A Study on Linear Blind Source Separation using Associative Memory Model

早大学位記番号:新7630早稲田大

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

Mixture of beamformers for speech separation and extraction

In many audio applications, the signal of interest is corrupted by acoustic background noise, interference, and reverberation. The presence of these contaminations can significantly degrade the quality and intelligibility of the audio signal. This makes it important to develop signal processing methods that can separate the competing sources and extract a source of interest. The estimated signals may then be either directly listened to, transmitted, or further processed, giving rise to a wide range of applications such as hearing aids, noise-cancelling headphones, human-computer interaction, surveillance, and hands-free telephony. Many of the existing approaches to speech separation/extraction relied on beamforming techniques. These techniques approach the problem from a spatial point of view; a microphone array is used to form a spatial filter which can extract a signal from a specific direction and reduce the contamination of signals from other directions. However, when there are fewer microphones than sources (the underdetermined case), perfect attenuation of all interferers becomes impossible and only partial interference attenuation is possible. In this thesis, we present a framework which extends the use of beamforming techniques to underdetermined speech mixtures. We describe frequency domain non-linear mixture of beamformers that can extract a speech source from a known direction. Our approach models the data in each frequency bin via Gaussian mixture distributions, which can be learned using the expectation maximization algorithm. The model learning is performed using the observed mixture signals only, and no prior training is required. The signal estimator comprises of a set of minimum mean square error (MMSE), minimum variance distortionless response (MVDR), or minimum power distortionless response (MPDR) beamformers. In order to estimate the signal, all beamformers are concurrently applied to the observed signal, and the weighted sum of the beamformers’ outputs is used as the signal estimator, where the weights are the estimated posterior probabilities of the Gaussian mixture states. These weights are specific to each timefrequency point. The resulting non-linear beamformers do not need to know or estimate the number of sources, and can be applied to microphone arrays with two or more microphones with arbitrary array configuration. We test and evaluate the described methods on underdetermined speech mixtures. Experimental results for the non-linear beamformers in underdetermined mixtures with room reverberation confirm their capability to successfully extract speech sources

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

Robust variational Bayesian clustering for underdetermined speech separation

The main focus of this thesis is the enhancement of the statistical framework employed for underdetermined T-F masking blind separation of speech. While humans are capable of extracting a speech signal of interest in the presence of other interference and noise; actual speech recognition systems and hearing aids cannot match this psychoacoustic ability. They perform well in noise and reverberant free environments but suffer in realistic environments. Time-frequency masking algorithms based on computational auditory scene analysis attempt to separate multiple sound sources from only two reverberant stereo mixtures. They essentially rely on the sparsity that binaural cues exhibit in the time-frequency domain to generate masks which extract individual sources from their corresponding spectrogram points to solve the problem of underdetermined convolutive speech separation. Statistically, this can be interpreted as a classical clustering problem. Due to analytical simplicity, a finite mixture of Gaussian distributions is commonly used in T-F masking algorithms for modelling interaural cues. Such a model is however sensitive to outliers, therefore, a robust probabilistic model based on the Student's t-distribution is first proposed to improve the robustness of the statistical framework. This heavy tailed distribution, as compared to the Gaussian distribution, can potentially better capture outlier values and thereby lead to more accurate probabilistic masks for source separation. This non-Gaussian approach is applied to the state-of the-art MESSL algorithm and comparative studies are undertaken to confirm the improved separation quality. A Bayesian clustering framework that can better model uncertainties in reverberant environments is then exploited to replace the conventional expectation-maximization (EM) algorithm within a maximum likelihood estimation (MLE) framework. A variational Bayesian (VB) approach is then applied to the MESSL algorithm to cluster interaural phase differences thereby avoiding the drawbacks of MLE; specifically the probable presence of singularities and experimental results confirm an improvement in the separation performance. Finally, the joint modelling of the interaural phase and level differences and the integration of their non-Gaussian modelling within a variational Bayesian framework, is proposed. This approach combines the advantages of the robust estimation provided by the Student's t-distribution and the robust clustering inherent in the Bayesian approach. In other words, this general framework avoids the difficulties associated with MLE and makes use of the heavy tailed Student's t-distribution to improve the estimation of the soft probabilistic masks at various reverberation times particularly for sources in close proximity. Through an extensive set of simulation studies which compares the proposed approach with other T-F masking algorithms under different scenarios, a significant improvement in terms of objective and subjective performance measures is achieved

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

雑音特性の変動を伴う多様な環境で実用可能な音声強調

筑波大学 (University of Tsukuba)201