Localization guided speech separation - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2020

Localization guided speech separation

Séparation de la parole guidée par la localisation

Abstract

Voice based personal assistants are part of our daily lives. Their performance suffers in the presence of signal distortions, such as noise, reverberation, and competing speakers. This thesis addresses the problem of extracting the signal of interest in such challenging conditions by first localizing the target speaker and using the location to extract the target speech. In a first stage, a common situation is considered when the target speaker utters a known word or sentence such as the wake-up word of a distant-microphone voice command system. A method that exploits this text information in order to improve the speaker localization performance in the presence of competing speakers is proposed. The proposed solution uses a speech recognition system to align the wake-up word to the corrupted speech signal. A model spectrum representing the aligned phones is used to compute an identifier which is then used by a deep neural network to localize the target speaker. Results on simulated data show that the proposed method reduces the localization error rate compared to the classical GCC-PHAT method. Similar improvements are observed on real data. Given the estimated location of the target speaker, speech separation is performed in three stages. In the first stage, a simple delay-and-sum (DS) beamformer is used to enhance the signal impinging from that location which is then used in the second stage to estimate a time-frequency mask corresponding to the localized speaker using a neural network. This mask is used to compute the second-order statistics and to derive an adaptive beamformer in the third stage. A multichannel, multispeaker, reverberated, noisy dataset --- inspired from the famous WSJ0-2mix dataset --- was generated and the performance of the proposed pipeline was investigated in terms of the word error rate (WER). To make the system robust to localization errors, a Speaker LOcalization Guided Deflation (SLOGD) based approach which estimates the sources iteratively is proposed. At each iteration the location of one speaker is estimated and used to estimate a mask corresponding to that speaker. The estimated source is removed from the mixture before estimating the location and mask of the next source. The proposed method is shown to outperform Conv-TasNet. Finally, we consider the problem of explaining the robustness of neural networks used to compute time-frequency masks to mismatched noise conditions. We employ the so-called SHAP method to quantify the contribution of every time-frequency bin in the input signal to the estimated time-frequency mask. We define a metric that summarizes the SHAP values and show that it correlates with the WER achieved on separated speech. To the best of our knowledge, this is the first known study on neural network explainability in the context of speech separation.
Les assistants vocaux font partie de notre vie quotidienne. Leurs performances sont mises à l'épreuve en présence de distorsions du signal, telles que le bruit, la réverbération et les locuteurs simultanés. Cette thèse aborde le problème de l'extraction du signal d'intérêt dans de telles conditions acoustiques difficiles en localisant d'abord le locuteur cible puis en utilisant la position spatiale pour extraire le signal de parole correspondant. Dans un premier temps, nous considérons la situation courante où le locuteur cible prononce un mot ou une phrase connue, comme le mot de réveil d'un système de commande vocale mains-libres. Nous proposons une méthode afin d'exploiter cette information textuelle pour améliorer la localisation du locuteur en présence de locuteurs simultanés. La solution proposée utilise un système de reconnaissance vocale pour aligner le mot de réveil au signal vocal corrompu. Un spectre de référence représentant les phones alignés est utilisé pour calculer un identifiant qui est ensuite utilisé par un réseau de neurones profond pour localiser le locuteur cible. Les résultats sur des données simulées montrent que la méthode proposée réduit le taux d'erreur de localisation par rapport à la méthode classique GCC-PHAT. Des améliorations similaires sont constatées sur des données réelles. Étant donnée la position spatiale estimée du locuteur cible, la séparation de la parole est effectuée en trois étapes. Dans la première étape, une simple formation de voie delay-and-sum (DS) est utilisée pour rehausser le signal provenant de cette direction, qui est utilisé dans la deuxième étape par un réseau de neurones pour estimer un masque temps-fréquence. Ce masque est utilisé pour calculer les statistiques du second ordre et pour effectuer une formation de voie adaptative dans la troisième étape. Un ensemble de données réverbéré, bruité avec plusieurs canaux et plusieurs locuteurs --- inspiré du célèbre corpus WSJ0-2mix --- a été généré et la performance de la méthode proposée a été étudiée en terme du taux d'erreur sur les mots (WER). Pour rendre le système plus robuste aux erreurs de localisation, une approche par déflation guidée par la localisation (SLOGD) qui estime les sources de manière itérative est proposée. À chaque itération, la position spatiale d'un locuteur est estimée puis utilisée pour estimer un masque correspondant à ce même locuteur. La source estimée est retirée du mélange avant d'estimer la position et le masque de la source suivante. La méthode proposée surpasse Conv-TasNet. Enfin, le problème d'expliquer la robustesse des réseaux de neurones utilisés pour calculer les masques temps-fréquence à des conditions de bruit différentes. Nous utilisons la méthode dite SHAP pour quantifier la contribution de chaque point temps-fréquence du signal d'entrée au masque temps-fréquence estimé. Nous définissons une métrique qui résume les valeurs SHAP et montrons qu'elle est corrélée au WER obtenu sur la parole séparée. À notre connaissance, il s'agit de la première étude sur l'explicabilité des réseaux de neurones dans le contexte de la séparation de la parole.
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Dates and versions

tel-02961882 , version 1 (08-10-2020)

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  • HAL Id : tel-02961882 , version 1

Cite

Sunit Sivasankaran. Localization guided speech separation. Machine Learning [cs.LG]. Université de Lorraine, 2020. English. ⟨NNT : 2020LORR0078⟩. ⟨tel-02961882⟩
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