This thesis presents novel signal processing algorithms for speech and music dereverberation. The proposed algorithms focus on blind single-channel suppression of late reverberation; however binaural and semi-blind methods have also been introduced. Late reverberation is a particularly harmful distortion, since it significantly decreases the perceived quality of the reverberant signals but also degrades the performance of Automatic Speech Recognition (ASR) systems and other speech and music processing algorithms. Hence, the proposed deverberation methods can be either used as standalone enhancing techniques or implemented as preprocessing schemes prior to ASR or other applied systems. The main dereverberation method proposed here is a blind dereverberation technique based on perceptual reverberation modeling has been developed. This technique employs a computational auditory masking model and locates the signal regions where late reverberation is audible, i.e. where it is unmasked from the clean signal components. Following a selective signal processing approach, only such signal regions are further processed through sub-band gain filtering. The above technique has been evaluated for both speech and music signals and for a wide range of reverberation conditions. In all cases it was found to minimize the processing artifacts and to produce perceptually superior clean signal estimations than any other tested technique. Moreover, extensive ASR tests have shown that it significantly improves the recognition performance, especially in highly reverberant environments. / Η διατριβή αποτελείται από εννιά κεφάλαια, δύο παραρτήματα καθώς και την σχετική βιβλιογραφία. Είναι γραμμένη στα αγγλικά ενώ περιλαμβάνει και ελληνική περίληψη. Στην παρούσα διατριβή, αναπτύσσονται μεθόδοι ψηφιακής επεξεργασίας σήματος για την αφαίρεση αντήχησης από σήματα ομιλίας και μουσικής. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών αρχικά εστιάζοντας στην τυφλή (“blind”) αφαίρεση για μονοκαναλικά σήματα. Στοχεύοντας σε πιο ειδικά σενάρια χρήσης προτείνονται επίσης αμφιωτικοί αλγόριθμοι αλλά και τεχνικές που προϋποθέτουν την πραγματοποίηση κάποιας ακουστικής μέτρησης. Οι αλγόριθμοι επικεντρώνουν στην αφαίρεση της καθυστερημένης αντήχησης που είναι ιδιαίτερα επιβλαβής για την ποιότητα σημάτων ομιλίας και μουσικής και μειώνει την καταληπτότητα της ομιλίας. Επίσης, επειδή αλλοιώνει σημαντικά τα στατιστικά των σημάτων, μειώνει σημαντικά την απόδοση συστημάτων αυτόματης αναγνώρισης ομιλίας καθώς και άλλων αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας ομιλίας και μουσικής. Έτσι οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι μπορούν είτε να χρησιμοποιηθούν σαν αυτόνομες τεχνικές βελτίωσης της ποιότητας των ακουστικών σημάτων είτε να ενσωματωθούν σαν στάδια προ-επεξεργασίας σε άλλες εφαρμογές. Η κύρια μέθοδος αφαίρεσης αντήχησης που προτείνεται στην διατριβή, είναι βασισμένη στην αντιληπτική μοντελοποίηση και χρησιμοποιεί ένα σύγχρονο ψυχοακουστικό μοντέλο. Με βάση αυτό το μοντέλο γίνεται μία εκτίμηση των σημείων του σήματος που η αντήχηση είναι ακουστή δηλαδή που δεν επικαλύπτεται από το ισχυρότερο σε ένταση καθαρό από αντήχηση σήμα. Η συγκεκριμένη εκτίμηση οδηγεί σε μία επιλεκτική επεξεργασία σήματος όπου η αφαίρεση πραγματοποιείται σε αυτά και μόνο τα σημεία, μέσω πρωτότυπων υβριδικών συναρτήσεων κέρδους που βασίζονται σε δείκτες αντικειμενικής και υποκειμενικής αλλοίωσης. Εκτεταμένα αντικειμενικά και υποκειμενικά πειράματα δείχνουν ότι η προτεινόμενη τεχνική δίνει βέλτιστες ποιοτικά ανηχωικές εκτιμήσεις ανεξάρτητα από το μέγεθος του χώρου.

