Localisation et rehaussement de sources de parole au format Ambisonique: analyse de scènes sonores pour faciliter la commande vocale

This work was conducted in the fast-growing context of hands-free voice command. In domestic environments, smart devices are usually laid in a fixed position, while the human speaker gives orders from anywhere, not necessarily next to the device, or nor even facing it. This adds difficulties compared to the problem of near-field voice command (typically for mobile phones) : strong reverberation, early reflections on furniture around the device, and surrounding noises can degrade the signal. Moreover, other speakers may interfere, which make the understanding of the target speaker quite difficult. In order to facilitate speech recognition in such adverse conditions, several preprocessing methods are introduced here. We use a spatialized audio format suitable for audio scene analysis : the Ambisonic format. We first propose a sound source localization method that relies on a convolutional and recurrent neural network. We define an input feature vector inspired by the acoustic intensity vector which improves the localization performance, in particular in real conditions involving several speakers and a microphone array laid on a table. We exploit the visualization technique called layerwise relevance propagation (LRP) to highlight the time-frequency zones that are correlate positively with the network output. This analysis is of paramount importance to establish the validity of a neural network. In addition, it shows that the neural network essentially relies on time-frequency zones where direct sound dominates reverberation and background noise. We then present a method to enhance the voice of the main speaker and ease its recognition. We adopt a mask-based beamforming framework based on a time-frequency mask estimated by a neural network. To deal with the situation of multiple speakers with similar loudness, we first use a wideband beamformer to enhance the target speaker thanks to the associated localization information. We show that this additional information is not enough for the network when two speakers are close to each other. However, if we also give an enhanced version of the interfering speaker as input to the network, it returns much better masks. The filters generated from those masks greatly improve speech recognition performance. We evaluate this algorithm in various environments, including real ones, with a black-box automatic speech recognition system. Finally, we combine the proposed localization and enhancement systems and evaluate the robustness of the latter to localization errors in real environments.Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'essor des assistants vocaux mains libres. Dans un environnement domestique, l'appareil est généralement posé à un endroit fixe, tandis que le locuteur s'adresse à lui depuis diverses positions, sans nécessairement s'appliquer à être proche du dispositif, ni même à lui faire face. Cela ajoute des difificultés majeures par rapport au cas, plus simple, de la commande vocale en champ proche (pour les téléphones portables par exemple) : ici, la réverbération est plus importante ; des réflexions précoces sur les meubles entourant l'appareil peuvent brouiller le signal ; les bruits environnants sont également sources d'interférences. À ceci s'ajoutent de potentiels locuteurs concurrents qui rendent la compréhension du locuteur principal particulièrement difficile. Afin de faciliter la reconnaissance vocale dans ces conditions adverses, plusieurs pré-traitements sont proposés ici. Nous utilisons un format audio spatialisé, le format Ambisonique, adapté à l'analyse de scènes sonores. Dans un premier temps, nous présentons une méthode de localisation des sources sonores basée sur un réseau de neurones convolutif et récurrent. Nous proposons des descripteurs inspirés du vecteur d'intensité acoustique qui améliorent la performance de localisation, notamment dans des situations réelles où plusieurs sources sont présentes et l'antenne de microphones est posée sur une table. La technique de visualisation appelée layerwise relevance propagation (LRP) met en valeur les zones temps-fréquence positivement corrélées avec la localisation prédite par le réseau dans un cas donné. En plus d'être méthodologiquement indispensable, cette analyse permet d'observer que le réseau de neurones exploite principalement les zones dans lesquelles le son direct domine la réverbération et le bruit ambiant. Dans un second temps, nous proposons une méthode pour rehausser la parole du locuteur principal et faciliter sa reconnaissance. Nous nous plaçons dans le cadre de la formation de voies basée sur des masques temps-fréquence estimés par un réseau de neurones. Afin de traiter le cas où plusieurs personnes parlent à un volume similaire, nous utilisons l'information de localisation pour faire un premier rehaussement à large bande dans la direction du locuteur cible. Nous montrons que donner cette information supplémentaire au réseau n'est pas suffisant dans le cas où deux locuteurs sont proches ; en revanche, donner en plus la version rehaussée du locuteur concurrent permet au réseau de renvoyer de meilleurs masques. Ces masques permettent d'en déduire un filtre multicanal qui améliore grandement la reconnaissance vocale. Nous évaluons cet algorithme dans différents environnements, y compris réels, grâce à un moteur de reconnaissance de la parole utilisé comme boîte noire.Dans un dernier temps, nous combinons les systèmes de localisation et de rehaussement et nous évaluons la robustesse du second aux imprécisions du premier sur des exemples réels