Deep Learning for Audio Signal Processing

Given the recent surge in developments of deep learning, this article provides a review of the state-of-the-art deep learning techniques for audio signal processing. Speech, music, and environmental sound processing are considered side-by-side, in order to point out similarities and differences between the domains, highlighting general methods, problems, key references, and potential for cross-fertilization between areas. The dominant feature representations (in particular, log-mel spectra and raw waveform) and deep learning models are reviewed, including convolutional neural networks, variants of the long short-term memory architecture, as well as more audio-specific neural network models. Subsequently, prominent deep learning application areas are covered, i.e. audio recognition (automatic speech recognition, music information retrieval, environmental sound detection, localization and tracking) and synthesis and transformation (source separation, audio enhancement, generative models for speech, sound, and music synthesis). Finally, key issues and future questions regarding deep learning applied to audio signal processing are identified.Comment: 15 pages, 2 pdf figure

Trennung und Schätzung der Anzahl von Audiosignalquellen mit Zeit- und Frequenzüberlappung

Everyday audio recordings involve mixture signals: music contains a mixture of instruments; in a meeting or conference, there is a mixture of human voices. For these mixtures, automatically separating or estimating the number of sources is a challenging task. A common assumption when processing mixtures in the time-frequency domain is that sources are not fully overlapped. However, in this work we consider some cases where the overlap is severe — for instance, when instruments play the same note (unison) or when many people speak concurrently ("cocktail party") — highlighting the need for new representations and more powerful models. To address the problems of source separation and count estimation, we use conventional signal processing techniques as well as deep neural networks (DNN). We first address the source separation problem for unison instrument mixtures, studying the distinct spectro-temporal modulations caused by vibrato. To exploit these modulations, we developed a method based on time warping, informed by an estimate of the fundamental frequency. For cases where such estimates are not available, we present an unsupervised model, inspired by the way humans group time-varying sources (common fate). This contribution comes with a novel representation that improves separation for overlapped and modulated sources on unison mixtures but also improves vocal and accompaniment separation when used as an input for a DNN model. Then, we focus on estimating the number of sources in a mixture, which is important for real-world scenarios. Our work on count estimation was motivated by a study on how humans can address this task, which lead us to conduct listening experiments, confirming that humans are only able to estimate the number of up to four sources correctly. To answer the question of whether machines can perform similarly, we present a DNN architecture, trained to estimate the number of concurrent speakers. Our results show improvements compared to other methods, and the model even outperformed humans on the same task. In both the source separation and source count estimation tasks, the key contribution of this thesis is the concept of “modulation”, which is important to computationally mimic human performance. Our proposed Common Fate Transform is an adequate representation to disentangle overlapping signals for separation, and an inspection of our DNN count estimation model revealed that it proceeds to find modulation-like intermediate features.Im Alltag sind wir von gemischten Signalen umgeben: Musik besteht aus einer Mischung von Instrumenten; in einem Meeting oder auf einer Konferenz sind wir einer Mischung menschlicher Stimmen ausgesetzt. Für diese Mischungen ist die automatische Quellentrennung oder die Bestimmung der Anzahl an Quellen eine anspruchsvolle Aufgabe. Eine häufige Annahme bei der Verarbeitung von gemischten Signalen im Zeit-Frequenzbereich ist, dass die Quellen sich nicht vollständig überlappen. In dieser Arbeit betrachten wir jedoch einige Fälle, in denen die Überlappung immens ist zum Beispiel, wenn Instrumente den gleichen Ton spielen (unisono) oder wenn viele Menschen gleichzeitig sprechen (Cocktailparty) —, so dass neue Signal-Repräsentationen und leistungsfähigere Modelle notwendig sind. Um die zwei genannten Probleme zu bewältigen, verwenden wir sowohl konventionelle Signalverbeitungsmethoden als auch tiefgehende neuronale Netze (DNN). Wir gehen zunächst auf das Problem der Quellentrennung für Unisono-Instrumentenmischungen ein und untersuchen die speziellen, durch Vibrato ausgelösten, zeitlich-spektralen Modulationen. Um diese Modulationen auszunutzen entwickelten wir eine Methode, die auf Zeitverzerrung basiert und eine Schätzung der Grundfrequenz als zusätzliche Information nutzt. Für Fälle, in denen diese Schätzungen nicht verfügbar sind, stellen wir ein unüberwachtes Modell vor, das inspiriert ist von der Art und Weise, wie Menschen zeitveränderliche Quellen gruppieren (Common Fate). Dieser Beitrag enthält eine neuartige Repräsentation, die die Separierbarkeit für überlappte und modulierte Quellen in Unisono-Mischungen erhöht, aber auch die Trennung in Gesang und Begleitung verbessert, wenn sie in einem DNN-Modell verwendet wird. Im Weiteren beschäftigen wir uns mit der Schätzung der Anzahl von Quellen in einer Mischung, was für reale Szenarien wichtig ist. Unsere Arbeit an der Schätzung der Anzahl war motiviert durch eine Studie, die zeigt, wie wir Menschen diese Aufgabe angehen. Dies hat uns dazu veranlasst, eigene Hörexperimente durchzuführen, die bestätigten, dass Menschen nur in der Lage sind, die Anzahl von bis zu vier Quellen korrekt abzuschätzen. Um nun die Frage zu beantworten, ob Maschinen dies ähnlich gut können, stellen wir eine DNN-Architektur vor, die erlernt hat, die Anzahl der gleichzeitig sprechenden Sprecher zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen im Vergleich zu anderen Methoden, aber vor allem auch im Vergleich zu menschlichen Hörern. Sowohl bei der Quellentrennung als auch bei der Schätzung der Anzahl an Quellen ist ein Kernbeitrag dieser Arbeit das Konzept der “Modulation”, welches wichtig ist, um die Strategien von Menschen mittels Computern nachzuahmen. Unsere vorgeschlagene Common Fate Transformation ist eine adäquate Darstellung, um die Überlappung von Signalen für die Trennung zugänglich zu machen und eine Inspektion unseres DNN-Zählmodells ergab schließlich, dass sich auch hier modulationsähnliche Merkmale finden lassen

