Spatial dissection of a soundfield using spherical harmonic decomposition

A real-world soundfield is often contributed by multiple desired and undesired sound sources. The performance of many acoustic systems such as automatic speech recognition, audio surveillance, and teleconference relies on its ability to extract the desired sound components in such a mixed environment. The existing solutions to the above problem are constrained by various fundamental limitations and require to enforce different priors depending on the acoustic condition such as reverberation and spatial distribution of sound sources. With the growing emphasis and integration of audio applications in diverse technologies such as smart home and virtual reality appliances, it is imperative to advance the source separation technology in order to overcome the limitations of the traditional approaches. To that end, we exploit the harmonic decomposition model to dissect a mixed soundfield into its underlying desired and undesired components based on source and signal characteristics. By analysing the spatial projection of a soundfield, we achieve multiple outcomes such as (i) soundfield separation with respect to distinct source regions, (ii) source separation in a mixed soundfield using modal coherence model, and (iii) direction of arrival (DOA) estimation of multiple overlapping sound sources through pattern recognition of the modal coherence of a soundfield. We first employ an array of higher order microphones for soundfield separation in order to reduce hardware requirement and implementation complexity. Subsequently, we develop novel mathematical models for modal coherence of noisy and reverberant soundfields that facilitate convenient ways for estimating DOA and power spectral densities leading to robust source separation algorithms. The modal domain approach to the soundfield/source separation allows us to circumvent several practical limitations of the existing techniques and enhance the performance and robustness of the system. The proposed methods are presented with several practical applications and performance evaluations using simulated and real-life dataset

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

Acoustic sensor network geometry calibration and applications

In the modern world, we are increasingly surrounded by computation devices with communication links and one or more microphones. Such devices are, for example, smartphones, tablets, laptops or hearing aids. These devices can work together as nodes in an acoustic sensor network (ASN). Such networks are a growing platform that opens the possibility for many practical applications. ASN based speech enhancement, source localization, and event detection can be applied for teleconferencing, camera control, automation, or assisted living. For this kind of applications, the awareness of auditory objects and their spatial positioning are key properties. In order to provide these two kinds of information, novel methods have been developed in this thesis. Information on the type of auditory objects is provided by a novel real-time sound classification method. Information on the position of human speakers is provided by a novel localization and tracking method. In order to localize with respect to the ASN, the relative arrangement of the sensor nodes has to be known. Therefore, different novel geometry calibration methods were developed. Sound classification The first method addresses the task of identification of auditory objects. A novel application of the bag-of-features (BoF) paradigm on acoustic event classification and detection was introduced. It can be used for event and speech detection as well as for speaker identification. The use of both mel frequency cepstral coefficient (MFCC) and Gammatone frequency cepstral coefficient (GFCC) features improves the classification accuracy. By using soft quantization and introducing supervised training for the BoF model, superior accuracy is achieved. The method generalizes well from limited training data. It is working online and can be computed in a fraction of real-time. By a dedicated training strategy based on a hierarchy of stationarity, the detection of speech in mixtures with noise was realized. This makes the method robust against severe noises levels corrupting the speech signal. Thus it is possible to provide control information to a beamformer in order to realize blind speech enhancement. A reliable improvement is achieved in the presence of one or more stationary noise sources. Speaker localization The localization method enables each node to determine the direction of arrival (DoA) of concurrent sound sources. The author's neuro-biologically inspired speaker localization method for microphone arrays was refined for the use in ASNs. By implementing a dedicated cochlear and midbrain model, it is robust against the reverberation found in indoor rooms. In order to better model the unknown number of concurrent speakers, an application of the EM algorithm that realizes probabilistic clustering according to auditory scene analysis (ASA) principles was introduced. Based on this approach, a system for Euclidean tracking in ASNs was designed. Each node applies the node wise localization method and shares probabilistic DoA estimates together with an estimate of the spectral distribution with the network. As this information is relatively sparse, it can be transmitted with low bandwidth. The system is robust against jitter and transmission errors. The information from all nodes is integrated according to spectral similarity to correctly associate concurrent speakers. By incorporating the intersection angle in the triangulation, the precision of the Euclidean localization is improved. Tracks of concurrent speakers are computed over time, as is shown with recordings in a reverberant room. Geometry calibration The central task of geometry calibration has been solved with special focus on sensor nodes equipped with multiple microphones. Novel methods were developed for different scenarios. An audio-visual method was introduced for the calibration of ASNs in video conferencing scenarios. The DoAs estimates are fused with visual speaker tracking in order to provide sensor positions in a common coordinate system. A novel acoustic calibration method determines the relative positioning of the nodes from ambient sounds alone. Unlike previous methods that only infer the positioning of distributed microphones, the DoA is incorporated and thus it becomes possible to calibrate the orientation of the nodes with a high accuracy. This is very important for all applications using the spatial information, as the triangulation error increases dramatically with bad orientation estimates. As speech events can be used, the calibration becomes possible without the requirement of playing dedicated calibration sounds. Based on this, an online method employing a genetic algorithm with incremental measurements was introduced. By using the robust speech localization method, the calibration is computed in parallel to the tracking. The online method is be able to calibrate ASNs in real time, as is shown with recordings of natural speakers in a reverberant room. The informed acoustic sensor network All new methods are important building blocks for the use of ASNs. The online methods for localization and calibration both make use of the neuro-biologically inspired processing in the nodes which leads to state-of-the-art results, even in reverberant enclosures. The high robustness and reliability can be improved even more by including the event detection method in order to exclude non-speech events. When all methods are combined, both semantic information on what is happening in the acoustic scene as well as spatial information on the positioning of the speakers and sensor nodes is automatically acquired in real time. This realizes truly informed audio processing in ASNs. Practical applicability is shown by application to recordings in reverberant rooms. The contribution of this thesis is thus not only to advance the state-of-the-art in automatically acquiring information on the acoustic scene, but also pushing the practical applicability of such methods

Spherical microphone array processing for acoustic parameter estimation and signal enhancement

In many distant speech acquisition scenarios, such as hands-free telephony or teleconferencing, the desired speech signal is corrupted by noise and reverberation. This degrades both the speech quality and intelligibility, making communication difficult or even impossible. Speech enhancement techniques seek to mitigate these effects and extract the desired speech signal. This objective is commonly achieved through the use of microphone arrays, which take advantage of the spatial properties of the sound field in order to reduce noise and reverberation. Spherical microphone arrays, where the microphones are arranged in a spherical configuration, usually mounted on a rigid baffle, are able to analyze the sound field in three dimensions; the captured sound field can then be efficiently described in the spherical harmonic domain (SHD). In this thesis, a number of novel spherical array processing algorithms are proposed, based in the SHD. In order to comprehensively evaluate these algorithms under a variety of conditions, a method is developed for simulating the acoustic impulse responses between a sound source and microphones positioned on a rigid spherical array placed in a reverberant environment. The performance of speech enhancement algorithms can often be improved by taking advantage of additional a priori information, obtained by estimating various acoustic parameters. Methods for estimating two such parameters, the direction of arrival (DOA) of a source (static or moving) and the signal-to-diffuse energy ratio, are introduced. Finally, the signals received by a microphone array can be filtered and summed by a beamformer. A tradeoff beamformer is proposed, which achieves a balance between speech distortion and noise reduction. The beamformer weights depend on the noise statistics, which cannot be directly observed and must be estimated. An estimation algorithm is developed for this purpose, exploiting the DOA estimates previously obtained to differentiate between desired and interfering coherent sources.Open Acces

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