Lit Review Public

8/3/2019 Lit Review Public

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C L E A R P r o j e c t

S p e e c h C l e a n i n g L i t e r a t u r e R e v i e w

M i k e B r o o k e s , N i c k G a u b i t c h , M a r k H u c k v a l e , P a t r i c k N a y l o r

1 5 / 0 5 / 2 0 0 8

P U B L I C R E L E A S E


2/42

P U B L I C R E L E A S E S e c t i o n 0 . 0

E x e c u t i v e S u m m a r y

T h e a i m o f s p e e c h c l e a n i n g i s t o i m p r o v e t h e i n t e l l i g i b i l i t y a n d / o r t h e l i s t e n a b i l i t y o f p o o r q u a l i t y

s p e e c h s i g n a l s . T h e c a u s e s o f p o o r q u a l i t y m a y i n c l u d e a d d i t i v e a c o u s t i c b a c k g r o u n d n o i s e , c o n v o l u t i v e

c h a n n e l e e c t s a n d d i s t o r t i o n s i n t r o d u c e d i n t h e e l e c t r o n i c r e c o r d i n g c h a i n s u c h a s c l i p p i n g , e l e c t r i c a l

n o i s e a n d c o d e c d i s t o r t i o n s . T h i s r e p o r t p r o v i d e s a s u m m a r y o f t h e l i t e r a t u r e o n t h r e e a s p e c t s o f

s p e e h c l e a n i n g . F i r s t i t d i s c u s s e s t h e d e v e l o p m e n t a n d c u r r e n t s t a t e o f m e t h o d s u s e d t o e v a l u a t e

t h e q u a l i t y a n d i n t e l l i g i b i l i t y o f s p e e c h . S e c o n d , i t r e v i e w s t h e p r i n c i p a l a p p r o a c h e s t h a t h a v e b e e n

p r o p o s e d f o r c l e a n i n g o r e n h a n c i n g s p e e c h s i g n a l s a n d , t h i r d , i t r e v i e w s m e t h o d s f o r e s t i m a t i n g t h e

c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e b a c k g r o u n d n o i s e . T h e r e p o r t a l s o i n c l u d e s a b r i e f o v e r v i e w o f c o m m e r c i a l

s p e e c h c l e a n i n g s y s t e m s a n d o f s o u n d d a t a b a s e s t h a t m a y b e u s e f u l i n e v a l u a t i n g a n d d e v e l o p i n g

s p e e c h c l e a n i n g s y s t e m s .

V e r s i o n : $ I d : L i t R e v i e w P u b l i c . l y x , v 1 . 1 2 0 0 8 / 0 5 / 1 5 1 0 : 5 4 : 4 7 d m b E x p $

P U B L I C R E L E A S E P a g e 1


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C o n t e n t s

1 I n t r o d u c t i o n 5

2 E v a l u a t i o n M e t h o d s f o r S p e e c h E n h a n c e m e n t S y s t e m s 5

2 . 1 O b j e c t i v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 . 2 E v a l u a t i o n o f S p e e c h I n t e l l i g i b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 . 2 . 1 S u b j e c t i v e M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 . 2 . 2 O b j e c t i v e M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 . 3 E v a l u a t i o n o f S p e e c h Q u a l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 . 3 . 1 S u b j e c t i v e M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 . 3 . 2 O b j e c t i v e M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 . 4 I s s u e s s p e c i c t o t h e a s s e s s m e n t o f e n h a n c e m e n t s y s t e m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1

3 S p e e c h E n h a n c e m e n t 1 1

3 . 1 F r a m e B a s e d P r o c e s s i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

3 . 2 S p e c t r a l S u b t r a c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

3 . 3 M i n i m u m m e a n s q u a r e e s t i m a t o r s ( M M S E ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4

3 . 3 . 1 S u p e r G a u s s i a n E s t i m a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4

3 . 4 S u b s p a c e M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4

3 . 5 S i n g l e - c h a n n e l A d a p t i v e F i l t e r i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5

3 . 6 M o d e l B a s e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7

3 . 7 H a r m o n i c a n d I m p u l s i v e N o i s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8

3 . 8 M i s s i n g F e a t u r e E s t i m a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8

3 . 9 R e s t o r a t i o n o f c l i p p e d s i g n a l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9

3 . 1 0 B a n d w i d t h E x p a n s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

3 . 1 1 R e v e r b e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

3 . 1 1 . 1 S p e e c h m o d e l e n h a n c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

3 . 1 1 . 2 B l i n d s y s t e m i d e n t i c a t i o n a n d e q u a l i s a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1

4 N o i s e E s t i m a t i o n 2 2

4 . 1 N o i s e M o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

4 . 1 . 1 S t a t i o n a r y S p e c t r a l M o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

4 . 1 . 2 T w o - c o m p o n e n t m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

4 . 1 . 3 H i d d e n M a r k o v M o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

4 . 2 M i n i m u m S t a t i s t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

4 . 3 V o i c e A c t i v i t y D e t e c t o r s ( V A D s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

4 . 3 . 1 E n e r g y H i s t o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

4 . 3 . 2 M a g n i t u d e H i s t o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4

4 . 3 . 3 E n e r g y W a v e f o r m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4

4 . 3 . 4 P e r i o d i c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5

4 . 4 S o f t D e c i s i o n V A D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5

4 . 5 N o i s e E s t i m a t i o n u s i n g a S p e e c h M o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5

5 D a t a b a s e s 2 6

5 . 1 S p e e c h E n h a n c e m e n t D a t a b a s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6

5 . 1 . 1 N O I S E X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6

5 . 1 . 2 T I M I T , N T I M I T a n d C T I M I T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7

5 . 1 . 3 A u r o r a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7

5 . 1 . 4 I T U - T C o d e d S p e e c h D a t a b a s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7

5 . 1 . 5 N o i z e u s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7

5 . 1 . 6 S p E A R D a t a b a s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7

5 . 1 . 7 R S P L N o i s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7

5 . 2 A c o u s t i c I m p u l s e R e s p o n s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7



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L i s t o f A b b r e v i a t i o n s

A I A r t i c u l a t i o n i n d e x

A L C o n s A r t i c u l a t i o n L o s s o f C o n s o n a n t s

A M D F A v e r a g e M a g n i t u d e D i e r e n c e F u n c t i o n . A f u n c t i o n w i t h s i m i l a r p r o p e r t i e s t o t h e c r o s s - o r

a u t o - c o r r e l a t i o n b u t t h a t r e q u i r e s n o m u l t i p l i c a t i o n s t o e v a l u a t e .

A R A u t o r e g r e s s i v e

C A S A C o m p u t a t i o n a l A u d i t o r y S c e n e A n a l y s i s

C C I C a l l C l a r i t y I n d e x

C C R C o m p a r i s o n C a t e g o r y R a t i n g

C O D E C C o d e r - D e c o d e r

C V C C o n s o n a n t - V o w e l - C o n s o n a n t

D A M D i a g n o s t i c A c c e p t a b i l i i t y M e a s u r e

D C R D e g r e d a t i o n C a t e g o r y R a t i n g

D F T D i s c r e t e F o u r i e r T r a n s f o r m

D R T D i a g n o s t i c R h y m e T e s t

E M E s t i m a t i o n - M a x i m i z a t i o n . A n i t e r a t i v e t e c h n i q u e t o s o l v e c e r t a i n o p t i m i z a t i o n p r o b l e m s .

E T S I E u r o p e a n T e l e c o m m u n i c a t i o n s S t a n d a r d s I n s t i t u t e

f u n c t i o n

G M M G a u s s i a n M i x t u r e M o d e l . A n a p p r o x i m a t i o n t o a n a r b i t r a r y p r o b a b i l i t y d e n s i t y f u n c t i o n t h a t

c o n s i s t s o f t h e w e i g h t e d s u m o f s e v e r a l G a u s s i a n d i s t r i b u t i o n s .

G S M G l o b a l S y s t e m F o r M o b i l e C o m m u n i c a t i o n s

H I N T H e a r i n g - i n - N o i s e T e s t

H M M H i d d e n M a r k o v M o d e l

I R S I n v e r s e r e p e a t e d S e q u e n c e . A p s e u d o r a n d o m s e q u e n c e u s e d f o r i m p u l s e r e s p o n s e m e a s u r e m e n t .

I T U I n t e r n a t i o n a l T e l e c o m m u n i c a t i o n U n i o n

K L T K a r h u n e n L e v e T r a n s f o r m

L F T h e L i l j e n c r a n t s - F a n t m o d e l o f t h e g l o a t t a l o w w a v e f o r m .

L L R L o g - L i k e l i h o d d R a t i o

L M S L e a s t M e a n S q u a r e a d a p t i v e l t e r

L P C L i n e a r P r e d i c t i v e C o d i n g . A n a u t o r e g r e s s i v e m o d e l o f s p e e c h p r o d u c t i o n .

L S P L i n e S p e c t r u m P a i r s

M A R S M u l t i v a r i a t e A d a p t i v e R e g r e s s i o n S p l i n e s

M e l - s c a l e A n o n - u n i f o r m f r e q u e n c y s c a l e t h a t c o r r e s p o n d s t o p r e c e i v e d f r e q u e n c y . I t i s a p p r o x i m a t e l y

l i n e a r a t l o w f r e q u e n c i e s a n d l o g a r i t h m i c a t h i g h f r e q u e n c i e s .

M F C C M e l - f r e q u e n c y C e p s t r a l C o e c i e n t s . A t r a n s f o r m a t i o n o f a s i g n a l s p e c t r u m t h a t i s o b t a i n e d b y

t a k i n g t h e D C T o f t h e l o g o f t h e s p e c t r u m e x p r e s s e d o n t h e m e l s c a l e .

M L M a x i m u m L i k e l i h o o d



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M L S M a x i m u m L e n g t h S e q u e n c e o f p s e u d o r a n d o m b i t s .

M M S E M i n i m u m M e a n S q u a r e d E r r o r

M O S M e a n O p i n i o n S c o r e

M R T M o d i e d R h y m e T e s t

M T F M o d u l a t i o n T r a n s f e r F u n c t i o n

N I S T N a t i o n a l I n s t i t u t e O f S t a n d a r d s A n d T e c h n o l o g y

N L M S N o r m a l i z e d L e a s t M e a n S q u a r e a d a p t i v e l t e r

P E S Q P e r c e p t u a l E v a l u a t i o n O f S p e e c h Q u a l i t y

R I R R o o m I m p u l s e R e s p o n s e

R L S R e c u r s i v e L e a s t S q u a r e s a d a p t i v e l t e r

S I I S p e e c h I n t e l l i g i b i l i t y I n d e x

S N R S i g n a l - T o - N o i s e R a t i o

S P I N S p e e c h P e r c e p t i o n I n N o i s e

S P Q A S p e e c h Q u a l i t y A s s u r a n c e P a c k a g e

S R R S i g n a l - t o - R e v e r b e r a n t r a t i o

S R T S p e e c h R e c e p t i o n T h r e s h o l d

S T F T S h o r t T i m e F o u r i e r T r a n s f o r m

S T I S p e e c h T r a n s m i s s i o n I n d e x

S T M I S p e c t r o - T e m p o r a l M o d u l a t i o n I n d e x

S T S A S h o r t T i m e S p e c t r a l A n a l y s i s

V A D V o i c e A c t i v i t y D e t e c t i o n

V C V V o w e l - C o n s o n a n t - V o w e l



6/42


1 I n t r o d u c t i o n

T h e t e r m s s p e e c h e n h a n c e m e n t a n d s p e e c h c l e a n i n g p r o p e l y r e f e r r e s p e c t i v e l y t o t h e i m p r o v e m e n t

o f t h e q u a l i t y o r i n t e l l i g i b i l i t y o f s p e e c h a n d t h e r e v e r s a l o f d e g r a d a t i o n s t h a t h a v e c o r r u p t e d i t ; i n

p r a c t i c e h o w e v e r , m o s t a u t h o r s u s e t h e t w o t e r m s i n t e r c h a n a b l y . T h i s r e p o r t i s c o n c e r n e d w i t h c l e a n i n g

m e t h o d s t h a t u s e o n l y a s i n g l e m i c r o p h o n e s i g n a l ; o t h e r , o f t e n m o r e e e c t i v e , t e c h n i q u e s a r e p o s s i b l e i f

m u l t i p l e m i c r o p h o n e s i g n a l s a r e a v a i l a b l e . T h e p r i n c i p a l d e g r e d a t i o n s t h a t w e a r e c o n c e r n e d w i t h a r e ( a )

a d d i t i v e a c o u s t i c n o i s e , ( b ) a c o u s t i c r e v e r b e r a t i o n , ( c ) c o n v o l u t i v e c h a n n e l e e c t s r e s u l t i n g i n a n u n e v e n

o r b a n d l i m i t e d r e s p o n s e , ( d ) n o n - l i n e a r d i s t o r t i o n s u c h a s a r i s e s f r o m c l i p p i n g , ( e ) a d d i t i v e b r o a d b a n d

e l e c t r o n i c n o i s e ( f ) e l e c t r i c a l i n t e r f e r e n c e ( g ) c o d e c d i s t o r t i o n , ( h ) d i s t o r t i o n i n t r o d u c e d b y r e c o r d i n g

a p p a r a t u s .

