On the performance of multi-GPU-based expert systems for acoustic localization involving massive microphone array

Sound source localization is an important topic in expert systems involving microphone arrays, such as automatic camera steering systems, human-machine interaction, video gaming or audio surveillance. The Steered Response Power with Phase Transform (SRP-PHAT) algorithm is a well-known approach for sound source localization due to its robust performance in noisy and reverberant environments. This algorithm analyzes the sound power captured by an acoustic beamformer on a defined spatial grid, estimating the source location as the point that maximizes the output power. Since localization accuracy can be improved by using high-resolution spatial grids and a high number of microphones, accurate acoustic localization systems require high computational power. Graphics Processing Units (GPUs) are highly parallel programmable co-processors that provide massive computation when the needed operations are properly parallelized. Emerging GPUs offer multiple parallelism levels; however, properly managing their computational resources becomes a very challenging task. In fact, management issues become even more difficult when multiple GPUs are involved, adding one more level of parallelism. In this paper, the performance of an acoustic source localization system using distributed microphones is analyzed over a massive multichannel processing framework in a multi-GPU system. The paper evaluates and points out the influence that the number of microphones and the available computational resources have in the overall system performance. Several acoustic environments are considered to show the impact that noise and reverberation have in the localization accuracy and how the use of massive microphone systems combined with parallelized GPU algorithms can help to mitigate substantially adverse acoustic effects. In this context, the proposed implementation is able to work in real time with high-resolution spatial grids and using up to 48 microphones. These results confirm the advantages of suitable GPU architectures in the development of real-time massive acoustic signal processing systems.This work has been partially funded by the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad (TEC2009-13741, TEC2012-38142-C04-01, and TEC2012-37945-C02-02), Generalitat Valenciana PROMETEO 2009/2013, and Universitat Politecnica de Valencia through Programa de Apoyo a la Investigacion y Desarrollo (PAID-05-11 and PAID-05-12).Belloch Rodríguez, JA.; Gonzalez, A.; Vidal Maciá, AM.; Cobos Serrano, M. (2015). On the performance of multi-GPU-based expert systems for acoustic localization involving massive microphone array. Expert Systems with Applications. 42(13):5607-5620. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2015.02.056S56075620421

Detecção de atividade de voz e localização de fontes sonoras simultâneas utilizando informações audiovisuais

Em vista da tentência de se criarem intefaces entre humanos e máquinas que cada vez mais permitam meios simples de interação, é natural que sejam realizadas pesquisas em técnicas que procuram simular o meio mais convencional de comunicação que os humanos usam: a fala. No sistema auditivo humano, a voz é automaticamente processada pelo cérebro de modo efetivo e fácil, também comumente auxiliada por informações visuais, como movimentação labial e localizacão dos locutores. Este processamento realizado pelo cérebro inclui dois componentes importantes que a comunicação baseada em fala requere: Detecção de Atividade de Voz (Voice Activity Detection - VAD) e Localização de Fontes Sonoras (Sound Source Localization - SSL). Consequentemente, VAD e SSL também servem como ferramentas mandatórias de pré-processamento em aplicações de Interfaces Humano-Computador (Human Computer Interface - HCI), como no caso de reconhecimento automático de voz e identificação de locutor. Entretanto, VAD e SSL ainda são problemas desafiadores quando se lidando com cenários acústicos realísticos, particularmente na presença de ruído, reverberação e locutores simultâneos. Neste trabalho, são propostas abordagens para tratar tais problemas, para os casos de uma e múltiplas fontes sonoras, através do uso de informações audiovisuais, explorando-se variadas maneiras de se fundir as modalidades de áudio e vídeo. Este trabalho também emprega um arranjo de microfones para o processamento de som, o qual permite que as informações espaciais dos sinais acústicos sejam exploradas através do algoritmo estado-da-arte SRP (Steered Response Power). Por consequência adicional, uma eficiente implementação em GPU do SRP foi desenvolvida, possibilitando processamento em tempo real do algoritmo. Os experimentos realizados mostram uma acurácia média de 95% ao se efetuar VAD de até três locutores simultâneos, e um erro médio de 10cm ao se localizar tais locutores.Given the tendency of creating interfaces between human and machines that increasingly allow simple ways of interaction, it is only natural that research effort is put into techniques that seek to simulate the most conventional mean of communication humans use: the speech. In the human auditory system, voice is automatically processed by the brain in an effortless and effective way, also commonly aided by visual cues, such as mouth movement and location of the speakers. This processing done by the brain includes two important components that speech-based communication require: Voice Activity Detection (VAD) and Sound Source Localization (SSL). Consequently, VAD and SSL also serve as mandatory preprocessing tools for high-end Human Computer Interface (HCI) applications in a computing environment, as the case of automatic speech recognition and speaker identification. However, VAD and SSL are still challenging problems when dealing with realistic acoustic scenarios, particularly in the presence of noise, reverberation and multiple simultaneous speakers. In this work we propose some approaches for tackling these problems using audiovisual information, both for the single source and the competing sources scenario, exploiting distinct ways of fusing the audio and video modalities. Our work also employs a microphone array for the audio processing, which allows the spatial information of the acoustic signals to be explored through the stateof- the art method Steered Response Power (SRP). As an additional consequence, a very fast GPU version of the SRP is developed, so that real-time processing is achieved. Our experiments show an average accuracy of 95% when performing VAD of up to three simultaneous speakers and an average error of 10cm when locating such speakers

