Algoritmo adaptativo para redução de ruído e preservação de pistas acústicas biauriculares para aparelhos auditivos

Abstract

Aparelhos auditivos são tecnologias assistivas que têm como objetivo a compensação de limitações auditivas. Os modelos biauriculares utilizam comunicação entre os dispositivos em ambas as orelhas, permitindo maior desempenho tanto na redução de ruído quanto na manutenção das características espaciais do cenário acústico. O filtro de Wiener biauricular multicanal (BMWF) é um estimador linear que reduz o sinal interferente (ruído) e preserva as pistas acústicas biauriculares da fala, entretanto distorce as pistas associadas ao ruído, o que resulta em deslocamento aparente da localização do sinal interferente. Assim, o presente trabalho apresenta uma proposta de método para redução de ruído e preservação de pistas acústicas biauriculares do ruído. O método desenvolvido baseia-se no BMWF e utiliza uma função custo composta pela medida de diferença de nível interauricular (ILD) e de coerência interauricular (IC), sendo denominado MWF-ILD-IC. É possível demonstrar que a preservação da coerência interauricular preserva a diferença de tempo interauricular (ITD), também interpretável como uma diferença de fase interauricular (IPD). Resultados de métricas objetivas do algoritmo adaptativo proposto sugerem que o filtro é capaz de preservar as pistas biauriculares do ruído, tanto em cenários acústicos com fonte sonora pontual quanto em cenários sujeitos a campos sonoros difusos, tendo, em contrapartida, menor capacidade de redução de ruído e, por conseguinte, menor ganho na qualidade da fala em relação ao BMWF convencional. O comportamento antagônico entre a razão sinal-ruído e erro associado às pistas biauriculares indica que é necessário avaliar com cautela o compromisso entre as variáveis, de forma que projetistas configurem parâmetros apropriados para cada situação de uso.

Hearing aids are assistive technologies that aim to compensate hearing impairments. The binaural approach employs communication between devices in both ears, allowing greater performance both in noise reduction and in the preservation of the original acoustic scenario perception. The Binaural Multichannel Wiener Filter (BMWF) is a linear estimator that reduces the interfering signal (noise) and preserves the binaural acoustic cues of speech, however it distorts the cues associated with noise, which results in an apparent displacement of the location of the interfering signal. Thus, this work presents a new method for noise reduction and preservation of noise binaural cues. The method developed is based on the BMWF and uses an auxiliary cost function based on input-output difference of the Interaural Level Difference (ILD) and the Interaural Coherence (IC), called MWFILD-IC. It is possible to demonstrate that the preservation of interaural coherence also preserves the Interaural Time Difference (ITD), also interpretable as an Interaural Phase Difference (IPD). Objective metrics results of the proposed adaptive algorithm suggest that the filter is able to preserve the noise binaural cues, both in acoustic scenarios with punctual sound source and diffuse noise field, providing, as a counterpart, less noise reduction capacity and, therefore, less gain in speech quality, as compared to the original adaptive BMWF algorithm. The antagonistic behavior between the signal-to-noise ratio and error associated with binaural cues indicates that it is necessary to carefully assess the tradeoff between the variables, so that designers configure appropriate parameters for each acoustic scenario.