T h e a i m s o f s p e e c h c l e a n i n g v a r y a c c o r d i n g t o t h e a p p l i c a t i o n a n d m a y i n c l u d e :

1 . I m p r o v e m e n t s i n t h e i n t e l l i g i b i l i t y o f s p e e c h t o h u m a n l i s t e n e r s .

2 . I m p r o v e m e n t i n t h e q u a l i t y o f s p e e c h t h a t m a k e i t m o r e a c c e p t a b l e t o h u m a n l i s t e n e r s .

3 . M o d i c a t i o n s t o t h e s p e e c h t h a t l e a d t o i m p r o v e d p e r f o r m a n c e o f a u t o m a t i c s p e e c h o r s p e a k e r

r e c o g n i t i o n s y s t e m s .

4 . M o d i c a t i o n s t o t h e s p e e c h s o t h a t i t m a y b e e n c o d e d m o r e e e c t i v e l y f o r s t o r a g e o r t r a n s m i s s i o n .

A l t h o u g h w e a r e , i n t h i s p r o j e c t , p r i m a r l y c o n c e r n e d w i t h t h e r s t t w o o f t h e s e a i m s , m o s t o f t h e

l i t e r a t u r e o n t h e s u b j e c t h a s c o n c e n t r a t e d o n t h e l a s t t h r e e . T h e d i s t i n c t i o n i s i m p o r t a n t b e c a u s e i t

h a s b e e n f o u n d t h a t s o m e a p p r o a c h e s t h a t a r e e e c t i v e i n i m p r o v i n g t h e a p p a r e n t q u a l i t y m a y a c t u a l l y

d a m a g e i n t e l l i g i b i l i t y . D e s p i t e i t s a p p a r e n t s i m i l a r i t y t o t h a t o f i m p r o v i n g i n t e l l i g i b i l i t y , i m p r o v i n g t h e

p e r f o r m a n c e o f s p e e c h r e c o g n i t i o n s y s t e m s i s s i g n i c a n t l y d i e r e n t b e c a u s e s u c h s y s t e m s i g n o r e m a n y o f

t h e c u e s u s e d b y h u m a n s a n d , i n p a r t i c u l a r , n o r m a l l y u s e a c o a r s e s p e c t r a l r e p r e s e n t a t i o n o f t h e s i g n a l

f r o m w h i c h m o s t v o i c i n g i n f o r m a t i o n h a s b e e n r e m o v e d .

T h i s r e p o r t i s a l i t e r a t u r e r e v i e w c o v e r i n g t h r e e m a i n a r e a s : e v a l u a t i o n m e t h o d s , s p e e c h e n h a n c e m e n t

a n d n o i s e e s t i m a t i o n . S e c t i o n 2 r e v i e w s m e t h o d s t h a t h a v e b e e n d e v e l o p e d f o r e v a l u a t i n g s p e e c h i n t e l l i g i -

b i l i t y a n d s p e e c h q u a l i t y . F o r b o t h o f t h e s e t a s k s , i t d i s c u s s e s b o t h s u b j e c t i v e m e t h o d s t h a t r e q u i r e t h e

j u d g e m e n t o f h u m a n l i s t e n e r s a n d o b j e c t i v e m e t h o d s t h a t a t t e m p t t o p r e d i c t t h e s e j u d g e m e n t s u s i n g

s i g n a l a n a l y s i s . S e c t i o n 3 g i v e s a n o v e r v i e w o f t e c h n i q u e s t h a t h a v e b e e n d e v e l o p e d f o r s i n g l e - m i c r o p h o n e

s p e e c h e n h a n c e m e n t . A n i m p o r t a n t s t e p i n s e v e r a l m e t h o d s o f s p e e c h e n h a n c e m e n t i s t h e e s t i m a t i o n o f

t h e n o i s e c h a r a c t e r i s t i c s a n d , i n p a r t i c u l a r , i t s m e a n p o w e r s p e c t r u m . S e c t i o n 4 d i s c u s s e s t h e w a y s t h a t

h a v e b e e n u s e d t o e t i m a t e t h e n o i s e c h a r a c t e r i s t i c s f r o m t h e n o i s y s p e e c h s i g n a l . F i n a l l y , s e c t i o n s ? ? a n d

5 g i v e a b r i e f o v e r v i e w o f s o m e o f t h e C o m m e r c i a l S p e e c h E n h a n c e m e n t S y s t e m s a n d D a t a b a s e s t h a t a r e

a v a i l a b l e .

2 E v a l u a t i o n M e t h o d s f o r S p e e c h E n h a n c e m e n t S y s t e m s

2 . 1 O b j e c t i v e s

T h e e v a l u a t i o n o f c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l s f o r s p e e c h h a s a l o n g h i s t o r y , g o i n g b a c k a t l e a s t a s f a r a s

F l e t c h e r & S t e i n b e r g ' s w o r k o n a r t i c u l a t i o n t e s t i n g [ F l e t c h e r a n d S t e i n b e r g , 1 9 2 9 ] . T h e a i m o f t h i s s e c t i o n ,

w h i c h d r a w s o n t h e e x c e l l e n t r e v i e w i n C h a p t e r s 1 0 a n d 1 1 o f L o i z o u [ 2 0 0 7 ] , i s t o l o o k a t w h a t e l e m e n t s

o f t h a t h i s t o r y h a v e a p p l i c a b i l i t y t o d a y f o r t h e e v a l u a t i o n o f s p e e c h e n h a n c e m e n t s y s t e m s .

M e t h o d s f o r e v a l u a t i o n c a n b e d i v i d e d i n t o t h o s e t h a t l o o k a t t h e e e c t o f t h e p r o c e s s i n g s y s t e m o n

S p e e c h I n t e l l i g i b i l i t y , a n d t h o s e t h a t l o o k a t i t s e e c t o n t h e a c c e p t a b i l i t y o f t h e s p e e c h s i g n a l , k n o w n

a s S p e e c h Q u a l i t y . M e t h o d s c a n a l s o b e d e s c r i b e d u n d e r t h e h e a d i n g o f S u b j e c t i v e w h e n t h e y r e q u i r e

t h e j u d g e m e n t s o f h u m a n l i s t e n e r s , a g a i n s t O b j e c t i v e w h e n t h o s e j u d g e m e n t s a r e p r e d i c t e d f r o m s o m e

a n a l y s i s o f t h e s i g n a l . S u b j e c t i v e m e t h o d s c a n b e d i v i d e d f u r t h e r i n t o A b s o l u t e s c o r i n g m e t h o d s w h e r e

a s i n g l e s t i m u l u s i s r a t e d , a g a i n s t P r e f e r e n c e m e t h o d s w h e r e m u l t i p l e s i g n a l s a r e c o m p a r e d . O b j e c t i v e

m e t h o d s c a n f u r t h e r b e s u b - d i v i d e d i n t o I n t r u s i v e m e t h o d s w h i c h r e q u i r e a c c e s s t o b o t h o r i g i n a l a n d

p r o c e s s e d s i g n a l s , a n d N o n - i n t r u s i v e m e t h o d s w h i c h o n l y r e q u i r e a c c e s s t o t h e p r o c e s s e d f o r m .

2 . 2 E v a l u a t i o n o f S p e e c h I n t e l l i g i b i l i t y

W h e n a s s e s s i n g t h e i n t e l l i g i b i l i t y o f a s p e e c h s i g n a l , w e n e e d t o c h o o s e a n a p p r o p r i a t e l i n g u i s t i c l e v e l a t

w h i c h t o m a k e m e a s u r e m e n t s . D o w e w a n t t o m e a s u r e t h e a c c u r a c y w i t h w h i c h e a c h p h o n e t i c e l e m e n t



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i s c o m m u n i c a t e d ? O r w h e t h e r e a c h w o r d i s i d e n t i a b l e ? O r w h e t h e r t h e m e a n i n g o f a s e n t e n c e c a n b e

u n d e r s t o o d ? T h e p r o b l e m i s o n e o f i n c r e a s i n g r e d u n d a n c y : n o t a l l p h o n e t i c s e q u e n c e s m a k e u p w o r d s i n

t h e l a n g u a g e , n o t a l l w o r d s e q u e n c e s m a k e u p m e a n i n g f u l s e n t e n c e s . Y o u d o n ' t n e e d t o c o r r e c t l y i d e n t i f y

a l l s e g m e n t s t o i d e n t i f y a w o r d , a n d y o u d o n ' t n e e d t o i d e n t i f y a l l w o r d s t o u n d e r s t a n d a s e n t e n c e . T h i s

l i n g u i s t i c r e d u n d a n c y i n t r o d u c e s a n o t h e r p r o b l e m i n t h a t i n d i v i d u a l h u m a n l i s t e n e r s w i l l v a r y i n t h e i r

a b i l i t y t o m a k e u s e o f t h e s e l i n g u i s t i c c o n s t r a i n t s . W h i l e w e m a y w a n t t o a s s e s s t h e u t i l i t y o f a c h a n n e l

t o c o n v e y t h e m e a n i n g s o f r e a l s p o k e n u t t e r a n c e s , l i s t e n e r s w i l l v a r y w i d e l y i n t h e i r a b i l i t y t o u n d e r s t a n d

t h e s p e e c h d e p e n d i n g o n t h e i r o w n l i n g u i s t i c c o m p e t e n c e .

T h u s m o s t s p e e c h i n t e l l i g i b i l i t y t e s t s a r e e i t h e r o f p h o n e t i c u n i t s m a d e u p i n t o n o n s e n s e s y l l a b l e s , o r

o f w o r d s i n i s o l a t i o n o r i n s h o r t s e n t e n c e s .

2 . 2 . 1 S u b j e c t i v e M e t h o d s

2 . 2 . 1 . 1 P h o n e t i c t e s t s T h e o r i g i n a l a r t i c u l a t i o n t e s t m a t e r i a l i n F l e t c h e r a n d S t e i n b e r g [ 1 9 2 9 ] c o n -

s i s t e d o f a l i s t o f 6 6 C V C n o n s e n s e s y l l a b l e s . S i n c e t h e l i s t w a s b a l a n c e d f o r e a c h c o n s o n a n t a n d v o w e l

p h o n e m e , t h e n u m b e r o f s y l l a b l e s h e a r d c o r r e c t l y g a v e a n i n d i c a t i o n o f p h o n e m e i n t e l l i g i b i l i t y .

M i l l e r a n d N i c e l y [ 1 9 5 5 ] u s e d a s i m i l a r a p p r o a c h , b u t r e d u c e d t h e c o n s o n a n t s t o a s i z e 1 6 s u b s e t :

/p, t, k, b, d, g, f, T, s, S, v, D, z, Z, m, n/i n a V C V f r a m e . T h i s s u b s e t w a s d e s i g n e d s o t h a t i n t e l l i g i b i l i t y

c o u l d b e b r o k e n d o w n i n t o v e a r t i c u l a t o r y d i m e n s i o n s : v o i c i n g , n a s a l i t y , f r i c a t i o n , s i b i l a n c e a n d p l a c e .

S i n c e t h e n V C V m a t e r i a l s h a v e b e e n w i d e l y u s e d w i t h i n s p e e c h p e r c e p t i o n r e s e a r c h , b e c a u s e i n t e l l i g i b i l i t y

r e s u l t s c a n b e a n a l y s e d i n t e r m s o f t h e e e c t i v e n e s s o f t h e p r i m i t i v e a c o u s t i c p a t t e r n s n e c e s s a r y f o r

c o n s o n a n t d i s c r i m i n a t i o n . H o w e v e r , f o r o v e r a l l a s s e s s m e n t o f i n t e l l i g i b i l i t y , m o s t e o r t h a s g o n e i n t o

w o r d - l e v e l t e s t s .

2 . 2 . 1 . 2 W o r d i n t e l l i g i b i l i t y O n e p r o b l e m w i t h t h e u s e o f n o n s e n s e s y l l a b l e s i s t h a t l i s t e n e r s r e q u i r e

t r a i n i n g t o b e a b l e t o i d e n t i f y c o m p o n e n t p h o n e t i c u n i t s , a n d m a y b e c o n f u s e d b y p h o n e m e s w h i c h d o n ' t

r e a d i l y a c c o r d w i t h s p e l l i n g . L i m i t i n g l i s t e n e r r e s p o n s e s t o r e a l w o r d s a l l o w s t h e m t o r e s p o n d i n o r d i n a r y

s p e l l i n g , b u t i n t r o d u c e s o t h e r d i c u l t i e s : r s t l y t h a t d i e r e n t l i s t e n e r s m a y h a v e d i e r e n t d e g r e e s o f

f a m i l i a r i t y w i t h t h e w o r d s b e i n g u s e d a n d t h e i r p o t e n t i a l l y c o n f u s i n g c o m p e t i t o r s ; s e c o n d l y t h a t w o r d s

a r e m e m o r a b l e , a n d t h a t , h a v i n g h e a r d a w o r d o n c e , l i s t e n e r s m a y b e b i a s e d i n t h e i r u s a g e o f t h e w o r d

a n o t h e r t i m e . O n e s o l u t i o n t o t h e s e p r o b l e m s i n c l u d e c r e a t i n g m u l t i p l e l i s t s o f b a l a n c e d d i c u l t y , s o

t h a t a l i s t e n e r c a n b e u s e d m o r e t h a n o n c e . A n o t h e r i s t o c r e a t e t e s t s w i t h c l o s e d r e s p o n s e s e t s , s o e v e r y

l i s t e n e r n e e d s t o m a k e t h e s a m e c h o i c e s a b o u t t h e w o r d u n d e r t e s t .

