Object-based Modeling of Audio for Coding and Source Separation

This thesis studies several data decomposition algorithms for obtaining an object-based representation of an audio signal. The estimation of the representation parameters are coupled with audio-specific criteria, such as the spectral redundancy, sparsity, perceptual relevance and spatial position of sounds. The objective is to obtain an audio signal representation that is composed of meaningful entities called audio objects that reflect the properties of real-world sound objects and events. The estimation of the object-based model is based on magnitude spectrogram redundancy using non-negative matrix factorization with extensions to multichannel and complex-valued data. The benefits of working with object-based audio representations over the conventional time-frequency bin-wise processing are studied. The two main applications of the object-based audio representations proposed in this thesis are spatial audio coding and sound source separation from multichannel microphone array recordings. In the proposed spatial audio coding algorithm, the audio objects are estimated from the multichannel magnitude spectrogram. The audio objects are used for recovering the content of each original channel from a single downmixed signal, using time-frequency filtering. The perceptual relevance of modeling the audio signal is considered in the estimation of the parameters of the object-based model, and the sparsity of the model is utilized in encoding its parameters. Additionally, a quantization of the model parameters is proposed that reflects the perceptual relevance of each quantized element. The proposed object-based spatial audio coding algorithm is evaluated via listening tests and comparing the overall perceptual quality to conventional time-frequency block-wise methods at the same bitrates. The proposed approach is found to produce comparable coding efficiency while providing additional functionality via the object-based coding domain representation, such as the blind separation of the mixture of sound sources in the encoded channels. For the sound source separation from multichannel audio recorded by a microphone array, a method combining an object-based magnitude model and spatial covariance matrix estimation is considered. A direction of arrival-based model for the spatial covariance matrices of the sound sources is proposed. Unlike the conventional approaches, the estimation of the parameters of the proposed spatial covariance matrix model ensures a spatially coherent solution for the spatial parameterization of the sound sources. The separation quality is measured with objective criteria and the proposed method is shown to improve over the state-of-the-art sound source separation methods, with recordings done using a small microphone array

Interactive controller for audio object localization based on spatial representative vector operation

Abstract-In this paper, we propose a new interactive controller for audio object localization based on spatially representative vector operations on a stereo mixed source. First, we developed the interactive controller, which is equipped with a capacitive touchscreen panel so that the listener can intuitively operate audio objects displayed on the touchscreen panel with a touch pen. Next, we assessed the perceptual effects of localization and the sound quality of an audio object after performing individual operations to verify the operation of the interactive controller via a subjective evaluation. The results of the experiments clarify that the interactive controller enables the listener to change the gain and the localization of audio objects without sound degradation if the gain operation is not extreme

Improving speech intelligibility in hearing aids. Part I: Signal processing algorithms

[EN] The improvement of speech intelligibility in hearing aids is a traditional problem that still remains open and unsolved. Modern devices may include signal processing algorithms to improve intelligibility: automatic gain control, automatic environmental classification or speech enhancement. However, the design of such algorithms is strongly restricted by some engineering constraints caused by the reduced dimensions of hearing aid devices. In this paper, we discuss the application of state-of-theart signal processing algorithms to improve speech intelligibility in digital hearing aids, with particular emphasis on speech enhancement algorithms. Different alternatives for both monaural and binaural speech enhancement have been considered, arguing whether they are suitable to be implemented in a commercial hearing aid or not.This work has been funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation, under project TEC2012-38142-C04-02.Ayllón, D.; Gil Pita, R.; Rosa Zurera, M.; Padilla, L.; Piñero Sipán, MG.; Diego Antón, MD.; Ferrer Contreras, M.... (2014). Improving speech intelligibility in hearing aids. Part I: Signal processing algorithms. Waves. 6:61-71. http://hdl.handle.net/10251/57901S6171

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

Bimodal Audiovisual Perception in Interactive Application Systems of Moderate Complexity

