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科大讯飞麦克风阵列技能揭秘

发布时刻:2016-01-27 13:32:47  来历:fun88    布景:

  未来人工智能会像水和电相同无所不在,在“万物互联年代”,语音将成为人机交互的新常态。风吹麦浪,静夜虫鸣。人类能听到的声响大约有40多万种,频率在20至20000赫兹之间。智能终端能听到多少呢?

  在科大讯飞2015年度发布会的现场,3000余人见证了这样的一场人机互动。演示人员在5米开外,用声响操控DingDong,完成了一系列高难度的订票使命,引来台下阵阵惊叹!

  现场那么喧闹,DingDong却如此“听话”,要让DingDong听懂这么多声响,而且具有远场辨认的功用,它有必要听的到,而且要听的愈加明晰,人类能够带上助听器,机器需求什么呢?

  【麦克风阵列】就充当了助听器这样的人物。这个名词是不是很生疏,定心!下面小编和你唠唠这个【麦克风阵列】。

  麦克风阵列(Microphone Array),从字面上,指的是麦克风的摆放。也便是说由一定数意图声学传感器(一般是麦克风)组成,用来对声场的空间特性进行采样并处理的体系。

  早在20世纪70、80年代,麦克风阵列现已被运用于语音信号处理的研讨中,进入90年代以来,依据麦克风阵列的语音信号处理算法逐步成为一个新的研讨热门。而到了“声控年代”,这项技能的重要性显得尤为杰出。

  麦克风阵列精干什么?

  任何一项技能的发作开展都伴跟着问题的提出及处理,麦克风阵列也是如此。那么它首要运用在哪些场景下呢?又有着怎样的功用!

  ◆【噪声环境怎样破?】—— 语音增强(Speech Enhancement)

  语音增强是指当语音信号被各式各样的噪声(包含语音)搅扰乃至吞没后,从含噪声的语音信号中提取出纯洁语音的进程。所以DingDong在喧闹环境下,也能精确辨认语音指令。

  经过麦克风阵列波束构成进行语音增强示意图

  从20世纪60年代开端,Boll等研讨者先后提出了针对运用一个麦克风的语音增强技能,称为单通道语音增强。由于它运用的麦克风个数最少,而且充分考虑到了语音谱和噪声谱的特性,使得这些办法在某些场景下也具有较好的噪声按捺作用,并因其办法简略、易于完成的特色广泛运用于现有语音通讯体系与消费电子体系中。

  可是,在杂乱的声学环境下,噪声总是来自于五湖四海,且其与语音信号在时刻和频谱上常常是彼此交叠的,再加上回波和混响的影响,运用单麦克风捕捉相对纯洁的语音是非常困难的。而麦克风阵列交融了语音信号的空时信息,能够一同提取声源并按捺噪声。

  现在科大讯飞现已完成了依据线性阵列、平面阵列以及空间立体阵列的波束构成和降噪技能,作用均到达业界一流水平。

  2013年科大讯飞车载降噪产品和国际竞争对手作用比照

  ◆【说话人老是变幻方位怎样破?】——声源定位(Source Localization)

  实际中,声源的方位是不断改动的,这关于麦克风收音来说,是个妨碍。麦克风阵列则能够进行声源定位,声源定位技能是指运用麦克风阵列来核算方针说话人的视点和间隔,然后完成对方针说话人的盯梢以及后续的语音定向拾取,是人机交互、音视频会议等范畴非常重要的前处理技能。所以麦克风阵列技能不约束说话人的运动,不需求移动方位以改动其接纳方向,具有灵敏的波束操控、较高的空间分辨率、高的信号增益与较强的抗搅扰才能等特色,因而成为智能语音处理体系中捕捉说话人语音的重要手法。

  混响发生原因示意图

  ◆【室内回声太大怎样破?】——去混响(Dereverberation)

  一般咱们听音乐时,期望有混响的作用,这是听觉上的一种享用。适宜的混响会使得声响圆润悦耳、赋有感染力。混响(Reverberation)现象指的是声波在室内传达时,要被墙面、天花板、地板等妨碍物构成反射声,并和直达声构成叠加,这种现象称为混响。