O n e o f t h e e a r l i e s t w o r d l i s t s c r e a t e d f o r i n t e l l i g i b i l i t y t e s t i n g w a s t h a t o f E g a n [ 1 9 4 8 ] , w h o c o n s t r u c t e d

2 0 l i s t s o f 5 0 m o n o s y l l a b i c w o r d s . H i s a i m w a s t o b a l a n c e a v e r a g e d i c u l t y a n d r a n g e o f d i c u l t y o v e r

t h e l i s t s , w h i l e e n s u r i n g t h a t t h e p h o n e t i c u n i t s p r e s e n t w e r e e q u a l l y r e p r e s e n t e d . E g a n i n t r o d u c e d t h e

i d e a o f p h o n e t i c b a l a n c e b y w h i c h h e m e a n t t h a t t h e r e l a t i v e f r e q u e n c y o f p h o n e m e s i n t h e w o r d l i s t s

m a t c h e d t h e r e l a t i v e f r e q u e n c y o f p h o n e m e s i n c o n v e r s a t i o n a l s p e e c h . L e h i s t e a n d P e t e r s o n [ 1 9 5 9 ] b u i l t a

s i m i l a r s e t o f l i s t s o f m o n o s y l l a b i c w o r d s , b u t w h i c h w e r e b a l a n c e d f o r t h e r e l a t i v e f r e q u e n c y o f p h o n e m e s

i n m o n o s y l l a b i c w o r d s . T i l l m a n e t a l . [ 1 9 6 6 ] b u i l t o n t h i s i d e a t o c o n s t r u c t t h e N o r t h w e s t e r n U n i v e r s i t y

A u d i t o r y t e s t 4 w h i c h w a s u s e d f o r a u d i o m e t r y . S i m i l a r w o r d l i s t s w e r e c o n s t r u c t e d i n B r i t i s h E n g l i s h b y

F r y a n d K e r r i d g e [ 1 9 3 9 ] , D i c k s o n a n d C h a d w i c k [ 1 9 5 0 ] a n d F r y [ 1 9 6 1 ] .

F a i r b a n k s [ 1 9 5 8 ] m o d i e d E g a n ' s i d e a s o t h a t i n s t e a d o f i d e n t i f y i n g t h e w h o l e w o r d , l i s t e n e r s m e r e l y

h a d t o i d e n t i f y t h e l e a d i n g c o n s o n a n t ( t h e r e s t o f t h e w o r d w a s w r i t t e n d o w n o n t h e r e s p o n s e s h e e t ) ,

l e a d i n g t o t h e c o n c e p t o f a r h y m e t e s t . H o u s e e t a l . [ 1 9 6 5 ] m o d i e d F a i r b a n k s ' i d e a b y i n t r o d u c i n g

a c l o s e d r e s p o n s e s e t , w h e r e l i s t e n e r s o n l y h a d t o c h o o s e a m o n g s t s i x a l t e r n a t i v e s : t h i s w a s c a l l e d t h e

M o d i e d R h y m e T e s t ( M R T ) . K r e u l e t a l . [ 1 9 6 8 ] a t t e m p t e d t o m o d i f y t h e M R T t o m a k e i t a c l i n i c a l l y -

u s e f u l t o o l , w h i l e a p h o n e t i c a l l y - b a l a n c e d v e r s i o n o f t h e M R T w a s d e v e l o p e d b y C l a r k e [ 1 9 6 5 ] . T h e M R T

p r o c e d u r e h a s a l s o b e e n u s e d f o r i n t e l l i g i b i l i t y t e s t i n g i n B r i t i s h E n g l i s h [ H a g g a r d a n d M a t t i n g l y , 1 9 6 8 ] .

I n t h e D i a g n o s t i c R h y m e T e s t ( D R T ) , V o i e r s [ 1 9 8 3 ] e x t e n d e d t h e M R T b y r e q u i r i n g t h a t l i s t e n e r s

c h o o s e b e t w e e n a p a i r o f w o r d s d i e r i n g i n o n l y o n e p h o n e t i c f e a t u r e . V o i e r s c h o s e f e a t u r e s t h a t h a d

a p p e a r e d i n t h e a n a l y s i s b y M i l l e r a n d N i c e l y [ 1 9 5 5 ] o f c o n s o n a n t c o n f u s i o n s . T h i s a l l o w e d l i s t e n e r

j u d g e m e n t s t o b e a n a l y s e d i n t e r m s o f t h e i r p e r f o r m a n c e o n t h e d i e r e n t f e a t u r e d i m e n s i o n s a s w e l l a s o n

t h e i r o v e r a l l s c o r e . E x t e n s i v e t e s t i n g o f t h e D R T h a s s h o w n t h a t i t h a s h i g h r e l i a b i l i t y , w i t h r e p e a t a b i l i t y

b e i n g w i t h i n 1 % f o r a g r o u p o f 1 0 l i s t e n e r s [ V o i e r s , 1 9 8 3 ] .

2 . 2 . 1 . 3 S e n t e n c e i n t e l l i g i b i l i t y W o r d s i n i s o l a t i o n a r e n o t t y p i c a l o f t h e w a y i n w h i c h s p e e c h i s

u s e d f o r c o m m u n i c a t i o n . I n e v e r y d a y l i s t e n i n g t o s p e e c h , k n o w l e d g e o f t h e t o p i c , s e m a n t i c , g r a m m a t i c a l



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a n d p r o s o d i c c o n s t r a i n t s p r o v i d e a d d i t i o n a l i n f o r m a t i o n w h i c h a l l o w u s t o r e c o g n i s e w o r d s . H o w e v e r t h e

u s e o f s e n t e n c e s i n i n t e l l i g i b i l i t y t e s t i n g o n l y a m p l i e s t h e p r o b l e m s d i s c u s s e d e a r l i e r i n r e l a t i o n t o t h e u s e

o f w o r d s : l i s t e n e r s w i l l v a r y e v e n m o r e i n t h e i r a b i l i t y t o e x t r a c t h i g h e r l e v e l i n f o r m a t i o n f r o m s e n t e n c e s

t o a i d r e c o g n i t i o n , a n d s e n t e n c e s a r e e v e n m o r e m e m o r a b l e . I t i s a l s o m u c h h a r d e r t o c r e a t e b a l a n c e d

l i s t s o f s e n t e n c e s , s i n c e t h e a m o u n t o f b e n e t t o b e g a i n e d f r o m s e n t e n c e c o n t e x t i s h a r d t o q u a n t i f y .

K a l i k o w e t a l . [ 1 9 7 7 ] d e v e l o p e d t h e S p e e c h P e r c e p t i o n i n N o i s e ( S P I N ) t e s t t o t r y a n d a s s e s s t h e e x t e n t

t o w h i c h l i s t e n e r s w e r e a b l e t o e x t r a c t c o n t e x t u a l i n f o r m a t i o n f r o m s e n t e n c e s t o a i d w o r d r e c o g n i t i o n .

T h e S P I N t e s t c o m p r i s e s 8 l i s t s o f 5 0 s e n t e n c e s , w i t h o n e k e y - w o r d p e r s e n t e n c e . T h e r e a r e 2 5 k e y w o r d s

i n e a c h l i s t , o c c u r r i n g o n c e i n a h i g h p r e d i c t a b l e c o n t e x t ( e . g . T h e b o a t s a i l e d a c r o s s t h e b a y ) , a n d

o n c e i n a l o w p r e d i c t a b l e c o n t e x t ( e . g . J o h n w a s t a l k i n g a b o u t t h e b a y ) . T h e r e l a t i v e s c o r e s o n t h e t w o

t y p e s o f s e n t e n c e p r o v i d e a m e a s u r e o f t h e l i s t e n e r ' s a b i l i t y t o u s e c o n t e x t . A n u m b e r o f s t u d i e s [ B i l g e r

e t a l . , 1 9 8 4 , M o r g a n e t a l . , 1 9 8 1 ] h a v e s u g g e s t e d i m p r o v e m e n t s i n t h e d e s i g n o f t h e S P I N t e s t .

T h e H e a r i n g i n N o i s e t e s t ( H I N T ) i s a r e v i s e d v e r s i o n o f t h e S P I N t e s t d e v e l o p e d b y N i l s s o n e t a l .

[ 1 9 9 4 ] . T h e H I N T t e s t c o m p r i s e s 2 5 b a l a n c e d l i s t s w i t h 1 0 s e n t e n c e s p e r l i s t . A l l w o r d s i n t h e l i s t a r e

s c o r e d , b u t a l t e r n a t i v e s a r e a l l o w e d f o r g r a m m a t i c a l w o r d s ( e . g . a , t h e , i s , w a s , . . . ) . A s t a n d a r d r e c o r d i n g

o f t h e l i s t s b y a p r o f e s s i o n a l m a l e a c t o r h a s b e e n m a d e a v a i l a b l e a n d t h e H I N T t e s t r e m a i n s p o p u l a r f o r

t h e a s s e s s m e n t o f h e a r i n g i m p a i r m e n t .

T w o t e s t i n g m e t h o d o l o g i e s a r e i n c o m m o n u s e f o r t h e m e a s u r e m e n t o f i n t e l l i g i b i l i t y w i t h s p e e c h

m a t e r i a l s s u c h a s H I N T . I n t h e r s t m e t h o d , t h e s p e e c h s i g n a l s a r e r s t p r o c e s s e d i n t o a n u m b e r o f x e d

l e v e l s o f p r e s e n t a t i o n : w h e r e t h e l e v e l i s e i t h e r t h e s p e e c h a m p l i t u d e o r t h e s i g n a l t o n o i s e r a t i o . T h e n

s p e e c h m a t e r i a l s f r o m a l l l e v e l s a r e p r e s e n t e d t o t h e l i s t e n e r s i n r a n d o m o r d e r , a n d t h e i n t e l l i g i b i l i t y

a t e a c h l e v e l i s r e c o r d e d a n d p l o t t e d a s a f u n c t i o n o f t h e p r e s e n t a t i o n l e v e l . T h i s g r a p h u s u a l l y t a k e s

t h e s h a p e o f a n S - s h a p e d p s y c h o m e t r i c f u n c t i o n a s i n t e l l i g i b i l i t y c h a n g e s f r o m 0 t o 1 0 0 % a c r o s s a r a n g e

o f l e v e l s . F r o m t h i s g r a p h w e c a n e s t i m a t e t h e p r e s e n t a t i o n l e v e l w h i c h a c h i e v e s a r e q u i r e d l e v e l o f

i n t e l l i g i b i l i t y . T h e l e v e l a t w h i c h 5 0 % i n t e l l i g i b i l i t y i s o b t a i n e d i s c a l l e d t h e S p e e c h R e c e p t i o n T h r e s h o l d

( S R T ) [ P l o m p a n d M i m p e n , 1 9 7 9 ] .

T h i s x e d p r e s e n t a t i o n m e t h o d h a s a n u m b e r o f d i s a d v a n t a g e s : r s t l y , t h e s a m e a m o u n t o f s p e e c h i s

p r e s e n t e d a t e v e r y l e v e l - e v e n t h o u g h w e m a y b e o n l y i n t e r e s t e d i n o n e p o i n t o n t h e p s y c h o m e t r i c c u r v e

t h i s m a k e s t h e t e s t r a t h e r l o n g ; s e c o n d l y , t o e n s u r e t h a t t h e l e v e l s b r a c k e t 5 0 % i n t e l l i g i b i l i t y s a y , w e

m a y n e e d t o u s e a w i d e r a n g e o f l e v e l s , m a n y o f w h i c h w i l l h a v e 0 % o r 1 0 0 % i n t e l l i g i b i l i t y f o r a p a r t i c u l a r

l i s t e n e r ; t h i r d l y , w e n e e d t o e n s u r e t h a t t h e s p e e c h m a t e r i a l p r e s e n t e d a t e a c h l e v e l i s e q u a l l y d i c u l t .