The dissertation at hand deals with aspects of quality perception of interactive audiovisual application systems of moderate complexity as e.g. defined in the MPEG-4 standard. Because in these systems the available computing power is limited, it is decisive to know which factors influence the perceived quality. Only then can the available computing power be distributed in the most effective and efficient way for the simulation and display of audiovisual 3D scenes. Whereas quality factors for the unimodal auditory and visual stimuli are well known and respective models of perception have been successfully devised based on this knowledge, this is not true for bimodal audiovisual perception. For the latter, it is only known that some kind of interdependency between auditory and visual perception does exist. The exact mechanisms of human audiovisual perception have not been described. It is assumed that interaction with an application or scene has a major influence upon the perceived overall quality. The goal of this work was to devise a system capable of performing subjective audiovisual assessments in the given context in a largely automated way. By applying the system, first evidence regarding audiovisual interdependency and influence of interaction upon perception should be collected. Therefore this work was composed of three fields of activities: the creation of a test bench based on the available but (regarding the audio functionality) somewhat restricted MPEG-4 player, the preoccupation with methods and framework requirements that ensure comparability and reproducibility of audiovisual assessments and results, and the performance of a series of coordinated experiments including the analysis and interpretation of the collected data. An object-based modular audio rendering engine was co-designed and -implemented which allows to perform simple room-acoustic simulations based on the MPEG-4 scene description paradigm in real-time. Apart from the MPEG-4 player, the test bench consists of a haptic Input Device used by test subjects to enter their quality ratings and a logging tool that allows to journalize all relevant events during an assessment session. The collected data can be exported comfortably for further analysis using appropriate statistic tools. A thorough analysis of the well established test methods and recommendations for unimodal subjective assessments was performed to find out whether a transfer to the audiovisual bimodal case is easily possible. It became evident that - due to the limited knowledge about the underlying perceptual processes - a novel categorization of experiments according to their goals could be helpful to organize the research in the field. Furthermore, a number of influencing factors could be identified that exercise control over bimodal perception in the given context. By performing the perceptual experiments using the devised system, its functionality and ease of use was verified. Apart from that, some first indications for the role of interaction in perceived overall quality have been collected: interaction in the auditory modality reduces a human's ability of correctly rating the audio quality, whereas visually based (cross-modal) interaction does not necessarily generate this effect.Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Aspekten der Qualitätswahrnehmung von interaktiven audiovisuellen Anwendungssystemen moderater Komplexität, wie sie z.B. durch den MPEG-4 Standard definiert sind. Die Frage, welche Faktoren Einfluss auf die wahrgenommene Qualität von audiovisuellen Anwendungssystemen haben ist entscheidend dafür, wie die nur begrenzt zur Verfügung stehende Rechenleistung für die Echtzeit-Simulation von 3D Szenen und deren Darbietung sinnvoll verteilt werden soll. Während Qualitätsfaktoren für unimodale auditive als auch visuelle Stimuli seit langem bekannt sind und entsprechende Modelle existieren, müssen diese für die bimodale audiovisuelle Wahrnehmung noch hergeleitet werden. Dabei ist bekannt, dass eine Wechselwirkung zwischen auditiver und visueller Qualität besteht, nicht jedoch, wie die Mechanismen menschlicher audiovisueller Wahrnehmung genau arbeiten. Es wird auch angenommen, dass der Faktor Interaktion einen wesentlichen Einfluss auf wahrgenommene Qualität hat. Das Ziel dieser Arbeit war, ein System für die zeitsparende und weitgehend automatisierte Durchführung von subjektiven audiovisuellen Wahrnehmungstests im gegebenen Kontext zu erstellen und es für einige exemplarische Experimente einzusetzen, welche erste Aussagen über audiovisuelleWechselwirkungen und den Einfluss von Interaktion auf die Wahrnehmung erlauben sollten. Demzufolge gliederte sich die Arbeit in drei Aufgabenbereiche: die Erstellung eines geeigneten Testsystems auf der Grundlage eines vorhandenen, jedoch in seiner Audiofunktionalität noch eingeschränkten MPEG-4 Players, das Sicherstellen von Vergleichbarkeit und Wiederholbarkeit von audiovisuellen Wahrnehmungstests durch definierte Testmethoden und -bedingungen, und die eigentliche Durchführung der aufeinander abgestimmten Experimente mit anschlieÿender Auswertung und Interpretation der gewonnenen Daten. Dazu wurde eine objektbasierte, modulare Audio-Engine mitentworfen und -implementiert, welche basierend auf den Möglichkeiten der MPEG-4 Szenenbeschreibung alle Fähigkeiten zur Echtzeitberechnung von Raumakustik bietet. Innerhalb des entwickelten Testsystems kommuniziert der MPEG-4 Player mit einem hardwaregestützten Benutzerinterface zur Eingabe der Qualitätsbewertungen durch die Testpersonen. Sämtliche relevanten Ereignisse, die während einer Testsession auftreten, können mit Hilfe eines Logging-Tools aufgezeichnet und für die weitere Datenanalyse mit Statistikprogrammen exportiert werden. Eine Analyse der existierenden Testmethoden und -empfehlungen für unimodale Wahrnehmungstests sollte zeigen, ob deren Übertragung auf den audiovisuellen Fall möglich ist. Dabei wurde deutlich, dass bedingt durch die fehlende Kenntnis der zugrundeliegenden Wahrnehmungsprozesse zunächst eine Unterteilung nach den Zielen der durchgeführten Experimente sinnvoll erscheint. Weiterhin konnten Einflussfaktoren identifiziert werden, die die bimodale Wahrnehmung im gegebenen Kontext steuern. Bei der Durchführung der Wahrnehmungsexperimente wurde die Funktionsfähigkeit des erstellten Testsystems verifiziert. Darüber hinaus ergaben sich erste Anhaltspunkte für den Einfluss von Interaktion auf die wahrgenommene Gesamtqualität: Interaktion in der auditiven Modalität verringert die Fähigkeit, Audioqualität korrekt beurteilen zu können, während visuell gestützte Interaktion (cross-modal) diesen Effekt nicht zwingend generiert

