Worst-case optimization robust-MVDR beamformer for stereo noise reduction in hearing aids

Abstract

A audição é um sentido extremadamente importante para os seres humanos e a vida em sociedade. Perdas auditivas dificultam significativamente a compreensão da fala, especialmente em ambientes ruidosos, diminuindo a qualidade de vida das pessoas. Atualmente estão disponíveis diversas tecnologias de auxílio à deficiência auditiva, como por exemplo os aparelhos auditivos biauriculares. Os conformadores de feixe são técnicas bastante efetivas para a redução de ruído em aparelhos auditivos biauriculares. São compostos por filtros que realizam uma seleção espacial da informação, impondo um determinado ganho na direção do sinal acústico de interesse e uma atenuação nos sinais provenientes das demais direções. Uma das técnicas de conformadores mais usadas em aparelhos auditivos biauriculares é a resposta de mínima variância sem distorção (MVDR), cuja principal limitação é a sua sensibilidade às imprecisões das estimativas dos parâmetros necessários ao seu projeto, acarretando uma degradação significativa no seu desempenho em situações reais. Nesse sentido, o presente trabalho propõe um conformador robusto estéreo para redução de ruído em aplicações de aparelhos auditivos. O método de otimização de desempenho do pior caso foi aplicado ao conformador biauricular de mínima variância sem distorção (BMVDR), visando a aumentar a robustez contra as incertezas na estimativa de parâmetros. Os parâmetros de controle foram projetados como uma função da estimativa da diferença de nível interauricular da fala ruidosa, a qual é uma importante pista biauricular. É apresentada a sustentação teórica e em sequência experimentos de simulação são realizados, demonstrando a eficiência do método proposto na preservação da qualidade da fala e conforto acústico previstos em condições ideais. Foram realizados experimentos de simulação para ruídos sintéticos e ruídos do mundo real, considerando razões sinal e interferência (SIR) de entrada desde -10 dB até 30 dB. Para um conjunto particular de parâmetros de controle fixos, é observado que a qualidade média dos sinais processados aumentou 0,76 WPESQ em relação ao BMVDR convencional. O método proposto é especialmente efetivo para SIRs de entrada maiores que 10 dB, as quais constituem uma faixa crucial para usuários de aparelhos auditivos.

Abstract: Hearing is extremely important for human beings and their life in society. Hearing loss significantly impairs speech comprehension, especially in noisy environments, decreasing the quality of life. Currently, several technologies are available to compensate hearing loss, such as binaural hearing aids. Beamformers are very effective techniques for noise reduction in binaural hearing aids. They are composed by filters that perform a spatial selection of information, imposing a certain gain in the direction of the acoustic source of interest and an attenuation for interferences incoming from other directions. One of the most applied beamforming techniques in binaural hearing aids is the minimum variance distortionless response (MVDR), whose main limitation is its sensitivity to inaccuracies in the estimates required for the beamformer design, leading to a significant degradation on its performance in real situations. In this way, the present work proposes a robust beamformer for stereo noise reduction in hearing aid applications. The worst-case performance optimization method was applied into the binaural minimum variance distortionless response (BMVDR) beamformer, for providing robustness against parameter estimation inaccuracies. It is shown that its control parameters were designed as a function of the noisy-speech interaural level difference estimate, which is an important binaural cue. Theoretical support is presented, and simulation experiments performed, demonstrating the efficiency of the proposed method in preserving speech quality and acoustic comfort. Simulation experiments for synthetic and real-world noise, considering input signal to interference ratios (SIR) from -10 dB to 30 dB were performed. For a particular set of fixed control parameters, it is shown that the mean performance of the conventional BMVDR may be improved by 0.76 WPESQ. The proposed method is especially effective for input SIRs higher than 10 dB, which is a crucial range for hearing aid users.