A n a l t e r n a t i v e t o t h i s m e t h o d i s t o u s e a n a d a p t i v e p r o c e d u r e w h e r e p r e s e n t a t i o n l e v e l s c h a n g e

d y n a m i c a l l y w i t h i n t h e t e s t t o d e t e r m i n e t h e l e v e l w h i c h d e l i v e r s a n i n t e l l i g i b i l i t y s c o r e o f r e q u i r e d s i z e .

I n a t y p i c a l p r o c e d u r e , t h e s p e e c h m a t e r i a l i s r s t p l a y e d a t a g o o d l e v e l / S N R s u c h t h a t l i s t e n e r s c a n

r e a d i l y i d e n t i f y t h e w o r d s . T h e n t h e l e v e l i s a d j u s t e d s u c h t h a t t h e p r e s e n t a t i o n l e v e l / S N R f a l l s b y ( s a y )

2 d B w h e n t h e l i s t e n e r g e t s t h e w o r d s c o r r e c t , a n d r i s e s b y 2 d B w h e n t h e w o r d s a r e i n c o r r e c t . T y p i c a l l y

t h e a v e r a g e o f t h e l e v e l s a t w h i c h t h e l a s t e i g h t r e v e r s a l s i n d i r e c t i o n w e r e m a d e i s t a k e n t o b e t h e o v e r a l l

S R T s c o r e . S t u d i e s i n t o t h e e e c t i v e n e s s o f t h i s p r o c e d u r e h a s s h o w n t h a t i t s e e m s t o w o r k w e l l [ L e v i t t ,

1 9 7 1 , D i r k s e t a l . , 1 9 8 2 ] .

A d i s a d v a n t a g e o f a n a d a p t i v e p r o c e d u r e i s t h a t i t r e l i e s o n a s s u m p t i o n s a b o u t t h e s h a p e o f t h e

p s y c h o m e t r i c f u n c t i o n . A c u r v e t h a t i s n o t v e r y s t e e p a t 5 0 % i n t e l l i g i b i l i t y w i l l p r o d u c e m o r e v a r i a b l e

r e s u l t s , a n d a c u r v e t h a t i s n o t m o n o t o n i c m a y n o t p r o d u c e s e n s i b l e r e s u l t s a t a l l .

W h e r e t h e s y s t e m s u n d e r t e s t a r e a v a i l a b l e a s r e a l - t i m e i m p l e m e n t a t i o n s , i t i s p o s s i b l e t o p r o c e s s

s t i m u l i w h i l e a t e s t i s t a k i n g p l a c e ; t h i s a v o i d s t h e n e e d t o c a p t u r e a n d p r o c e s s t h e s t i m u l i o - l i n e

[ W o r r a l l e t a l . , 2 0 0 6 ] . I n c o m b i n a t i o n w i t h a n a d a p t i v e p r o c e d u r e , t h i s m a k e s i n t e l l i g i b i l i t y t e s t i n g f a s t

e n o u g h f o r r a p i d a s s e s s m e n t o f s y s t e m s i n t h e e l d .

2 . 2 . 2 O b j e c t i v e M e t h o d s

O b j e c t i v e m e a s u r e s o f t h e i n t e l l i g i b i l i t y o f a c h a n n e l a r e u s u a l l y b a s e d o n t h e p r e m i s e i t i s t h e a d d i t i o n

o f r e v e r b e r a t i o n a n d n o i s e t h a t h a s t h e m o s t s i g n i c a n t i m p a c t o n i n t e l l i g i b i l i t y . T h r o u g h c o m p a r i s o n o f

t h e o r i g i n a l a n d p r o c e s s e d s i g n a l s a n d w o r k i n g f r o m t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e o r i g i n a l i s 1 0 0 % i n t e l l i g i b l e ,

t h e s e m e t h o d s a t t e m p t t o e s t i m a t e t h e l o s s i n i n t e l l i g i b i l i t y c a u s e d b y t h e a d d i t i o n o f r e v e r b e r a t i o n o r

n o i s e . O v e r t h e y e a r s s e v e r a l o b j e c t i v e m e a s u r e s o f i n t e l l i g i b i l i t y h a v e b e e n d e v e l o p e d . M o s t a r e b a s e d

o n m e a s u r e m e n t s o f h o w c h a n g e s t o t h e s i g n a l a r e d i s t r i b u t e d a c r o s s a n u m b e r o f s p e c t r a l b a n d s . T h i s

i d e a w a s r s t p r o p o s e d i n F r e n c h a n d S t e i n b e r g [ 1 9 4 7 ] a n d l e d t o t h e d e n i t i o n o f t h e A r t i c u l a t i o n I n d e x

( A I ) [ K r y t e r , 1 9 6 2 , A N S I , 1 9 6 9 ] a n d t h e S p e e c h I n t e l l i g i b i l i t y I n d e x ( S I I ) [ A N S I , 1 9 9 7 ] . I n t h i s a p p r o a c h

m e a s u r e m e n t s o f t h e s p e e c h a n d n o i s e l e v e l s i n d i e r e n t s p e c t r a l b a n d s a r e w e i g h t e d a c c o r d i n g t o t h e

r e l a t i v e c o n t r i b u t i o n o f t h e b a n d t o i n t e l l i g i b i l i t y . E v a l u a t i o n h a s s h o w n t h a t s u c h m e a s u r e m e n t s c o r r e l a t e



9/42


w e l l w i t h s u b j e c t i v e i n t e l l i g i b i l i t y s c o r e s , a t l e a s t f o r s t e a d y - s t a t e n o i s e a n d n o r m a l l y - h e a r i n g l i s t e n e r s .

R e c e n t e x t e n s i o n s t o t h e S I I a p p r o a c h h a v e a t t e m p t e d t o a c c o u n t f o r t h e l o s s i n i n t e l l i g i b i l i t y c a u s e d b y

u c t u a t i n g n o i s e [ L u d v i g s e n , 1 9 8 5 , R h e b e r g e n a n d V e r s f e l d , 2 0 0 5 , R h e b e r g e n e t a l . , 2 0 0 6 ] .

T h e S p e e c h T r a n s m i s s i o n I n d e x ( S T I ) i s a f o r m a l i s a t i o n o f t h e S I I d e v e l o p e d b y S t e e n e k e n a n d H o u t -

g a s t [ S t e e n e k e n a n d H o u t g a s t , 1 9 8 0 , H o u t g a s t a n d S t e e n e k e n , 1 9 8 5 , S t e e n e k e n a n d H o u t g a s t , 1 9 9 9 ] .

I n s t e a d o f u s i n g S N R t o m e a s u r e t h e a u d i b i l i t y o f s p e e c h i n e a c h s p e c t r a l b a n d , t h e S T I u s e s a m o -

d u l a t i o n t r a n s f e r f u n c t i o n ( M T F ) t o a s s e s s t h e d e g r e e t o w h i c h i n t e n s i t y m o d u l a t i o n i n e a c h c h a n n e l

i s p r e s e r v e d . S T I m e a s u r e m e n t s a r e u s u a l l y m a d e b y p a s s i n g a s p e c i a l s p e e c h - l i k e s i g n a l t h r o u g h t h e

c h a n n e l u n d e r t e s t . R e d u c t i o n s i n t h e m o d u l a t i o n d e p t h o f t h e t e s t s i g n a l a t t h e o u t p u t o f t h e a n a l y s i s

c h a n n e l s i n d i c a t e s a l o s s i n i n f o r m a t i o n . E v a l u a t i o n s h a v e s h o w n t h a t t h e S T I m a k e s g o o d p r e d i c t i o n s

f o r t h e i n t e l l i g i b i l i t y o f s p e e c h d i s t u r b e d b y l i n e a r l t e r i n g , r e v e r b e r a t i o n o r t h e a d d i t i o n o f s t e a d y - s t a t e

n o i s e [ H o u t g a s t a n d S t e e n e k e n , 1 9 8 5 ] . H o w e v e r t h e m e a s u r e i s n o t s u i t a b l e f o r n o n - l i n e a r p r o c e s s e s , p h a s e

j i t t e r , c o m p r e s s i o n , p e a k l i m i t i n g o r c e n t r e - c l i p p i n g .

T o m o d e l t h e e e c t o f n o n - l i n e a r p r o c e s s e s o n i n t e l l i g i b i l i t y , E l h i l a l i e t a l . [ 2 0 0 3 ] d e v e l o p e d a m o d i e d

M T F c a l l e d t h e s p e c t r o - t e m p o r a l m o d u l a t i o n i n d e x ( S T M I ) . A s w e l l a s t a k i n g i n t o a c c o u n t c h a n g e s i n

t e m p o r a l m o d u l a t i o n s o f i n t e n s i t y w i t h i n a c h a n n e l , l i k e t h e M T F , t h e S T M I a l s o m e a s u r e s s p e c t r a l

m o d u l a t i o n s a c r o s s c h a n n e l s .

O t h e r m e t h o d s , n o t b a s e d o n t h e a r t i c u l a t i o n i n d e x a p p r o a c h , h a v e a l s o b e e n u s e d f o r i n t e l l i g i b i l i t y

t e s t i n g . T h e % A L C o n s m e a s u r e m e n t i s a w i d e l y u s e d p r e d i c t o r o f i n t e l l i g i b i l i t y i n b u i l d i n g s t h a t t a k e s

i n t o a c c o u n t t h e e e c t o f r e v e r b e r a t i o n a n d d i s t a n c e t o s o u r c e . T h e m o d e l o f H o l u b e a n d K o l l m e i e r [ 1 9 9 6 ]

p r e d i c t s t h e i n t e l l i g i b i l i t y o f C V C w o r d s t h r o u g h c o m p a r i s o n w i t h a d a t a b a s e o f w o r d t e m p l a t e s . W o r d s

b e c o m e l e s s i n t e l l i g i b l e w h e n t h e p r o c e s s i n g m a k e s t h e m m o r e s i m i l a r t o c o m p e t i t o r s i n t h e d a t a b a s e .

F i n a l l y , i n t e l l i g i b i l i t y c a n b e p r e d i c t e d f r o m a d a t a b a s e o f r e a l i n t e l l i g i b i l i t y m e a s u r e m e n t s b y c o m p a r i n g

a c t u a l c h a n n e l c o n d i t i o n s w i t h c o n d i t i o n s u s e d d u r i n g t e s t i n g . F o r e x a m p l e , F l e t c h e r a n d G a l t [ 1 9 5 0 ]

b u i l t a m a t h e m a t i c a l p r e d i c t o r f r o m i n t e l l i g i b i l i t y d a t a c o l l e c t e d a c r o s s m a n y l i s t e n i n g c o n d i t i o n s .

O b j e c t i v e s p e e c h q u a l i t y m e a s u r e s , s u c h a s P E S Q , h a v e a l s o b e e n u s e d a s p r e d i c t o r s o f i n t e l l i g i b i l i t y

a n d a n e v a l u a t i o n o f a n u m b e r o f m e a s u r e s c a n b e f o u n d i n L i u e t a l . [ 2 0 0 6 ] . Y a m a d a e t a l . [ 2 0 0 6 ] b u i l t

a p r e d i c t o r f o r i n t e l l i g i b i l i t y f r o m P E S Q p r e d i c t i o n s o f M O S f o r a n u m b e r o f n o i s e c o n d i t i o n s p r o c e s s e d

b y a n u m b e r o f n o i s e - r e d u c t i o n a l g o r i t h m s . T h e e e c t i v e n e s s o f p r e d i c t i o n v a r i e d w i t h w o r d f a m i l i a r i t y ,

b u t c o r r e l a t i o n s w i t h s u b j e c t i v e i n t e l l i g i b i l i t y s c o r e s a s h i g h a s 0 . 9 w e r e o b t a i n e d .

S p e e c h r e c o g n i t i o n s y s t e m s h a v e a l s o b e e n u s e d t o o b t a i n o b j e c t i v e p r e d i c t i o n s o f s p e e c h i n t e l l i g i b i l i t y ,

f o r e x a m p l e C h e r n i c k e t a l . [ 1 9 9 9 ] c o n t r a s t e d t h e p e r f o r m a n c e o f a p h o n e r e c o g n i s e r o n t h e o r i g i n a l a n d

d e g r a d e d s i g n a l s , t o e s t a b l i s h a p r e d i c t i o n f o r t h e l o s s i n i n t e l l i g i b i l i t y . L i u e t a l . [ 2 0 0 6 ] c o m p a r e d a s p e e c h

r e c o g n i t i o n a p p r o a c h w i t h o t h e r o b j e c t i v e m e a s u r e s a n d f o u n d t h a t i t g a v e g o o d i n t e l l i g i b i l i t y p r e d i c t i o n

a t + 1 0 d B S N R , b u t w a s s i g n i c a n t l y w o r s e t h a n o t h e r m e a s u r e s a t l o w e r v a l u e s , p r o b a b l y b e c a u s e h u m a n

r e c o g n i t i o n p e r f o r m a n c e i s s u b s t a n t i a l l y b e t t e r t h a n a r e c o g n i s e r a t l o w S N R .