Lifting transforms on graphs and their application to video coding

Compact representations of data are very useful in many applications such as coding, denoising or feature extraction. “Classical” transforms such as Discrete Cosine Transforms (DCT) or Discrete Wavelets Transforms (DWT) provide sparse approximations of smooth signals, but lose efficiency when they are applied to signals with large discontinuities. In such cases, directional transforms, which are able to adapt their basis functions to the underlying signal structure, improve the performance of “classical” transforms. In this PhD Thesis we describe a general class of lifting transforms on graphs that can be seen as N-dimensional directional transforms. Graphs are constructed so that every node corresponds to a specific sample point of a discrete N-dimensional signal and links between nodes represent correlation between samples. Therefore, non-correlated samples (e.g., samples across a large discontinuity in the signal) should not be linked. We propose a lifting-based directional transform that can be applied to any undirected graph. In this transform, filtering operations are performed following highcorrelation directions (indicated by the links between nodes), thus avoiding filtering across large discontinuities that give rise to large high-pass coefficients in those locations. In this way, the transform efficiently exploits the correlation that exists between data on the graph, leading to a more compact representation. We mainly focus on the design and optimization of these lifting transforms on graphs, studying and discussing the three main steps required to obtain an invertible and critically sampled transform: (i) graph construction, (ii) design of “good” graph bipartitions, and (iii) filter design. We also explain how to extend the transform to J levels of decomposition, obtaining a multiresolution analysis of the original N-dimensional signal. The proposed transform has many desirable properties, such as perfect reconstruction, critically-sampled, easy generalization to N-dimensional domains, non-separable and one-dimensional filtering operations, localization in frequency and in the original domain, and the ability to choose any filtering direction. As an application, we develop a graph-based video encoder where the goal is to obtain a compact representation of the original video sequence. To this end, we first propose a graph-representation of the video sequence and then design a 3-dimensional (spatio-temporal) non-separable directional transform. This can be viewed as an extension of wavelet transform-based video encoders that operate in the spatial and in the temporal domains independently. Our transform yields better compaction ability (in terms of non-linear approximation) than a state of the art motion-compensated temporal filtering transform (which can be interpreted as a temporal wavelet transform) and a comparable hybrid Discrete Cosine Transform (DCT)-based video encoder (which is the basis of the latest video coding standards). In order to obtain a complete video encoder, the transform coefficients and the side information (needed to obtain an invertible scheme) should be entropy coded and sent to the decoder. Therefore, we also propose a coefficient-reordering method based on the information of the graph which allows to improve the compression ability of the entropy encoder. Furthermore, we design two different low-cost approaches which aim to reduce the extensive computational complexity of the proposed system without causing significant losses of compression performance. The proposed complete system leads to an efficient encoder which significantly outperforms a comparable hybrid DCT-based encoder in rate-distortion terms. Finally, we investigate how rate-distortion optimization can be applied to the proposed coding scheme.La representación compacta de señales resulta útil en diversas aplicaciones, tales como compresión, reducción de ruido, o extracción de características. Transformadas “clásicas” como la Transformada Discreta del Coseno (DCT) o la TransformadaWavelet Discreta (DWT) logran aproximaciones compactas de