H διδακτορική διατριβή μελετά ζητήματα που αφορούν την ενσωμάτωση υπολογιστικών μοντέλων ακοής για την μοντελοποίηση και επεξεργασία ηχητικών σηματών για την βέλτιστη αναπαραγωγή τους σε χώρους με αντήχηση καθώς και την κωδικοποίηση ηχητικών δεδομένων. Το κύριο μέρος της διατριβής επικεντρώθηκε στην μοντελοποίηση των αντιληπτικά σημαντικών αλλοιώσεων λόγω αντήχησης, με την βοήθεια κατάλληλα οριζόμενων μόνο-ωτικών και διαφορικών ενδο-καναλικών παραμέτρων και την απεικόνιση τους με τη βοήθεια χρονο-συχνοτικών 2Δ αναπαραστάσεων. Ο λεπτομερής εντοπισμός των αλλοιώσεων στα ηχητικά σήματα μέσω του προτεινόμενου Δείκτη Επικάλυψης λόγω Αντήχησης (ΔΕΑ) διαμόρφωσε κατάλληλη μεθοδολογία ανάλυσης-σύνθεσης, για την καταστολή της αντήχησης σε συγκεκριμένες χρονο-συχνοτικές περιοχές. Το κύριο πλεονέκτημα της προτεινόμενης, εξαρτώμενης του σήματος, μεθοδολογίας είναι ότι επιτυγχάνεται η καταστολή των, με σχετική καθυστέρηση, παραμορφώσεων λόγω αντήχησης σε μια μεγαλύτερη κλίμακα, δεδομένου ότι μόνο οι αντιληπτικά σημαντικές περιοχές του σήματος επηρεάζονται από την επεξεργασία. Επιπλέον, αναζητήθηκε η δυνατότητα ανάλυσης των ηχητικών δεδομένων με βάση τις εσωτερικές τους αναπαραστάσεις (όπως δηλαδή τις παρέχει το υπολογιστικό μοντέλο ακοής) με εφαρμογή στην περιοχή της κωδικοποίησης σημάτων. Ο προτεινόμενος μη-ομοιόμορφος κβαντιστής πραγματοποιεί τη διαδικασία της κβάντισης χρονο-συχνοτικά με κατάλληλη οδήγηση από το υπολογιστικό μοντέλο ακοής, εξασφαλίζοντας καλύτερη υποκειμενική ηχητική ποιότητα, σε σχέση με ένα ομοιόμορφο PCM κβαντιστή. Χρησιμοποιώντας τη βασική λειτουργία του μη-ομοιόμορφου κβαντιστή, υλοποιήθηκε ενά κριτήριο αξιολόγησης ηχητικών δεδομένων, όπου σε αντίθεση με καθιερώμενα κριτήρια (όπως το Noise to Mask Ration, NMR) επιτελεί τις λειτουργίες του στο πεδίο χρόνου-συχνότητας και παρέχει τη δυνατότητα εντοπισμού της υποκειμενικά σημαντικής παραμόρφωσης με βάση την χρονική εξέλιξη του σήματος. / The dissertation studies issues concerning the integration of computational auditory models for modeling and processing of audio signals for optimal reproduction in reverberant spaces as well as topics related to audio coding. Based on the theoretical framework analysis that was established, the necessity of a signal-dependent approach was underlined for modeling the perceptually-relevant effects of reverberation. The main part of the dissertation thesis was focused on describing the perceptually-relevant alterations due to reverberation, based on appropriate defined monaural and differential inter-channel parameters and also their representation with well-defined time-frequency 2D maps. The detailed localization of alterations due to reverberation in the acoustic signals via the proposed Reverberation Masking Index (RMI) introduced an analysis-synthesis methodology for the compensation of reverberation in perceptually-significant time-frequency regions incorporating also, well-established digital signal processing techniques. The main advantage of the proposed signal-dependent methodology is that the suppression of reverberant tails can be achieved on a larger scale under practical conditions, since only perceptually significant regions of the signal are affected after processing. Additionally, the proposed framework complements the more traditional system-dependent inverse filtering methods, enabling novel and efficient signal processing schemes to evolve for room dereverberation applications. The thesis examines also the feasibility of the acoustic signal analysis based on the internal representations provided by the computational auditory model, applicable in the area of audio coding. The proposed non-uniform quantizer operates in the time-frequency domain, where a novel quantization process is driven by the computational auditory model, thus enabling an overall better perceptual quality with respect to uniform PCM quantizer. Considering the fundamental operation of the novel non-uniform quantizer, a criterion for audio quality evaluation was proposed, where contrary to well-established criteria (i.e., Noise to Mask Ratio, NMR) its potential structure performs in the time-frequency domain and provides the detailed localization of perceptually-important distortions based on the input signal’s evolution.