2 . 3 E v a l u a t i o n o f S p e e c h Q u a l i t y

T h e a s s e s s m e n t o f a c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l f o r i t s e e c t o n s p e e c h i n t e l l i g i b i l i t y i s o n l y o n e p a r t o f

t h e p r o b l e m o f s y s t e m e v a l u a t i o n . T w o c h a n n e l s w h i c h p r o v i d e t h e s a m e s u b j e c t i v e i n t e l l i g i b i l i t y m a y

n e v e r t h e l e s s d i e r i n o t h e r w a y s , a n d i n p a r t i c u l a r m a y b e m o r e o r l e s s a c c e p t a b l e t o l i s t e n e r s . T h i s

a s s e s s m e n t o f a c c e p t a b i l i t y o f a c h a n n e l , h a s b e c o m e k n o w n a s t h e e v a l u a t i o n o f s p e e c h q u a l i t y , a l t h o u g h

t h e t e r m i s r a t h e r a c o n f u s i n g o n e , s i n c e o f t e n i t i s t h e d e g r e e t o w h i c h b a c k g r o u n d a n d s y s t e m n o i s e

i n t e r f e r e s w i t h t h e s p e e c h t h a t i s b e i n g a s s e s s e d .

2 . 3 . 1 S u b j e c t i v e M e t h o d s

T h e a s s e s s m e n t o f s p e e c h q u a l i t y i s m o r e d i c u l t t h a n t h a t o f s p e e c h i n t e l l i g i b i l i t y , s i n c e t h e r e l i a b i l i t y

o f l i s t e n e r s b e c o m e s a n i s s u e . T h e r e a r e b r o a d l y t w o t y p e s o f s p e e c h q u a l i t y t e s t : o n e i n w h i c h l i s t e n e r s

a s s i g n a b s o l u t e r a t i n g s t o i n d i v i d u a l s p e e c h s t i m u l i , a n d o n e w h e r e l i s t e n e r s e x h i b i t a p r e f e r e n c e f o r o n e

s p e e c h s t i m u l u s o v e r o n e o r m o r e o t h e r s . T h e a d v a n t a g e o f t h e r s t t y p e i s t h a t a s y s t e m c a n b e a s s i g n e d

s o m e a b s o l u t e s c o r e , a d i s a d v a n t a g e i s t h a t l a r g e n u m b e r s o f l i s t e n e r s a r e r e q u i r e d t o a c h i e v e s a t i s f a c t o r y

s e n s i t i v i t y . T h e a d v a n t a g e o f t h e s e c o n d t y p e i s t h a t s t a t i s t i c a l l y s i g n i c a n t r e s u l t s c a n b e o b t a i n e d

f r o m a c o m p a r i s o n o f t w o s y s t e m s w i t h r e l a t i v e l y f e w l i s t e n e r s [ V a z q u e z - A l v a r e z a n d H u c k v a l e , 2 0 0 2 ] , a

d i s a d v a n t a g e i s t h a t a n e s t i m a t e o f t h e s i z e o f t h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e s y s t e m s m a y n o t b e a v a i l a b l e .

2 . 3 . 1 . 1 Q u a l i t y r a t i n g t e s t s A w i d e l y u s e d r a t i n g s c a l e f o r t h e a s s e s s m e n t o f s p e e c h q u a l i t y i s

s h o w n i n T a b l e 1 . S t a n d a r d p r o c e d u r e s h a v e b e e n p u b l i s h e d a b o u t h o w t h e s c a l e s h o u l d b e u s e d w i t h i n



10/42


R a t i n g S p e e c h Q u a l i t y L e v e l o f D i s t o r t i o n

5 E x c e l l e n t I m p e r c e p t i b l e

4 G o o d J u s t p e r c e p t i b l e , b u t n o t a n n o y i n g

3 F a i r P e r c e p t i b l e a n d s l i g h t l y a n n o y i n g

2 P o o r A n n o y i n g , b u t n o t o b j e c t i o n a b l e

1 B a d V e r y a n n o y i n g a n d o b j e c t i o n a b l e

T a b l e 1 : A b s o l u t e C a t e g o r y R a t i n g s c a l e f o r L i s t e n i n g Q u a l i t y ( A C R L Q ) [ I T U , 1 9 9 8 a ]

a t e s t i n g p r o c e d u r e [ R o t h a u s e r e t a l . , 1 9 6 9 , I T U , 1 9 9 0 , 1 9 9 8 a ] . I n a t r a i n i n g p h a s e , l i s t e n e r s a r e p l a y e d a

s e t o f r e f e r e n c e s i g n a l s d e m o n s t r a t i n g t h e d i e r e n t q u a l i t y l e v e l s . T h i s a n c h o r i n g p h a s e i s i m p o r t a n t t o

s t a n d a r d i s e r e s p o n s e s a c r o s s l i s t e n e r s . T h e n t h e t e s t s i g n a l s a r e p l a y e d a n d r a t e d b y l i s t e n e r s . R e c o m -

m e n d a t i o n s a r e t h a t a t l e a s t 2 0 l i s t e n e r s a r e u s e d , t h a t s e s s i o n s s h o u l d n o t l a s t m o r e t h a n 2 0 m i n u t e s ,

a n d t h a t s t i m u l i b e p l a y e d o v e r h e a d p h o n e s . R a w s c o r e s c a n b e s t a n d a r d i s e d b y a s k i n g l i s t e n e r s t o r a t e

a s e t o f s t a n d a r d S N R - v a r y i n g s t i m u l i . T h i s a l l o w s t h e m e a n o p i n i o n s c o r e ( M O S ) t o b e c o n v e r t e d t o a

S N R e q u i v a l e n t n u m b e r i n d B .

A d i s a d v a n t a g e o f t h e M O S a p p r o a c h i s t h a t i t d o e s n o t p r o v i d e a n y d i a g n o s t i c i n f o r m a t i o n a b o u t

w h i c h a s p e c t s o f t h e s i g n a l w e r e m o s t i m p o r t a n t t o l i s t e n e r s . S c i e n t i c s t u d i e s o f o u r p e r c e p t i o n o f

d i s t o r t i o n [ M c D e r m o t t , 1 9 6 8 ] a p p e a r t o s h o w t h a t t h e q u a l i t y o f d i s t o r t e d s p e e c h i s p e r c e i v e d a l o n g

d i m e n s i o n s o f o v e r a l l c l a r i t y , s i g n a l - b a c k g r o u n d d i s t o r t i o n , a n d s u b j e c t i v e l o u d n e s s . T h e D i a g n o s t i c

A c c e p t a b i l i t y M e a s u r e ( D A M ) d e v e l o p e d i n V o i e r s [ 1 9 7 7 ] b u i l d s o n t h i s a n a l y s i s t o r e q u e s t t h a t l i s t e n e r s

r a t e t h e q u a l i t y o f s p e e c h s t i m u l i a l o n g a n u m b e r o f d i m e n s i o n s i n d e p e n d e n t l y , i g n o r i n g o t h e r a s p e c t s .

F o r e x a m p l e , l i s t e n e r s m a y b e a s k e d t o r a t e t h e s p e e c h s o l e l y a s n a s a l , o r a s m u e d ; o r t h e y m a y b e

a s k e d t o r a t e t h e b a c k g r o u n d a s b u z z i n g o r r u m b l i n g . A l t h o u g h s u c h a t e s t p r o v i d e s m o r e i n f o r m a t i o n

a b o u t t h e c r i t e r i a t h a t l i s t e n e r s u s e t o r a t e t h e q u a l i t y o f a c h a n n e l , a d i s a d v a n t a g e i s t h a t t h e t e s t i n g i s

t i m e - c o n s u m i n g a n d t h a t l i s t e n e r s n e e d t o b e t r a i n e d a n d a n c h o r e d i n e a c h d i m e n s i o n .

T h e a s s e s s m e n t o f s p e e c h t h a t h a s b e e n p a s s e d t h r o u g h n o i s e - s u p p r e s s i o n o r s i g n a l e n h a n c e m e n t

a l g o r i t h m s c r e a t e s a n a d d i t i o n a l c o m p l e x i t y , s i n c e i t i s n o t c l e a r w h e t h e r t h e o v e r a l l r a t i n g o f t h e c h a n n e l

b y l i s t e n e r s i s b e c a u s e o f t h e e e c t o f t h e p r o c e s s i n g s y s t e m s o n t h e s p e e c h , o n t h e n o i s e o r o n b o t h . T h i s

h a s l e a d t o a r e c o m m e n d a t i o n f o r t e s t i n g s i g n a l e n h a n c e m e n t s y s t e m s [ I T U , 2 0 0 3 ] , w h e r e b y i n d i v i d u a l

a s s e s s m e n t s o f t h e s p e e c h s i g n a l a n d t h e b a c k g r o u n d a r e r e q u e s t e d o f l i s t e n e r s i n a d d i t i o n t o a n o v e r a l l

r a t i n g . E a c h s p e e c h s t i m u l u s i s p l a y e d t h r e e t i m e s : r s t l i s t e n e r s a r e a s k e d t o j u d g e t h e s p e e c h i t s e l f o n

a 5 - p o i n t s c a l e o f s i g n a l d i s t o r t i o n ; t h e n l i s t e n e r s a r e a s k e d t o j u d g e t h e b a c k g r o u n d o n a 5 - p o i n t s c a l e

o f b a c k g r o u n d i n t r u s i v e n e s s ; n a l l y l i s t e n e r s a r e a s k e d t o j u d g e t h e o v e r a l l e e c t u s i n g t h e 5 - p o i n t M O S

s c a l e . T h e t y p e s o f i m p a i r m e n t t h a t a r i s e i n t e l e p h o n e s y s t e m s a n d t h e i r i n u e n c e o n M O S s c o r e s i s

d i s c u s s e d i n I T U - T [ 1 9 9 3 b ] .

2 . 3 . 1 . 2 P r e f e r e n c e t e s t s I n p r e f e r e n c e t e s t i n g , l i s t e n e r s a r e t y p i c a l l y p r e s e n t e d w i t h p a i r s o f s p e e c h

s t i m u l i , d i e r i n g o n l y i n t h e p r o c e s s i n g s y s t e m . T h e r e f e r e n c e s t i m u l i c a n c o m e f r o m a s e c o n d s y s t e m ,

i n w h i c h c a s e t h e t e s t c a n b e u s e d t o c o m p a r e t w o s y s t e m s , o r t h e y c a n c o m e f r o m a s e t o f r e f e r e n c e

p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s , i n w h i c h c a s e t h e t e s t s y s t e m i s c o m p a r e d t o a k n o w n s e t o f d i s t o r t i o n s . E x a m p l e s

o f t h e s e a r e M u n s o n a n d K a r l i n [ 1 9 6 2 ] a n d H e c k e r a n d W i l l i a m s [ 1 9 6 6 ] . A p r e f e r e n c e s y s t e m t h a t u s e d v e

d i s t o r t i o n c o n d i t i o n s ( c l e a n , b a n d - p a s s l t e r e d , l o w - p a s s l t e r e d , r e v e r b e r a n t , p e a k - c l i p p e d ) w a s p r o p o s e d

a s a s t a n d a r d b y t h e I E E E s u b c o m m i t t e e f o r s p e e c h q u a l i t y m e a s u r e m e n t [ R o t h a u s e r e t a l . , 1 9 6 9 ] .

A n o t h e r t e c h n i q u e f o r g e n e r a t i n g a s e t o f r e f e r e n c e s t i m u l i t o u s e i n p r e f e r e n c e t e s t i n g w a s d e s c r i b e d

i n C o m b e s c u r e e t a l . [ 1 9 8 2 ] . H e r e , r e f e r e n c e s i g n a l s w e r e g e n e r a t e d u s i n g m o d u l a t e d n o i s e [ L a w a n d

S e y m o u r , 1 9 6 2 ] , a n d l i s t e n e r s w e r e a s k e d t o r a t e t h e i r p r e f e r e n c e o f t e s t s t i m u l i o v e r t h e r e f e r e n c e o n a

v e - p o i n t s c a l e , c a l l e d t h e D e g r a d a t i o n C a t e g o r y R a t i n g ( D C R ) s c a l e . T h e u s e o f a r a t i n g s c a l e w h e n

m a k i n g p r e f e r e n c e j u d g e m e n t s c a n a l s o b e u s e d e v e n w h e n c o m p a r i n g t w o s y s t e m s : w i t h a s c a l e f r o m 3

t o + 3 f o r e x a m p l e . T h i s i s t h e n c a l l e d t h e C o m p a r i s o n C a t e g o r y R a t i n g ( C C R ) m e t h o d .

2 . 3 . 2 O b j e c t i v e M e t h o d s

A l t h o u g h s u b j e c t i v e t e s t i n g i s t h e o n l y w a y t o o b t a i n t r u e j u d g e m e n t s o f s p e e c h q u a l i t y , a n u m b e r o f

o b j e c t i v e m e t h o d s h a v e b e e n d e v e l o p e d , w h i c h d e s p i t e t h e i r s h o r t c o m i n g s , h a v e b e e n f o u n d t o c o r r e l a t e

w e l l w i t h s u b j e c t i v e r a t i n g s , s u c h a s t h e M O S . F o r a r e v i e w o f o b j e c t i v e s p e e c h q u a l i t y m e a s u r e s , s e e

Q u a c k e n b u s h e t a l . [ 1 9 8 8 ] .