señales suaves, pero pierden su eficiencia al ser aplicadas sobre se˜nales que contienen grandes discontinuidades. En estos casos, las transformadas direccionales, capaces de adaptar sus funciones base a la estructura de la señal a analizar, mejoran la eficiencia de las transformadas “clásicas”. En esta tesis nos centramos en el diseño y optimización de transformadas “lifting” sobre grafos, las cuales pueden ser interpretadas como transformadas direccionales N-dimensionales. Los grafos son construidos demanera que cada nodo se corresponde con una muestra específica de una señal discreta N-dimensional, y los enlaces entre los nodos representan correlación entre muestras. Así, muestras no correlacionadas (por ejemplo, muestras que se encuentran a ambos lados de una discontinuidad) no deberían estar unidas. Sobre el grafo formado aplicaremos transformadas basadas en el esquema “lifting”, en las que las operaciones de filtrado se realizan siguiendo las direcciones indicadas por los enlaces entre nodos (direcciones de alta correlación). De esta manera, evitaremos filtrar cruzando a través de largas discontinuidades (lo que resultaría en coeficientes con alto valor en dichas discontinuidades), dando lugar a una transformada direccional que explota la correlación que existe entre las muestras de la señal en el grafo, obteniendo una representación compacta de dicha señal. En esta tesis nos centramos, principalmente, en investigar los tres principales pasos requeridos para obtener una transformada direccional basada en el esquema “lifting” aplicado en grafos: (i) la construcción del grafo, (ii) el diseño de biparticiones del grafo, y (iii) la definición de los filtros. El buen diseño de estos tres procesos determinará, entre otras cosas, la capacidad para compactar la energía de la transformada. También explicamos cómo extender este tipo de transformadas a J niveles de descomposición, obteniendo un análisis multi-resolución de la señal N-dimensional original. La transformada propuesta tiene muchas propiedades deseables, tales como reconstrucción perfecta, muestreo crítico, fácil generalización a dominios N-dimensionales, operaciones de filtrado no separables y unidimensionales, localización en frecuencia y en el dominio original, y capacidad de elegir cualquier dirección de filtrado. Como aplicación, desarrollamos un codificador de vídeo basado en grafos donde el objetivo es obtener una versión compacta de la señal de vídeo original. Para ello, primero proponemos una representación en grafos de la secuencia de vídeo y luego diseñamos transformadas no separables direccionales 3-dimensionales (espacio-tiempo). Nuestro codificador puede interpretarse como una extensión de los codificadores de vídeo basados en “wavelets”, los cuales operan independientemente (de forma separable) en el dominio espacial y en el temporal. La transformada propuesta consigue mejores resultados (en términos de aproximación no lineal) que un método del estado del arte basado en “wavelets” temporales compensadas en movimiento, y un codificador DCT comparable (base de los últimos estándares de codificación de vídeo). Para conseguir un codificador de vídeo completo, los coeficientes resultantes de la transformada y la información secundaria (necesaria para obtener un esquema invertible) deben ser codificados entrópicamente y enviados al decodificador. Por ello, también proponemos en esta tesis un método de reordenación de los coeficientes basado en la información del grafo que permite mejorar la capacidad de compresión del codificador entrópico. El esquema de codificación propuesto mejora significativamente la eficiencia de un codificador híbrido basado en DCT en términos de tasa-distorsión. Sin embargo, nuestro método tiene la desventaja de su gran complejidad computacional. Para tratar de paliar este problema, diseñamos dos algoritmos que tratan de reducir dicha complejidad sin que ello afecte en la capacidad de compresión. Finalmente, investigamos como realizar optimización tasa-distorsión sobre el codificador basado en grafos propuesto

Underdetermined convolutive source separation using two dimensional non-negative factorization techniques

