustic environments

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

DESIGN AND EVALUATION OF HARMONIC SPEECH ENHANCEMENT AND BANDWIDTH EXTENSION

Improving the quality and intelligibility of speech signals continues to be an important topic in mobile communications and hearing aid applications. This thesis explored the possibilities of improving the quality of corrupted speech by cascading a log Minimum Mean Square Error (logMMSE) noise reduction system with a Harmonic Speech Enhancement (HSE) system. In HSE, an adaptive comb filter is deployed to harmonically filter the useful speech signal and suppress the noisy components to noise floor. A Bandwidth Extension (BWE) algorithm was applied to the enhanced speech for further improvements in speech quality. Performance of this algorithm combination was evaluated using objective speech quality metrics across a variety of noisy and reverberant environments. Results showed that the logMMSE and HSE combination enhanced the speech quality in any reverberant environment and in the presence of multi-talker babble. The objective improvements associated with the BWE were found to be minima