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2 . 3 . 2 . 1 I n t r u s i v e I n t r u s i v e m e a s u r e s o f s p e e c h q u a l i t y c o m p a r e t h e p r o c e s s e d s p e e c h s i g n a l w i t h t h e

o r i g i n a l c l e a n s i g n a l t h a t w e n t i n t o t h e c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l . T y p i c a l l y t h e p r o c e s s i n v o l v e s d i v i d i n g

t h e s i g n a l s i n t o s h o r t f r a m e s o f 1 0 - 3 0 m s , a n d c o m p u t i n g a d i s t o r t i o n m e a s u r e b e t w e e n e q u i v a l e n t f r a m e s .

A n a v e r a g e i s t h e n t a k e n o v e r a l l f r a m e s t o o b t a i n a g l o b a l m e a s u r e . E x a m p l e s a r e i n B r a n d e n b u r g [ 1 9 8 7 ]

a n d S c h r o e d e r e t a l . [ 1 9 7 9 ] .

T h e r e a r e m a n y v a r i a n t s o f t h e S e g m e n t a l S N R a p p r o a c h . H e r e a l i g n e d f r a m e s a r e c o m p a r e d e i t h e r a s

t i m e - d o m a i n w a v e f o r m s , o r a s s p e c t r a , a n d d i e r e n c e s b e t w e e n i n p u t a n d o u t p u t a r e w e i g h t e d a c c o r d i n g

t o t h e t r u e s i z e o f t h e i n p u t . A n a d v a n t a g e o f u s i n g a f r e q u e n c y d o m a i n m e a s u r e i s t h a t d i e r e n t w e i g h t s

c a n b e a p p l i e d t o d i e r e n t f r e q u e n c y b a n d s .

A w i d e v a r i e t y o f s p e c t r a l d i s t a n c e m e a s u r e s h a v e b e e n p r o p o s e d t o a s s e s s t h e s i g n i c a n c e o f t h e

d i s t o r t i o n c a u s e d b y t h e c h a n n e l . T h e l o g - l i k e l i h o o d r a t i o ( L L R ) , I t a k u r a - S a i t o , a n d c e p s t r a l d i s t a n c e

m e a s u r e s h a v e a l l b e e n a p p l i e d t o L P - m o d e l l e d s p e c t r a f r o m t h e i n p u t a n d o u t p u t f r a m e s [ Q u a c k e n b u s h

e t a l . , 1 9 8 8 ] .

I n r e c e n t y e a r s , p e r c e p t u a l l y m o t i v a t e d m e a s u r e s h a v e d o m i n a t e d t e c h n i q u e s f o r o b j e c t i v e m e a s u r e -

m e n t o f s p e e c h q u a l i t y . T h e a t t e m p t h e r e i s t o m o d e l t h e s i g n a l p r o c e s s i n g t h a t t a k e s p l a c e i n t h e p e -

r i p h e r a l a u d i t o r y s y s t e m , i n c l u d i n g l t e r i n g i n t o a u d i t o r y c h a n n e l s , c o m p r e s s i o n , l o u d n e s s p r e - e m p h a s i s ,

s u b j e c t i v e l o u d n e s s c o m p e n s a t i o n a n d a s p e c t s o f m a s k i n g i n t i m e a n d f r e q u e n c y . I n a c o m p e t i t i o n t o d e -

s i g n a n e w o b j e c t i v e m e a s u r e c a p a b l e o f p e r f o r m i n g r e l i a b l y a c r o s s a w i d e r a n g e o f s p e e c h c o d e r s , t h e I T U

c h o s e t h e P E S Q a l g o r i t h m f r o m R i x e t a l . [ 2 0 0 1 ] t o f o r m t h e c u r r e n t l y r e c o m m e n d e d t e c h n i q u e I T U - T

P . 8 6 2 [ I T U , 2 0 0 1 ] . P E S Q c o n s i s t s o f a c o m p l e x s e q u e n c e o f p r o c e s s i n g s t e p s t o g e n e r a t e a s e t o f d i s t o r -

t i o n s c o r e s a s a f u n c t i o n o f f r e q u e n c y a n d t i m e . T h e s t e p s i n c l u d e : a m p l i t u d e e q u a l i s a t i o n , t e l e p h o n e

h a n d s e t l t e r i n g a n d t i m e a l i g n m e n t , t h e n a n a u d i t o r y t r a n s f o r m a t i o n w h i c h c o m p r i s e s B a r k s p e c t r u m

e s t i m a t i o n , f r e q u e n c y e q u a l i s a t i o n , g a i n e q u a l i s a t i o n a n d l o u d n e s s c o m p u t a t i o n . T h e d i e r e n c e b e t w e e n

t h e l o u d n e s s s p e c t r a a r i s i n g f r o m t h e o u t p u t s i g n a l a r e t h e n c o m p a r e d t o t h e l o u d n e s s s p e c t r a a r i s i n g

f r o m t h e o r i g i n a l s i g n a l a r e u s e d t o e s t i m a t e a d i s t u r b a n c e s c o r e , w h i c h i s t h e n a d j u s t e d t o a c c o u n t f o r

m a s k i n g e e c t s , a n d t h e p e r c e p t u a l d i e r e n c e b e t w e e n g a i n s a n d l o s s e s i n e n e r g y . T h e d i s t u r b a n c e s c o r e s

a r e t h e n a v e r a g e d a c r o s s f r e q u e n c y a n d t i m e t a k i n g i n t o a c c o u n t p o t e n t i a l l y i n v a l i d v a l u e s c a u s e d b y

s i g n a l m i s - a l i g n m e n t . T h e r e s u l t i s a P E S Q s c o r e o n a s c a l e b e t w e e n 0 . 5 a n d 4 . 5 w h i c h h a s b e e n s h o w n t o

c o r r e l a t e w e l l w i t h s u b j e c t i v e l i s t e n i n g t e s t s o v e r a r a n g e o f t e l e p h o n y c h a n n e l s [ R i x e t a l . , 2 0 0 1 ] . P E S Q

h a s b e e n e v a l u a t e d s p e c i c a l l y f o r n o i s y s p e e c h p r o c e s s e d b y n o i s e - r e d u c t i o n a l g o r i t h m s b y K i t a w a k i a n d

Y a m a d a [ 2 0 0 7 ] , w h e r e c o r r e l a t i o n s b e t w e e n 0 . 8 3 a n d 0 . 9 6 w e r e o b t a i n e d a c r o s s a v a r i e t y o f n o i s e t y p e s

a n d p r o c e s s i n g a l g o r i t h m s .

C o m p o s i t e m e t h o d s h a v e b e e n u s e d t o a c h i e v e a b e t t e r m a t c h t o s u b j e c t i v e s c o r e s . A n u m b e r o f

o b j e c t i v e m e t h o d s c a n b e c o m b i n e d u s i n g s t a t i s t i c a l t e c h n i q u e s , s u c h a s m u l t i v a r i a t e a d a p t i v e r e g r e s s i o n

s p l i n e s ( M A R S ) d e s c r i b e d i n F r i e d m a n [ 1 9 9 1 ] . A c o m p o s i t e o b j e c t i v e m e a s u r e f o r t h e o b j e c t i v e q u a l i t y

r a t i n g o f s p e e c h e n h a n c e m e n t s y s t e m s i s d e s c r i b e d i n H u a n d L o i z o u [ 2 0 0 6 ] . F i v e o b j e c t i v e m e a s u r e s

a r e c o m p a r e d w i t h P . 8 3 5 [ I T U , 2 0 0 3 ] s u b j e c t i v e m e a s u r e s f o r a r a n g e o f n o i s e , S N R a n d e n h a n c e m e n t

a l g o r i t h m s . R e s u l t s s h o w e d t h a t s o m e m e a s u r e s , s u c h a s s e g m e n t a l S N R , w e r e n o t g o o d p r e d i c t o r s o f t h e

q u a l i t y o f e n h a n c e d s p e e c h . M u l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o n w a s u s e d t o o b t a i n t h e b e s t p r e d i c t o r f o r e a c h o f

t h e s u b j e c t i v e m e a s u r e s .

2 . 3 . 2 . 2 N o n - i n t r u s i v e I n s o m e s i t u a t i o n s w h e r e o b j e c t i v e q u a l i t y m e a s u r e s a r e u s e f u l , t h e o r i g i n a l

c l e a n s i g n a l i s n o t a v a i l a b l e . A s s e s s m e n t m u s t t h e n b e b a s e d o n t h e p r o c e s s e d s i g n a l a l o n e . A r e v i e w o f

a n u m b e r o f t e c h n i q u e s f o r n o n - i n t r u s i v e o b j e c t i v e a s s e s s m e n t o f q u a l i t y i s g i v e n i n R i x [ 2 0 0 4 ] .

F o r t e l e p h o n e c i r c u i t s , n o n - i n t r u s i v e m e a s u r e s o f s p e e c h l e v e l , n o i s e l e v e l , t a l k e r e c h o a n d d e l a y c a n

e a s i l y b e m e a s u r e d a n d u s e d t o m a k e s o m e p r e d i c t i o n o f t h e l i k e l y c h a n n e l q u a l i t y , f o r e x a m p l e t h e C a l l

C l a r i t y I n d e x ( C C I ) d e s c r i b e d i n I T U - T P . 5 6 2 [ I T U , 2 0 0 4 a ] .

T o o b t a i n s i n g l e - e n d e d m e a s u r e s o f s p e e c h q u a l i t y , i t i s n e c e s s a r y t o a n a l y s e t h e d e g r e e t o w h i c h t h e

s i g n a l a p p e a r s t o f o l l o w t h e t y p i c a l s t a t i s t i c s o f s p e e c h . F o r e x a m p l e G r a y e t a l . [ 2 0 0 0 ] a n a l y s e d t h e s i g n a l

a s a s e q u e n c e o f p r e d i c t e d v o c a l t r a c t s h a p e s , t h e n r a t e d t h e p l a u s i b i l i t y o f t h e s h a p e s a n d t r a n s i t i o n s .

A n o t h e r a p p r o a c h , t h a t w o r k s f r o m t h e a u d i t o r y p r o c e s s i n g s t a g e s o f t h e P E S Q a p p r o a c h , w a s d e s c r i b e d

i n B e e r e n d s e t a l . [ 2 0 0 0 ] . A r e c e n t c o m p e t i t i o n f o r n o n - i n t r u s i v e q u a l i t y m o d e l s a s o r g a n i s e d b y I T U - T

l e d t o r e c o m m e n d a t i o n P . 5 6 3 f o r a p e r c e p t u a l s i n g l e - s i d e d s p e e c h q u a l i t y m e a s u r e [ I T U , 2 0 0 4 b ] . M o r e

r e c e n t l y a n u m b e r o f a l g o r i t h m s h a v e b e e n d e v e l o p e d t h a t c l a i m t o g i v e s i g n i c a n t l y b e t t e r p e r f o r m a n c e

t h a n P . 5 6 3 . G r a n c h a r o v e t a l . [ 2 0 0 6 ] d e v e l o p e d a l o w - c o m p l e x i t y m e a s u r e t h a t g a v e s u p e r i o r p r e d i c t i o n

o f M O S s c o r e s w i t h m u c h l e s s c o m p u t a t i o n a l c o s t t h a n P . 5 6 3 , w h i l e K i m a n d T a r r a f [ 2 0 0 6 ] d e s c r i b e t h e

A N I Q U E + m o d e l w h i c h i s t r a i n e d o n t h e M O S r e s u l t s f o u n d f o r 2 4 d i e r e n t s p e e c h d a t a b a s e s c o v e r i n g

a w i d e v a r i e t y o f d i s t o r t i o n c o n d i t i o n s . T h e y c l a i m t h e i r m o d e l p r e d i c t s M O S p e r f o r m a n c e b e t t e r e v e n

P U B L I C R E L E A S E P a g e 1 0


12/42


AcousticChannel

Microphone+ Amplifier

ElectronicChannel

+

+Channel

Channel

WantedSpeech

UnwantedNoise

RecordedSound

AcousticDomain

ElectronicDomain

F i g u r e 1 : T y p i c a l s p e e c h r e c o r d i n g c h a i n .

t h a n t h e P . 8 6 2 i n t r u s i v e m e t h o d .