Sequential estimation techniques and application to multiple speaker tracking and language modeling

For many real-word applications, the considered data is given as a time sequence that becomes available in an orderly fashion, where the order incorporates important information about the entities of interest. The work presented in this thesis deals with two such cases by introducing new sequential estimation solutions. More precisely, we introduce a: I. Sequential Bayesian estimation framework to solve the multiple speaker localization, detection and tracking problem. This framework is a complete pipeline that includes 1) new observation estimators, which extract a fixed number of potential locations per time frame; 2) new unsupervised Bayesian detectors, which classify these estimates into noise/speaker classes and 3) new Bayesian filters, which use the speaker class estimates to track multiple speakers. This framework was developed to tackle the low overlap detection rate of multiple speakers and to reduce the number of constraints generally imposed in standard solutions. II. Sequential neural estimation framework for language modeling, which overcomes some of the shortcomings of standard approaches through merging of different models in a hybrid architecture. That is, we introduce two solutions that tightly merge particular models and then show how a generalization can be achieved through a new mixture model. In order to speed-up the training of large vocabulary language models, we introduce a new extension of the noise contrastive estimation approach to batch training.Bei vielen Anwendungen kommen Daten als zeitliche Sequenz vor, deren Reihenfolge wichtige Informationen über die betrachteten Entitäten enthält. In der vorliegenden Arbeit werden zwei derartige Fälle bearbeitet, indem neue sequenzielle Schätzverfahren eingeführt werden: I. Ein Framework für ein sequenzielles bayessches Schätzverfahren zur Lokalisation, Erkennung und Verfolgung mehrerer Sprecher. Es besteht aus 1) neuen Beobachtungsschätzern, welche pro Zeitfenster eine bestimmte Anzahl möglicher Aufenthaltsorte bestimmen; 2) neuen, unüberwachten bayesschen Erkennern, die diese Abschätzungen nach Sprechern/Rauschen klassifizieren und 3) neuen bayesschen Filtern, die Schätzungen aus der Sprecher-Klasse zur Verfolgung mehrerer Sprecher verwenden. Dieses Framework wurde speziell zur Verbesserung der i.A. niedrigen Erkennungsrate bei gleichzeitig Sprechenden entwickelt und benötigt weniger Randbedingungen als Standardlösungen. II. Ein sequenzielles neuronales Vorhersageframework für Sprachmodelle, das einige Nachteile von Standardansätzen durch das Zusammenführen verschiedener Modelle in einer Hybridarchitektur beseitigt. Konkret stellen wir zwei Lösungen vor, die bestimmte Modelle integrieren, und leiten dann eine Verallgemeinerung durch die Verwendung eines neuen Mischmodells her. Um das Trainieren von Sprachmodellen mit sehr großem Vokabular zu beschleunigen, wird eine Erweiterung des rauschkontrastiven Schätzverfahrens für Batch-Training vorgestellt