  可是,混响现象关于辨认就没有什么好处了。由于混响则会使得不同步的语音彼此叠加,带来了音素的交叠掩蔽效应(Phoneme Overlap Effect),然后严重影响语音辨认作用。

  影响语音辨认的部分一般是晚期混响部分,所以去混响的首要作业重点是放在怎样去除晚期混响上面,多年来,去混响技能按捺是业界研讨的热门和难点。运用麦克风阵列去混响的首要办法有以下几种:

  1、依据盲语音增强的办法(Blind signal enhancement approach),行将混响信号作为一般的加性噪声信号,在这个上面运用语音增强算法。

  2、依据波束构成的办法(Beamforming based approach),经过将多麦克风对搜集的信号进行加权相加,在方针信号的方向构成一个拾音波束,一同衰减来自其他方向的反射声。

  3、依据逆滤波的办法(An inverse filtering approach),经过麦克风阵列估量房间的房间冲击呼应(Room Impulse Response, RIR),规划重构滤波器来补偿来消除混响。

  现在科大讯飞完成的依据麦克风阵列的去混响技能能很好的对房间的混响状况进行自适应的估量,然后很好的进行纯洁信号的复原,显着的提高了语音听感和辨认作用,在测验比照中,多种混响时刻下辨认作用挨近手机近讲水平。

  混响语音信号频谱

  经曩昔混响后的语音信号频谱

  ◆【说话人太多怎样破?】——声源信号提取(别离)

  家里人说话太多,DingDong听谁的呢。这个时分就需求DingDong聪明的辨别出哪个声响才是指令。而麦克风阵列能够完成声源信号提取,声源信号的提取便是从多个声响信号中提取出方针信号,声源信号别离技能则是将需求将多个混合声响悉数提取出来。

  经过麦克风阵列波束构成做语音提取和别离

  运用麦克风阵列做信号的提取和别离首要有以下几种办法:

  1、依据波束构成的办法,即经过向不同方向的声源别离构成拾音波束,而且按捺其他方向的声响,来进行语音提取或别离:

  2、依据传统的盲源信号别离(Blind Source Separation)的办法进行,首要包含主成分剖析(Principal Component Analysis,PCA)和依据独立成分剖析(Independent Component Analysis,ICA)的办法。

  进击的麦克风阵列

  麦克风阵列技能尽管现已能够到达适当的技能水平,可是整体上仍是存在一些问题的,比方当麦克风和信号源间隔太远时(比方10m、20m间隔),录制信号的信噪比会很低,算法处理难度很大;关于便携设备来说,受设备尺度以及功耗的约束,麦克风的个数不能太多,阵列尺度也不能太大。而分布式麦克风阵列技能则是处理当时问题的一个或许途径。所谓分布式阵列便是将子阵元或子阵列布局到更大的范围内,彼此之间经过有线或许无线的办法进行数据的沟通和同享,并在此基础上进行广义上的声源定位、波束构成等技能完成信号处理。

  相关于现在集中式的麦克风阵列,分布式阵列的优势也是非常显着的。首要分布式麦克风阵列(特别无线传输)的尺度的约束就不存在了;别的,阵列的节点能够掩盖很大的面积——总会有一个阵列的节点间隔声源很近,录音信噪比大幅度提高,算法处理难度也会下降,整体的信号处理的作用也会有非常显着的提高,因而分布式阵列有或许是未来智能家居和会议体系中的干流方案。现在科大讯飞现已开端了相关技能研讨的布局作业。

  在万物互联的今天,麦克风阵列技能现已深入的走进了咱们的日常日子。在智能车载、智能家居、机器人、可穿戴设备等运用热潮正鼓起的年代,语音交互由于其快捷性,成了人机交互进口的第一挑选,麦克风阵列天然也成为其间非常重要的前端技能。

  2015年5月25日上海CES展上露脸的DingDong音箱

  DingDong音箱中的麦克风阵列方案

  试想一下,未来,你身边的智能机器人经过声源定位技能找到主人的方位,经过降噪技能滤除环境噪声和混响,你能够自在在恣意场景中操控机器人,回声消除技能也可用于消除设备本身播映的声响,然后真实的完成正真意义上的交互!

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