2 . 4 I s s u e s s p e c i c t o t h e a s s e s s m e n t o f e n h a n c e m e n t s y s t e m s

M o s t e v a l u a t i o n m e a s u r e s h a v e b e e n d e s i g n e d t o a s s e s s t h e p e r f o r m a n c e o f t e l e c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l s ,

a n d i t c o u l d b e a r g u e d t h a t t h e a s s e s s m e n t o f e n h a n c e m e n t s y s t e m c r e a t e s n e w c h a l l e n g e s . O n e i s s u e ,

f o r e x a m p l e , a r i s e s f r o m t h e n o n - l i n e a r p r o c e s s i n g t h a t t a k e s p l a c e w i t h i n e n h a n c e m e n t s y s t e m s s o t h a t

t h e t y p e s o f d i s t o r t i o n t h a t o c c u r w h e n n o i s e i s s u p p r e s s e d m a y n o t b e t y p i c a l o f c o n v e n t i o n a l c h a n n e l s .

A n o t h e r f a c t o r i s t h a t m o s t e n h a n c e m e n t s y s t e m s a d a p t t h e i r p r o c e s s i n g t o s i g n a l p r o p e r t i e s , o r t h e y

m a y h a v e m a n y p a r a m e t e r s t h a t n e e d t o b e s e t : t h u s i t i s h a r d t o e n s u r e t h a t a p r o c e s s e d s t i m u l u s i s a

f a i r r e p r e s e n t a t i o n o f t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e s y s t e m .

H a n s e n a n d P e l l o m [ 1 9 9 8 ] p r o p o s e a s t a n d a r d p r o t o c o l f o r t h e a s s e s s m e n t o f e n h a n c e m e n t s y s t e m s

w h i c h u s e s ( i ) a s t a n d a r d s e t o f s e n t e n c e s , ( i i ) a s t a n d a r d s e t o f n o i s e t y p e s , ( i i i ) a c o m b i n a t i o n o f o b j e c t i v e

a n d s u b j e c t i v e a s s e s s m e n t m e t h o d s . T h e d e s i g n e r o f a s p e e c h e n h a n c e m e n t s y s t e m c a n u s e t h i s p r o t o c o l

t o p r o v i d e a r e f e r e n c e a g a i n s t w h i c h t o a s s e s s h i s o w n s y s t e m .

A n o t h e r p r o b l e m m i g h t a r i s e w i t h t h e u s e o f t h e S R T m e a s u r e m e n t f r a m e w o r k , w h e r e t h e a d a p t i v e

p r o c e d u r e i s u s e d t o a d j u s t t h e S N R o f t h e s p e e c h g o i n g i n t o t h e e n h a n c e m e n t s y s t e m . T h e a i m m a y b e t o

n d t h e i n p u t S N R w h i c h a c h i e v e s 5 0 % i n t e l l i g i b i l i t y a t o u t p u t . H o w e v e r , s i n c e t h e s y s t e m s a r e a d a p t i v e ,

a n d a l m o s t c e r t a i n l y m a k e a s s u m p t i o n s a b o u t t h e i n p u t s i g n a l , t h e s h a p e o f t h e p e r f o r m a n c e - S N R c u r v e

m a y n o t b e a t y p i c a l p s y c h o m e t r i c f u n c t i o n , i n d e e d , m a n y e n h a n c e m e n t s y s t e m s d o n o t p e r f o r m w e l l o n

c l e a n s p e e c h a n d t h i s p e r f o r m a n c e c u r v e m a y n o t e v e n b e m o n o t o n i c w i t h S N R .

3 S p e e c h E n h a n c e m e n t

S i g n a l d e g r a d a t i o n s m a y a r i s e a t a n y p o i n t i n t h e r e c o r d i n g c h a i n i l l u s t r a t e d i n F i g . 1 . I t i s c o n v e n i e n t t o

c a t e g o r i s e t h e s e d e g r a d a t i o n s i n t o t h e t h r e e g r o u p s g i v e n b e l o w a c c o r d i n g t o t h e w a y i n w h i c h t h e y a l t e r

t h e w a n t e d s p e e c h s i g n a l ; t h i s c a t e g o r i s a t i o n a l s o c o r r e s p o n d s a p p r o x i m a t e l y t o t h e i r p e r c e i v e d e e c t a n d

t o t h e a p p r o p r i a t e c l e a n i n g m e t h o d .

1 . A d d i t i v e n o i s e t h a t i s u n c o r r e l a t e d w i t h t h e w a n t e d s p e e c h s i g n a l m a y a r i s e i n e i t h e r t h e a c o u s t i c

o r e l e c t r o n i c d o m a i n . I t s p e r c e i v e d e e c t i s t o d e g r a d e l i s t e n a b i l i t y a n d i n t e l l i g i b i l i t y a n d m a y , i n

e x t r e m e c a s e s , c o m p l e t e l y m a s k t h e w a n t e d s i g n a l . F o r s o m e t y p e s o f a d d i t i v e n o i s e , t h e s p e c t r a l

c h a r a c t e r i s t i c s a r e s t a t i o n a r y o r c h a n g e s l o w l y w i t h t i m e . T h i s i s t y p i c a l l y t r u e o f h u m a n d a m p l i e r

n o i s e a s w e l l a s o f s o m e e n v i r o n m e n t a l a c o u s t i c n o i s e s o u r c e s . S p e c t r a l s u b t r a c t i o n ( S e c . 3 . 2 ) a n d

s i n g l e - c h a n n e l a d a p t i v e l t e r i n g ( S e c . 3 . 5 ) h a v e b e e n s u c c e s s f u l i n r e d u c i n g t h e p e r c e i v e d l e v e l o f

s u c h s t a t i o n a r y n o i s e s o u r c e s . O t h e r f o r m s o f a d d i t i v e n o i s e a r e i n t e r m i t t e n t o r h i g h l y n o n - s t a t i o n a r y

a n d t h e i r i d e n t i c a t i o n a n d d e l e t i o n i s t h e s u b j e c t o f m o d e l - b a s e d a n d m i s s i n g d a t a m e t h o d s ( S e c .

3 . 6 a n d 3 . 8 ) . S u c h n o n - s t a t i o n a r y n o i s e s o u r c e s i n c l u d e m e d i a i n t e r f e r e n c e , u n w a n t e d c o - t a l k e r s a n d

s o m e f o r m s o f e l e c t r i c a l i n t e r f e r e n c e .

2 . C o n v o l u t i v e e e c t s a r e p e r c e i v e d a s r e v e r b e r a t i o n a n d p o o r s p e c t r a l b a l a n c e ; t h e y d i e r f r o m t h e

p r e v i o u s g r o u p b e c a u s e t h e a d d e d n o i s e i s s t r o n g l y c o r r e l a t e d w i t h t h e w a n t e d s i g n a l . R e v e r b e r a -

t i o n a n d e c h o n o r m a l l y a r i s e f r o m a c o u s t i c r e e c t i o n s a n d c a n s e r i o u s l y d e g r a d e i n t e l l i g i b i l i t y . T h e

i n c r e a s i n g u s e o f d i s t a n t m i c r o p h o n e s i n h a n d s - f r e e t e l e p h o n y h a s p r o m p t e d e x t e n s i v e r e s e a r c h i n t o



13/42


r e d u c i n g t h e e e c t s o f r e v e r b e r a t i o n ( S e c . 3 . 1 1 ) . B a n d w i d t h r e s t r i c t i o n s a n d u n e v e n s p e c t r a l r e s -

p o n s e m a y a r i s e f r o m m i c r o p h o n e p l a c e m e n t , m i c r o p h o n e c h a r a c t e r i s t i c s a n d C O D E C l i m i t a t i o n s .

T h e r e h a s b e e n s o m e w o r k o n e x p a n d i n g t h e b a n d w i d t h n a r r o w - b a n d t e l e p h o n e s i g n a l s ( S e c . 3 . 1 0 )

i n o r d e r t o i m p r o v e l i s t e n a b i l i t y b u t t h e r e i s l i t t l e e v i d e n c e o f a n y i n t e l l i g i b i l i t y b e n e t s .

3 . N o n - l i n e a r d i s t o r t i o n f r e q u e n t l y a r i s e s f r o m a m p l i t u d e l i m i t i n g o r c l i p p i n g i n t h e m i c r o p h o n e , a m -

p l i e r o r C O D E C . T h i s i s p e r c e i v e d a s h a r s h d i s t o r t i o n t h a t v a r i e s w i t h t h e s i g n a l a m p l i t u d e . A

s i m i l a r p e r c e p t u a l e e c t c a n r e s u l t f r o m h i g h b i t e r r o r s i n t h e c o d e d s i g n a l u s e d b y s o m e C O D E C s .

C l i p p e d p o r t i o n s o f a w a v e f o r m a r e e a s y t o i d e n t i f y p r o v i d e d t h a t n o s u b s e q u e n t p h a s e d i s t o r t i o n i s

p r e s e n t a n d t e c h n i q u e s e x i s t f o r r e c o n s t r u c t i o n t h e c o r r u p t e d p o r t i o n s o f t h e w a v e f o r m ( S e c . 3 . 9 ) .

M o s t s p e e c h e n h a n c e m e n t t e c h n i q u e s a d d r e s s o n l y o n e o f t h e d e g r a d a t i o n m e c h a n i s m s l i s t e d a b o v e a l -

t h o u g h s o m e m o d e l - b a s e d m e t h o d s ( S e c . 3 . 6 ) a d d r e s s t h e r s t t w o j o i n t l y .

A n u m b e r o f b o o k s d e v o t e d t o s p e e c h e n h a n c e m e n t h a v e b e e n p u b l i s h e d i n c l u d i n g D a v i s [ 2 0 0 2 ] , B e -

n e s t y e t a l . [ 2 0 0 5 ] a n d L o i z o u [ 2 0 0 7 ] . I n a d d i t i o n , t h e r e a r e a n u m b e r o f s u r v e y p a p e r s o n t h e s u b j e c t

i n c l u d i n g L i m [ 1 9 8 6 ] , E p h r a i m a n d C o h e n [ 2 0 0 6 ] a n d E p h r a i m e t a l . [ 2 0 0 5 ] . T h e p e r f o r m a n c e o f s e v e r a l

e n h a n c e m e n t a l g o r i t h m s w a s t e s t e d b y S o n g e t a l . [ 2 0 0 6 ] b y m e a n s o f a s t a n d a r d i s e d s p e e c h r e c o g n i s e r ;

t h e y f o u n d t h a t s o m e e n h a n c e m e n t t e c h n i q u e s r e d u c e d t h e r e c o g n i t i o n p e r f o r m a n c e . A s u b j e c t i v e a s -

s e s s m e n t o f 1 3 e n h a n c e m e n t a l g o r i t h m s i s g i v e n i n H u a n d L o i z o u [ 2 0 0 7 ] w h i c h , f o l l o w i n g I T U [ 2 0 0 3 ] ,

a s k e d l i s t e n e r s f o r s e p a r a t e j u d g e m e n t s o n s i g n a l d i s t o r t i o n , b a c k g o u n d n o i s e a n d o v e r a l l q u a l i t y . T h e

m o d e l - b a s e d a l g o r i t h m s ( S e c . 3 . 6 ) g e n e r a l l y g a v e t h e b e s t o v e r a l l q u a l i t y a l t h o u g h a m u l t i - b a n d s p e c t r a l

s u b t r a c t i o n a l g o r i t h m ( S e c . 3 . 2 ) d e v e l o p e d b y t h e a u t h o r s t h e m s e l v e s a l s o p e r f o r m e d w e l l .

3 . 1 F r a m e B a s e d P r o c e s s i n g

E n h a n c e m e n t m e t h o d s t h a t o p e r a t e i n t h e f r e q u e n c y d o m a i n n o r m a l l y r e q u i r e t h e s a m p l e d i n p u t s i g n a l

x(n)t o b e d e c o m p o s e d i n t o o v e r l a p p i n g f r a m e s w i t h t h e

t h f r a m e g i v e n b y

x(n; ) = w(n)x(n + M),( 1 )

f o r

n = 0, , N 1 w h e r e w(n) i s a w i n d o w i n g f u n c t i o n w i t h n i t e s u p p o r t a n d M N i s t h e t i m e i n c r e m e n t b e t w e e n s u c c e s s i v e f r a m e s ( i n s a m p l e s ) . T h e w i n d o w l e n g t h , N, i s a c o m p r o m i s e b e t w e e n f r e q u e n c y a n d t i m e r e s o l u t i o n a n d i s t y p i c a l l y c h o s e n i n t h e r a n g e 1030 m s f o r s p e e c h s i g n a l s r e s u l t i n g i n a f r e q u e n c y r e s o l u t i o n o f a r o u n d 5 0 H z . T h e f r a m e i n c r e m e n t ,

M, i s m o s t c o m m o n l y s e t a t

N/2a l t h o u g h ,

a s n o t e d b e l o w , t h e r e a r e t h e o r e t i c a l r e a s o n s f o r u s i n g M = N/4 d e s p i t e i t s h i g h e r c o m p u t a t i o n a l c o s t . A F o u r i e r t r a n s f o r m i s n o r m a l l y p e r f o r m e d o n e a c h f r a m e t o o b t a i n t h e S h o r t T i m e F o u r i e r T r a n s -

f o r m ( S T F T ) . I f n o p r o c e s s i n g i s d o n e o n t h e f r a m e s p e c t r a , t h e o r i g i n a l t i m e d o m a i n s i g n a l c a n b e

r e c o n s t r u c t e d e x a c t l y w i t h o v e r l a p - a d d i t i o n [ A l l e n a n d R a d i n e r , 1 9 7 7 , A l l e n , 1 9 7 7 ] . H o w e v e r , w h e n

f r e q u e n c y - d o m a i n p r o c e s s i n g i s p e r f o r m e d o n t h e f r a m e s , d i s t o r t i o n a r t i f a c t s m a y b e i n t r o d u c e d d u e t o

s i g n a l d i s c o n t i n u i t i e s a t f r a m e b o u n d a r i e s a n d a l i a s i n g o f r a p i d l y c h a n g i n g s p e c t r a l c o e c i e n t s . T h e r e -

c o n s t r u c t i o n p r o p e r t i e s c a n b e c o n t r o l l e d b y t h e c h o i c e o f t h e w i n d o w i n g f u n c t i o n a n d t h e r a t i o n

M : N.