An Overview of Deep-Learning-Based Audio-Visual Speech Enhancement and Separation

Speech enhancement and speech separation are two related tasks, whose purpose is to extract either one or more target speech signals, respectively, from a mixture of sounds generated by several sources. Traditionally, these tasks have been tackled using signal processing and machine learning techniques applied to the available acoustic signals. Since the visual aspect of speech is essentially unaffected by the acoustic environment, visual information from the target speakers, such as lip movements and facial expressions, has also been used for speech enhancement and speech separation systems. In order to efficiently fuse acoustic and visual information, researchers have exploited the flexibility of data-driven approaches, specifically deep learning, achieving strong performance. The ceaseless proposal of a large number of techniques to extract features and fuse multimodal information has highlighted the need for an overview that comprehensively describes and discusses audio-visual speech enhancement and separation based on deep learning. In this paper, we provide a systematic survey of this research topic, focusing on the main elements that characterise the systems in the literature: acoustic features; visual features; deep learning methods; fusion techniques; training targets and objective functions. In addition, we review deep-learning-based methods for speech reconstruction from silent videos and audio-visual sound source separation for non-speech signals, since these methods can be more or less directly applied to audio-visual speech enhancement and separation. Finally, we survey commonly employed audio-visual speech datasets, given their central role in the development of data-driven approaches, and evaluation methods, because they are generally used to compare different systems and determine their performance

Deep Learning for Distant Speech Recognition

Deep learning is an emerging technology that is considered one of the most promising directions for reaching higher levels of artificial intelligence. Among the other achievements, building computers that understand speech represents a crucial leap towards intelligent machines. Despite the great efforts of the past decades, however, a natural and robust human-machine speech interaction still appears to be out of reach, especially when users interact with a distant microphone in noisy and reverberant environments. The latter disturbances severely hamper the intelligibility of a speech signal, making Distant Speech Recognition (DSR) one of the major open challenges in the field. This thesis addresses the latter scenario and proposes some novel techniques, architectures, and algorithms to improve the robustness of distant-talking acoustic models. We first elaborate on methodologies for realistic data contamination, with a particular emphasis on DNN training with simulated data. We then investigate on approaches for better exploiting speech contexts, proposing some original methodologies for both feed-forward and recurrent neural networks. Lastly, inspired by the idea that cooperation across different DNNs could be the key for counteracting the harmful effects of noise and reverberation, we propose a novel deep learning paradigm called network of deep neural networks. The analysis of the original concepts were based on extensive experimental validations conducted on both real and simulated data, considering different corpora, microphone configurations, environments, noisy conditions, and ASR tasks.Comment: PhD Thesis Unitn, 201