PhD ThesisIn this thesis the underdetermined audio source separation has been considered, that is, estimating the original audio sources from the observed mixture when the number of audio sources is greater than the number of channels. The separation has been carried out using two approaches; the blind audio source separation and the informed audio source separation. The blind audio source separation approach depends on the mixture signal only and it assumes that the separation has been accomplished without any prior information (or as little as possible) about the sources. The informed audio source separation uses the exemplar in addition to the mixture signal to emulate the targeted speech signal to be separated. Both approaches are based on the two dimensional factorization techniques that decompose the signal into two tensors that are convolved in both the temporal and spectral directions. Both approaches are applied on the convolutive mixture and the high-reverberant convolutive mixture which are more realistic than the instantaneous mixture. In this work a novel algorithm based on the nonnegative matrix factor two dimensional deconvolution (NMF2D) with adaptive sparsity has been proposed to separate the audio sources that have been mixed in an underdetermined convolutive mixture. Additionally, a novel Gamma Exponential Process has been proposed for estimating the convolutive parameters and number of components of the NMF2D/ NTF2D, and to initialize the NMF2D parameters. In addition, the effects of different window length have been investigated to determine the best fit model that suit the characteristics of the audio signal. Furthermore, a novel algorithm, namely the fusion K models of full-rank weighted nonnegative tensor factor two dimensional deconvolution (K-wNTF2D) has been proposed. The K-wNTF2D is developed for its ability in modelling both the spectral and temporal changes, and the spatial covariance matrix that addresses the high reverberation problem. Variable sparsity that derived from the Gibbs distribution is optimized under the Itakura-Saito divergence and adapted into the K-wNTF2D model. The tensors of this algorithm have been initialized by a novel initialization method, namely the SVD two-dimensional deconvolution (SVD2D). Finally, two novel informed source separation algorithms, namely, the semi-exemplar based algorithm and the exemplar-based algorithm, have been proposed. These algorithms based on the NMF2D model and the proposed two dimensional nonnegative matrix partial co-factorization (2DNMPCF) model. The idea of incorporating the exemplar is to inform the proposed separation algorithms about the targeted signal to be separated by initializing its parameters and guide the proposed separation algorithms. The adaptive sparsity is derived for both ii of the proposed algorithms. Also, a multistage of the proposed exemplar based algorithm has been proposed in order to further enhance the separation performance. Results have shown that the proposed separation algorithms are very promising, more flexible, and offer an alternative model to the conventional methods

Dictionary Learning for Sparse Representations With Applications to Blind Source Separation.

During the past decade, sparse representation has attracted much attention in the signal processing community. It aims to represent a signal as a linear combination of a small number of elementary signals called atoms. These atoms constitute a dictionary so that a signal can be expressed by the multiplication of the dictionary and a sparse coefficients vector. This leads to two main challenges that are studied in the literature, i.e. sparse coding (find the coding coefficients based on a given dictionary) and dictionary design (find an appropriate dictionary to fit the data). Dictionary design is the focus of this thesis. Traditionally, the signals can be decomposed by the predefined mathematical transform, such as discrete cosine transform (DCT), which forms the so-called analytical approach. In recent years, learning-based methods have been introduced to adapt the dictionary from a set of training data, leading to the technique of dictionary learning. Although this may involve a higher computational complexity, learned dictionaries have the potential to offer improved performance as compared with predefined dictionaries. Dictionary learning algorithm is often achieved by iteratively executing two operations: sparse approximation and dictionary update. We focus on the dictionary update step, where the dictionary is optimized with a given sparsity pattern. A novel framework is proposed to generalize benchmark mechanisms such as the method of optimal directions (MOD) and K-SVD where an arbitrary set of codewords and the corresponding sparse coefficients are simultaneously updated, hence the term simultaneous codeword optimization (SimCO). Moreover, its extended formulation ‘regularized SimCO’ mitigates the major bottleneck of dictionary update caused by the singular points. First and second order optimization procedures are designed to solve the primitive and regularized SimCO. In addition, a tree-structured multi-level representation of dictionary based on clustering is used to speed up the optimization process in the sparse coding stage. This novel dictionary learning algorithm is also applied for solving the underdetermined blind speech separation problem, leading to a multi-stage method, where the separation problem is reformulated as a sparse coding problem, with the dictionary being learned by an adaptive algorithm. Using mutual coherence and sparsity index, the performance of a variety of dictionaries for underdetermined speech separation is compared and analyzed, such as the dictionaries learned from speech mixtures and ground truth speech sources, as well as those predefined by mathematical transforms. Finally, we propose a new method for joint dictionary learning and source separation. Different from the multistage method, the proposed method can simultaneously estimate the mixing matrix, the dictionary and the sources in an alternating and blind manner. The advantages of all the proposed methods are demonstrated over the state-of-the-art methods using extensive numerical tests