M a r t i n a n d C o x [ 1 9 9 9 ] s u g g e s t t h e u s e o f h a l f - o v e r l a p p i n g ( M = N/2) s q u a r e - r o o t H a n n i n g w i n d o w s f o r b o t h a n a l y s i s a n d s y n t h e s i s i n o r d e r t o p r o v i d e p e r f e c t r e c o n s t r u c t i o n i n t h e a b s e n c e o f a n y p r o c e s s i n g

a n d , a t t h e s a m e t i m e , t o a t t e n u a t e a n y f r a m e - b o u n d a r y d i s c o n t i n u i t i e s . A n e x t e n s i v e d i s c u s s i o n o f t h e s e

i s s u e s i s g i v e n i n A l l e n [ 1 9 7 7 ] a n d A l l e n a n d R a d i n e r [ 1 9 7 7 ] w h e r e i t i s s h o w n t h a t , f o r a H a m m i n g a n a l y s i s

w i n d o w , a t h r e e - q u a r t e r s o v e r l a p ( M = N/4) i s n e e d e d i n o r d e r t o e n s u r e t h a t t h e s p e c t r a l c o e c i e n t s a r e s a m p l e d f r e q u e n t l y e n o u g h t o a v o i d a l i a s i n g .

3 . 2 S p e c t r a l S u b t r a c t i o n

T h e s p e c t r a l s u b t r a c t i o n m e t h o d o f s p e e c h e n h a n c e m e n t w a s i n t r o d u c e d i n B o l l [ 1 9 7 9 ] a n d r e m a i n s o n e

o f t h e m o s t w i d e l y u s e d w a y s o f r e d u c i n g a d d i t i v e n o i s e ; a g o o d o v e r v i e w o f t h e m e t h o d a n d i t s v a r i a n t s i s

i n c l u d e d i n V i r a g [ 1 9 9 9 ] . I n t h e s i m p l e s t f o r m o f s p e c t r a l s u b t r a c t i o n , t h e e s t i m a t e d m a g n i t u d e s p e c t r u m

o f t h e n o i s e , | N(ej )|, i s s u b t r a c t e d f r o m t h a t o f t h e n o i s y s p e e c h t o o b t a i n t h e e s t i m a t e d m a g n i t u d e s p e c t r u m o f t h e c l e a n s p e e c h w h i l e t h e p h a s e o f e a c h s p e c t r a l c o m p o n e n t i s l e f t u n a l t e r e d . T h i s p r o c e s s

i s i l l u s t r a t e d i n F i g . 3 . 2 a n d c a n b e w r i t t e n i n t h e f r e q u e n c y d o m a i n a s

S(ej

) = G(ej

)X(ej

)( 2 )



14/42


Noise

Estimate

STFT STIFT

|S(ej)|

E{N(ej)}

x(n) X

|X(ej)| +

s(n)

F i g u r e 2 : S p e c t r a l s u b t r a t i o n w i t h = 1 .

w h e r e t h e r e a l - v a l u e d g a i n f u n c t i o n , G(ej ), i s g i v e n b y

G(ej ) = max

|X(ej)| | N(ej)|

|X(ej )|, 0

( 3 )

i n w h i c h t h e max() f u n c t i o n p r e v e n t s G f r o m b e c o m i n g n e g a t i v e a t l o w S N R s . B e c a u s e t h e g a i n f u n c t i o n i s r e a l - v a l u e d , t h e p h a s e s p e c t r u m i s u n c o r r e c t e d , h o w e v e r W a n g a n d L i m [ 1 9 8 2 ] d e m o n s t r a t e d t h a t l i t t l e

p e r c e p t u a l i m p r o v e m e n t r e s u l t e d f r o m u s i n g t h e t r u e p h a s e s p e c t r u m o f t h e c l e a n s p e e c h s i g n a l . M e t h o d s

o f e s t i m a t i n g t h e n o i s e s p e c t r u m , N, a r e d i s c u s s e d i n S e c . 4 . B e r o u t i e t a l . [ 1 9 7 9 ] u s e d a m o r e g e n e r a l e x p r e s s i o n f o r t h e g a i n f u n c t i o n

G(ej ) = max

|X(ej )| | N(ej)|

1/|X(ej )|

, 0

( 4 )

a n d i n v e s t i g a t e d t h e c a s e s o f

= {0.5, 1, 2} . D e s p i t e t h e i r n d i n g t h a t t h e b e s t r e s u l t s a r e o b t a i n e d w i t h = 2

, t h e m o s t p o p u l a r c h o i c e r e m a i n s

= 1.

S u b t r a c t i n g t h e e x p e c t e d n o i s e s p e c t r u m r a t h e r t h a n i t s i n s t a n t a n e o u s v a l u e c a u s e s t w o p r o b l e m s : ( i )

t h e r e i s r e s i d u a l b r o a d - b a n d n o i s e a f t e r p r o c e s s i n g a n d ( i i ) i n d i v i d u a l n a r r o w b a n d s p e c t r a l s p i k e s r e m a i n

a n d g e n e r a t e t o n a l n o i s e o f t e n r e f e r r e d t o a s m u s i c a l n o i s e . A n u m b e r o f i m p r o v e m e n t s h a v e b e e n p r o p o s e d

t o c i r c u m v e n t t h e s e p r o b l e m s i n c l u d i n g t h e i n t r o d u c t i o n o f a g a i n o o r a n d o v e r s u b t r a c t i o n [ B e r o u t i e t a l . ,

1 9 7 9 , L i m a n d O p p e n h e i m , 1 9 7 9 ] w h i c h r e s u l t i n t h e m o d i e d g a i n f u n c t i o n ,

G(ej ) = max

|X(ej )| | N(ej )|

1/|X(ej )|

, | N(ej)|

( 5 )

w h e r e

1 a n d 0 1 a r e c o e c i e n t s c o n t r o l l i n g t h e o v e r s u b t r a c t i o n a n d t h e n o i s e o o r r e s p e c t i v e l y . B y s e t t i n g t h e n o i s e o o r c o e c i e n t t o > 0 s o m e b r o a d b a n d n o i s e r e m a i n s w h i c h r e d u c e s t h e p e r c e p t i o n o f m u s i c a l n o i s e [ B e r o u t i e t a l . , 1 9 7 9 , V i r a g , 1 9 9 9 ] . B e r o u t i e t a l . [ 1 9 7 9 ] s e t

t o a c o n s t a n t i n t h e r a n g e

0.005 0.1 . I n c r e a s i n g t h e o v e r s u b t r a c t i o n c o e c i e n t , , r e d u c e s t h e r e s i d u a l n o i s e b u t m a y i n t r o d u c e d i s t o r t i o n o f t h e s p e e c h s i g n a l i f s e t t o h i g h U n d e r t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e n o i s e p o w e r i s c o n s t a n t w h i l e

t h e s p e e c h p o w e r v a r i e s f r o m f r a m e t o f r a m e , t h e o v e r s u b t r a c t i o n c o e c i e n t

m a y b e v a r i e d i n e a c h

f r a m e b a s e d o n t h e S N R i n e a c h f r a m e s o t h a t l e s s s u b t r a c t i o n i s p e r f o r m e d i n f r a m e s w i t h h i g h S N R .

L o c k w o o d a n d B o u d y [ 1 9 9 2 ] u s e a f r e q u e n c y - d e p e n d e n t o v e r s u b t r a c t i o n c o e c i e n t w h i c h i s a d a p t i v e l y

u p d a t e d u s i n g a n o n l i n e a r f u n c t i o n o f t h e s m o o t h e d S N R e s t i m a t e a n d t h e p e a k n o i s e l e v e l i n r e c e n t

f r a m e s . T h i s a p p r o a c h i s e x t e n d e d i n V i r a g [ 1 9 9 9 ] w h e r e b o t h t h e o v e r s u b t r a c t i o n a n d t h e n o i s e o o r

c o e c i e n t s a r e c o n t r o l l e d a d a p t i v e l y . I n s t e a d o f S N R e x t r e m a , a p e r c e p t u a l t h r e s h o l d f u n c t i o n i s u s e d

d e r i v e d f r o m t h e B a r k s p e c t r u m o f a r o u g h l y e n h a n c e d s p e e c h s i g n a l u s i n g s t a n d a r d s p e c t r a l s u b t r a c t i o n .

M c A u l a y a n d M a l p a s s [ 1 9 8 0 ] o b s e r v e t h a t s p e c t r a l s u b t r a c t i o n p e r f o r m s p o o r l y w h e n t h e r e i s n o

s p e e c h p r e s e n t a n d i n t r o d u c e a t w o - s t a t e m o d e l f o r s p e e c h p r e s e n c e . U s i n g a G a u s s i a n n o i s e m o d e l f o r

t h e n o i s e , t h e y d e r i v e a n e x p r e s s i o n f o r t h e p r o b a b i l i t y o f s p e e c h p r e s e n c e b a s e d o n t h e t r u e ( o r a p r i o r i )

S N R a n d t h e r a t i o o f n o i s y - s i g n a l t o n o i s e p o w e r ( t h e a p o s t i o r i S N R ) . T h e g a i n f u n c t i o n i n ( 4 ) i s t h e n

m u l t i p l i e d b y t h e p r o b a b i l i t y o f s p e e c h p r e s e n c e w h i c h r e s u l t s i n g r e a t e r a t t e n u t a t i o n w h e n s p e e c h i s

a b s e n t . H a n s e n [ 1 9 9 1 ] p r o p o s e s a n a l t e r n a t i v e a p p r o a c h t o e l i m i n a t i n g m u s i c a l n o i s e b y b o r r o w i n g m o r -

p h o l o g i c a l o p e r a t i o n s f r o m i m a g e p r o c e s s i n g . T h e i d e a i s t o a p p l y d i l a t i o n o r c l o s u r e ( d i l a t i o n f o l l o w e d b y

e r o s i o n ) o p e r a t o r s t o t h e t i m e - f r e q u e n c y i m a g e t h a t r e s u l t s f r o m s p e c t r a l s u b t r a c t i o n i n o r d e r t o s m o o t h

o u t t h e r e s i d u a l n o i s e w i t h o u t b l u r r i n g s p e e c h f e a t u r e s . T o a v o i d t h e l a t t e r , h e p e r f o r m s s e g m e n t a t i o n



15/42


i n t o v o i c e d / u n v o i c e d / t r a n s i t i o n / s i l e n c e a n d o n l y a p p l i e s t h e m o r p h o l o g i c a l o p e r a t i o n s w i t h i n a s e g m e n t .

T h e p a p e r i s r a t h e r f u z z y o n t h e d e t a i l s . I n s t e a d o f u s i n g a D F T f o r s p e c t r a l a n a l y s i s , L i n e t a l . [ 2 0 0 2 b ]

a n d L i n e t a l . [ 2 0 0 2 a ] u s e a l t e r b a n k t h a t a p p r o x i m a t e s t h e c r i t i c a l b a n d s o f t h e e a r a n d , i n c a l c u l a t i n g

t h e W i e n e r l t e r r e s p o n s e , u s e t h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e n o i s e ( e s t i m a t e d u s i n g m i n i m u m s t a t i s t i c s ) a n d

t h e c a l c u l a t e d m a s k i n g t h r e s h o l d .

3 . 3 M i n i m u m m e a n s q u a r e e s t i m a t o r s ( M M S E )

I n a n i n u e n t i a l p a p e r E p h r a i m a n d M a l a h [ 1 9 8 4 ] p r o p o s e d a n o p t i m a l M M S E e s t i m a t i o n o f t h e s h o r t -

t i m e s p e c t r a l a m p l i t u d e ( S T S A ) ; i t s s t r u c t u r e i s t h e s a m e a s t h a t o f s p e c t r a l s u b t r a c t i o n b u t , i n c o n s t r a s t

t o t h e W i e n e r l t e r i n g m o t i v a t i o n o f s p e c t r a l s u b t r a c t i o n , i t o p t i m i z e s t h e e s t i

Date post:	06-Apr-2018
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