Binaural multichannel Wiener filter methods for noise reduction and preservation of binaural sound impression

Abstract

Aparelhos auditivos biauriculares são os aparelhos de compensação auditiva mais avançados para pessoas com perdas auditivas leve à moderada em ambas as orelhas. O dispositivo consiste em um par de aparelhos auditivos com um canal de comunicação usado para compartilhar sinais e parâmetros de controle. Devido a essa característica, esses dispositivos podem empregar técnicas de redução biauricular de ruído que, conjuntamente, reduzem a potência de sinais indesejados, o que melhora a qualidade e inteligibilidade da fala; e preservam informações associadas à percepção de fontes acústicas, o que permite a correta localização espacial dessas fontes sonoras. O filtro biauricular multicanal de Wiener (multichanel Wiener filter ? MWF) é uma das abordagens mais estudadas para redução biauricular de ruído. O projeto do MWF é feito a partir da minimização da função custo do erro quadrático médio e gera filtros que reduzem o ruído aditivo. Para se manter a correta percepção espacial da localização de fontes sonoras acústicas, termos que penalizam soluções que distorcem a percepção espacial das fontes sonoras são adicionados à função custo que caracteriza o MWF. Neste contexto, esta tese apresenta três contribuições para melhorar diferentes aspectos das técnicas baseadas no MWF. A primeira contribuição é um método para o ajuste automático de técnicas biauriculares baseadas no MWF que visa a manter o desempenho de redução de ruído desejado e preservar a percepção espacial de fontes sonoras em situações em que há variação de potência dos sinais captados pelos microfones dos aparelhos auditivos. Resultados obtidos a partir de simulações de cenários acústicos e de experimentos psicoacústicos realizados com seres humanos indicam que o método proposto manteve o compromisso desejado entre redução de ruído e percepção da posição espacial de fontes sonoras. As técnicas concorrentes, por exemplo, não conseguem manter o desempenho projetado em situações em que há variação de potência dos sinais captados, problema que não ocorre na técnica proposta. A segunda contribuição é uma solução de forma fechada para o MWF com preservação da diferença de nível interauricular (interaural level difference ? ILD). Simulações foram realizadas para comparar a proposta de solução de forma fechada com a técnica tradicionalmente utilizada do MWF com preservação de ILD, que utiliza métodos números de otimização. Os resultados mostram que a técnica proposta reduz consideravelmente o tempo de cálculo dos filtros ótimos de redução de ruído enquanto mantém o mesmo desempenho de redução de ruído e preservação das pistas de localização espacial comparado à técnica tradicionalmente utilizada. Por fim, a terceira contribuição é um conjunto de três técnicas que podem ser utilizadas tanto para preservação das informações biauriculares de fontes pontuais quanto para preservação dessas informações em fontes difusas. A primeira técnica é uma nova função custo utilizada em otimização sem restrição, a segunda técnica é baseada em otimização com restrições quadráticas, e a terceira técnica é baseada em otimização semi-definida. Os resultados obtidos mostram que a nova função de custo e a técnica baseada em otimização com restrições quadráticas preservam tanto a percepção de fontes sonoras pontuais quanto a de fontes sonoras difusas, característica que ultimamente nenhuma técnica baseada em MWF apresenta. A terceira técnica apresenta um tempo menor para o cálculo dos filtros de redução de ruído. Além disso, ela preserva as informações biauriculares de fontes pontuais, distorce a percepção de fontes difusas, e possui um desempenho de redução de ruído equivalente ao apresentado pelo MWF.

Abstract: Binaural hearing aids are the most advanced hearing compensation device for people with mild to moderate hearing loss in both ears. It consists of a pair of hearing aids with a communication channel that is used to share signals and control parameters. Due to this characteristic, these devices can use binaural noise reduction techniques that jointly increase the power of the emitted signals, which improves the quality and intelligibility of speech; and preserve information associated with the perception of acoustic sources, which allows the correct spatial location of these sound sources. The binaural multichannel Wiener filter (MWF) is one of the most studied approaches for binaural noise reduction. The MWF design is based on minimization of the mean squared error cost function and generates filters that reduce additive noise. To maintain the correct spatial perception of the location of acoustic sound sources, terms that penalize solutions that distort the spatial perception of sound sources are added to the cost function that characterize the MWF. In this context, this thesis presents three contributions to improve different aspects of techniques based on the MWF. The first contribution is a method for the automatic adjustment of techniques based on the MWF cost function, which aims to maintain the desired noise reduction performance and preserve the spatial perception of sound sources in situations where there is a variation in the power of the signals captured by the hearing aid microphones. The results obtained from simulations of acoustic scenarios and psychoacoustic experiments carried out with human beings indicate that the proposed method maintained the desired trade-off between noise reduction and perception of the spatial position of sound sources. Competing techniques, for example, cannot maintain the performance setup in situations where there is variation in the power of the input signals, a problem that does not occur in the proposed technique. The second contribution is a closed-form solution for the MWF with preservation of the interaural level difference (ILD). Simulations were performed to compare the proposed closed-form solution with the traditionally used MWF technique with preservation of ILD, which uses numerical optimization methods. The results show that the proposed technique considerably reduces the calculation time of the noise reduction filters while maintaining the same noise reduction performance and preservation of spatial location cues compared to the technique traditionally used. Finally, the third contribution is a set of three techniques that can be used to preserve binaural information from point sources and to preserve this information in diffuse sources. The first technique is a new cost function used in unconstrained optimization, the second technique is based on optimization with quadratic constraints, and the third technique is based on semidefinite optimization. The results obtained show that the new cost function and the technique based on optimization with quadratic constraints preserve both the perception of point sound sources and that of diffuse sound sources, a characteristic that is not presented by any state-of-the-art technique based on MWF. The third technique reduces the time required to calculate noise reduction filters. In addition, it preserves binaural information from point sources, distorts the perception of diffuse sources, and has a noise reduction performance equivalent to that presented by the MWF.