Técnicas de dereverberação da fala e redução de ruído com preservação espacial para aparelhos auditivos biauriculares

Abstract

A fala é uma das principais formas de comunicação entre as pessoas. No entanto, a comunica-ção através da fala dificilmente acontece sob condições ideais. Frequentemente, o canal de comunicação existente entre locutor e ouvinte é corrompido por diversos tipos de ruído, outras pessoas falando ao mesmo tempo e, estando em um ambiente fechado, pela reverberação do local. A reverberação da fala é indesejada e prejudicial em diversas situações, como, por exemplo, em sistemas de comunicação de voz, em sistemas controlados por voz e aparelhos auditivos. Os aparelhos auditivos com tecnologia biauricular, cujos sinais provenientes dos dois aparelhos (um em cada orelha) são compartilhados, permitem a exploração de técnicas de processamento mais complexas, as quais são projetadas para compensar as perdas de audição e melhorar a inteligibilidade. Nesse contexto, o filtro de Wiener multicanal (MWF ? Multichan-nel Wiener Filter) e suas variações têm sido amplamente utilizados em aparelhos auditivos bi-auriculares devido à sua adequada capacidade de redução de ruído, dereverberação da fala e custo computacional. Porém, sua grande desvantagem é a distorção das pistas biauriculares do ruído residual, a qual pode alterar a percepção do cenário acústico. Com base nessas constata-ções, o presente trabalho propõe duas novas soluções baseadas no MWF para aparelhos auditi-vos biauriculares. A primeira trata de um novo método cujo objetivo é promover a preservação da impressão acústica original de um cenário reverberante composto por uma fonte de fala e uma fonte de ruído pontual através do controle da coerência interaural (IC ? Interaural Cohe-rence) do ruído. Esse método é denominado MWF-CB (CB ? Coherence-Based). Medidas objetivas e experimentos psicoacústicos indicam que a intensificação da coerência interaural original do ruído proporciona maior acurácia na percepção do ruído residual, bem como uma razão sinal-ruído mais elevada na saída em comparação ao resultado de métodos similares. A segunda proposta é um método que proporciona tanto a dereverberação da fala quanto a redu-ção de ruído, preservando as pistas biauriculares de ruídos provenientes tanto de campos sono-ros difusos quanto de uma fonte pontual. O método, chamado de MWF-IC(phi_v), é baseado no MWF-IC originalmente desenvolvido para redução de ruído e preservação de campos difusos. Medidas objetivas indicam que a preservação eficiente das características espaciais do ruído original pode ser obtida com uma perda controlada de desempenho em relação ao conforto acústico, inteligibilidade, qualidade e dereverberação, em comparação ao MWF convencional. Experimentos psicoacústicos mostraram que a técnica proposta não apenas apresenta melhor capacidade de preservação espacial de campo difuso em comparação com sua versão original, mas também é capaz de preservar a percepção espacial de uma fonte pontual de ruído. O mé-todo proposto supera sua versão anterior desenvolvida, uma vez que tem capacidade para re-duzir distorções de diferença de tempo interaural (ITD ? Interaural Time Difference) e de coe-rência interaural a valores muito pequenos. Simulações adicionais fornecem evidências de que ambos os métodos propostos (MWF-CB e MWF-IC(phi_v), cada qual aplicado ao seu devido contexto, apresentam melhores características de otimização em comparação a métodos simila-res, reduzindo o tempo de processamento necessário para calcular os filtros ótimos. Os resul-tados obtidos nesta tese estão alinhados aos achados previamente apresentados na literatura no que diz respeito à importância da IC na confiabilidade de pistas acústicas biauriculares.

Abstract: Speech is one of the most efficient forms of communication between human beings. However, communication rarely occurs under ideal conditions. Frequently, the communication channel between speaker and listener is corrupted by noise, interference caused by other conversations and, in closed environments, affected by room reverberation. The reverberation of a speech signal is unwanted and harmful in several situations, such as in voice communication systems, voice controlled systems and hearing aids. Hearing aids based on binaural technology, in which signals acquired by both devices (one in each ear) are shared, allow the exploration of more complex processing techniques, which are designed to compensate the hearing losses and to improve intelligibility. In this context, the multichannel Wiener filter (MWF) and its varia-tions have been widely applied to binaural hearing aids due to their suitable noise reduction capacity and computational cost. However, its major disadvantage is the distortion of the bin-aural cues of the residual noise, which may change the perception of the true acoustic scenario. Based on these statements, the present work proposes two new MWF-based solutions for bin-aural hearing aids. The first deals with a new method which aims to promote the preservation of the original acoustic impression of a reverberant scenario through the control of the output interaural coherence (IC) from a point noise source. This method is called MWF-CB (CB ? Coherence-Based). Objective measurements and psychoacoustic experiments indicate that the intensification of the original interaural coherence of the noise provides better accuracy in the perception of the residual noise, as well as a higher signal-to-noise ratio at the output com-pared to the results of similar methods. The second proposal is a method that provides joint speech reverberation and noise reduction, while preserving the binaural cues of the noise from diffuse sound fields or a point source. The method, called MWF-IC(phi_v), is based on the MWF-IC originally developed for noise reduction and preservation of diffuse fields. Objec-tive measures indicate that the efficient preservation of the spatial characteristics of the origi-nal noise can be obtained with a controlled loss of performance in relation to the acoustic comfort, intelligibility, quality and reverberation, in comparison to the conventional MWF. Psychoacoustic experiments have shown that the proposed technique not only presents a bet-ter performance for spatial preservation of diffuse field, as compared to its original version, but it is also capable of preserving acoustic scenarios composed by a point noise source. The proposed method overcomes its previous developed version, since it has the capacity to reduce distortions of the interaural time difference (ITD) and the IC to very small values, and acous-tic scenarios contaminated by diffuse noise or by a point noise source can be preserved as well. Additional simulations provide evidence that both proposed methods (MWF-CB and MWF-IC(phi_v), each applied to its proper context, have better optimization characteristics com-pared to similar methods, reducing the required processing time to calculate the optimal filters. The results obtained in this thesis are aligned with the findings previously presented in the literature with regard to the importance of the IC in the reliability of the binaural acoustic cues.