Algoritmes de Beamforming computacionalment eficients per a aplicacions d'audio

Abstract

[ES] Un array de micófonos es un conjunto de micrófonos distribuidos en el espacio formando un determinado patrón. Desde hace unas décadas se han estudiado y desarrollado algorítmos de beamforming para arrays de micrófonos con el objetivo de mejorar la relaciión señal a ruido (SNR) de las señales recibidas o para recuperar señales separadas espacialmente, considerando sus direcciones de llegada (DoA). Los algoritmos de beamforming se han utilizado en este último aspecto de recuperación de señales acústicas a partir de sus observaciones corrompidas por ruido, reverberación y otras señales interferentes, pero debido a su rendimiento limitado, la investigación en este apartado sigue siendo indispensable. Por otra parte, una de sus principales limitaciones ha sido su elevado coste computacional en entornos acústicos reales, donde el procesado de señal en tiempo real es absolutamente necesario. El tema principal de investigación de la presente tesina de máster es el estudio de diferentes algoritmos de beamforming para arrays de micrófonos con el objetivo de obtener la señal acúastica deseada cancelando al mismo tiempo las señales interferentes. Se ha realizado un análisis del rendimiento de cada algoritmo teniendo en cuenta su tiempo computacional y su robustez ante errores. Además, esta tesis de máster tambi'en se centra en el coste computacional de los algoritmos y propone nuevos métodos de paralelización de varios aspectos comunes, con el objetivo de que los algoritmos de beamforming de banda ancha para aplicaciones acústicas puedan trabajar en tiempo real.

[EN] A microphone array is a set of microphones distributed in the space forming a specific pattern. Since a few decades ago, beamforming algorithms for microphone arrays have been studied and developed in order to improve the Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the received signals, or to recover spatially separated signals considering their different Directions of Arrival (DoA). Regarding the recovery of acoustic signals from their observations when they are corrupted by noise, reverberation and other interfering signals, beamforming algorithms have been applied, but due to its limited performance, further research in this matter is still indispensable. Moreover, one of their main limitations has been their high computational cost in real acoustic environments where real-time signal processing is absolutely required. The research topic of this master thesis is the study of several microphone array beamforming algorithms whose aim is to obtain the desired acoustic signal and at the same time cancelling the interfering signals. Analysis of the performance of each algorithm has been carried out taking into account its computation time and its robustness against errors. Moreover, this master thesis also focuses on the computational cost of the algorithms and proposes new methods of parallelizing several common aspects, in order to get the broadband beamforming algorithms to work in real-time acoustic applications.

[CA] Una agrupació (array) de micròfons 'es un conjunt de micròfons distribuïts en l¿espai formant un determinat patró' o. Des de fa unes dècades, s¿han estudiat i desenvolupat algoritmes de conformació de feix (beamforming) per arrays de micròfons amb l¿objectiu de millorar la relació 'o de senyal a soroll (SNR) dels senyals rebuts o per recuperar senyals separats espacialment considerant les seues direccions d¿arribada (DOA). Els algoritmes de beamforming s¿han utilitzat en aquest últim aspecte de recuperació de senyals acústics a partir de les seues observacions corrompudes per soroll, reverberació i altres senyals interferents, però degut al seu rendiment limitat, la recerca en aquest apartat continua sent indispensable. D¿altra banda, una de les seues principals limitacions ha estat l¿elevat cost computacional en entorns acústics reals on el processament de senyal en temps real es absolutament indispensable. El principal tema de investigació de la present tesina de màster es l¿estudi de diferents algoritmes de beamforming per a un (array) de micròfons amb l¿objectiu d¿obtenir el senyal acústic desitjat cancel¿lant al mateix temps les senyals interferents. S¿ha realitzat un anàlisi del rendiment de cada algoritme tenint en compte el seu temps computacional i la seua robustesa davant errors. D¿altra banda, la investigació d¿aquest treball també es focalitza en el cost computacional dels algoritmes i proposa nous mètodes de paral¿lelització de diferents aspectes comuns als algoritmes de beamforming, amb l¿objectiu d¿obtindre aquests algoritmes de beamforming per a aplicacions acústiques executant-se en temps real.