Detecção de atividade de voz e localização de fontes sonoras simultâneas utilizando informações audiovisuais

Em vista da tentência de se criarem intefaces entre humanos e máquinas que cada vez mais permitam meios simples de interação, é natural que sejam realizadas pesquisas em técnicas que procuram simular o meio mais convencional de comunicação que os humanos usam: a fala. No sistema auditivo humano, a voz é automaticamente processada pelo cérebro de modo efetivo e fácil, também comumente auxiliada por informações visuais, como movimentação labial e localizacão dos locutores. Este processamento realizado pelo cérebro inclui dois componentes importantes que a comunicação baseada em fala requere: Detecção de Atividade de Voz (Voice Activity Detection - VAD) e Localização de Fontes Sonoras (Sound Source Localization - SSL). Consequentemente, VAD e SSL também servem como ferramentas mandatórias de pré-processamento em aplicações de Interfaces Humano-Computador (Human Computer Interface - HCI), como no caso de reconhecimento automático de voz e identificação de locutor. Entretanto, VAD e SSL ainda são problemas desafiadores quando se lidando com cenários acústicos realísticos, particularmente na presença de ruído, reverberação e locutores simultâneos. Neste trabalho, são propostas abordagens para tratar tais problemas, para os casos de uma e múltiplas fontes sonoras, através do uso de informações audiovisuais, explorando-se variadas maneiras de se fundir as modalidades de áudio e vídeo. Este trabalho também emprega um arranjo de microfones para o processamento de som, o qual permite que as informações espaciais dos sinais acústicos sejam exploradas através do algoritmo estado-da-arte SRP (Steered Response Power). Por consequência adicional, uma eficiente implementação em GPU do SRP foi desenvolvida, possibilitando processamento em tempo real do algoritmo. Os experimentos realizados mostram uma acurácia média de 95% ao se efetuar VAD de até três locutores simultâneos, e um erro médio de 10cm ao se localizar tais locutores.Given the tendency of creating interfaces between human and machines that increasingly allow simple ways of interaction, it is only natural that research effort is put into techniques that seek to simulate the most conventional mean of communication humans use: the speech. In the human auditory system, voice is automatically processed by the brain in an effortless and effective way, also commonly aided by visual cues, such as mouth movement and location of the speakers. This processing done by the brain includes two important components that speech-based communication require: Voice Activity Detection (VAD) and Sound Source Localization (SSL). Consequently, VAD and SSL also serve as mandatory preprocessing tools for high-end Human Computer Interface (HCI) applications in a computing environment, as the case of automatic speech recognition and speaker identification. However, VAD and SSL are still challenging problems when dealing with realistic acoustic scenarios, particularly in the presence of noise, reverberation and multiple simultaneous speakers. In this work we propose some approaches for tackling these problems using audiovisual information, both for the single source and the competing sources scenario, exploiting distinct ways of fusing the audio and video modalities. Our work also employs a microphone array for the audio processing, which allows the spatial information of the acoustic signals to be explored through the stateof- the art method Steered Response Power (SRP). As an additional consequence, a very fast GPU version of the SRP is developed, so that real-time processing is achieved. Our experiments show an average accuracy of 95% when performing VAD of up to three simultaneous speakers and an average error of 10cm when locating such speakers