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機(jī)器人麥克風(fēng)陣列

編輯:   瀏覽:1289   發(fā)布時(shí)間:2018-01-02下載完整文檔
機(jī)器人麥克風(fēng)陣列
     在嘈雜的環(huán)境下,機(jī)器想要聽(tīng)懂聲音,它必須能夠聽(tīng)的更遠(yuǎn)更清晰,麥克風(fēng)陣列充當(dāng)?shù)木褪侵?tīng)器的角色。然而,現(xiàn)在市場(chǎng)上不少機(jī)器人或者智能硬件產(chǎn)品,在面對(duì)多人說(shuō)話時(shí)依舊表現(xiàn)的手足無(wú)措。哪些因素在影響機(jī)器的“聽(tīng)力”?到底該怎么選擇麥克風(fēng)陣列,讓機(jī)器的“耳朵”更靈敏?
什么是麥克風(fēng)陣列
由一定數(shù)目的聲學(xué)傳感器(麥克風(fēng))組成,對(duì)聲場(chǎng)的空間特性進(jìn)行采樣并處理的系統(tǒng)。
麥克風(fēng)陣列由一定數(shù)目的聲學(xué)傳感器(一般是麥克風(fēng))組成,用來(lái)對(duì)聲場(chǎng)的空間特性進(jìn)行采樣并處理的系統(tǒng)。
遠(yuǎn)場(chǎng)拾音,指運(yùn)用遠(yuǎn)場(chǎng)識(shí)別和降噪技術(shù),使拾音距離達(dá)到5米。
聲源定位,利用麥克風(fēng)陣列,實(shí)現(xiàn)360°語(yǔ)音信號(hào)采集,并能通過(guò)聲源定位來(lái)確定目標(biāo)說(shuō)話人的方向。
人工智能,未來(lái)已來(lái)

人工智能(Artificial Intelligence)是指能夠和人一樣進(jìn)行感知、認(rèn)知、決策、執(zhí)行的人工程序或系統(tǒng)。人工智能為何能夠工作,主要因?yàn)槿蠓▽殻菏紫仁巧疃壬窠?jīng)網(wǎng)絡(luò),隨著數(shù)據(jù)量增加,性能不斷提升;其次是大數(shù)據(jù),互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及有利于獲取真實(shí)的統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù),來(lái)自于各種真實(shí)環(huán)境的數(shù)據(jù)使模型訓(xùn)練變得更加高效;最后一個(gè)很重要的是漣漪效應(yīng),在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)下,因?yàn)檐浖赓M(fèi),用戶愿意花時(shí)間用這些產(chǎn)品,且不會(huì)產(chǎn)生抱怨或反抗。當(dāng)推出一個(gè)不好的人工智能算法(包括圖像、語(yǔ)音、自然語(yǔ)言理解)時(shí),就像水滴滴在水面,只有一小部分人才會(huì)用到。一旦使用,數(shù)據(jù)會(huì)送到云計(jì)算服務(wù)器,云計(jì)算服務(wù)器可以立即學(xué)習(xí)更新。當(dāng)水波擴(kuò)大到更廣泛的人群時(shí),系統(tǒng)的性能已經(jīng)提高。水波的振幅就是系統(tǒng)的誤差。當(dāng)水波擴(kuò)散,振幅越來(lái)越低。當(dāng)水波紋擴(kuò)散到第1000萬(wàn)人時(shí),10000001個(gè)人是第一次使用這一系統(tǒng),他會(huì)覺(jué)得系統(tǒng)很好。利用漣漪效應(yīng),可以把不熟的、需要在真實(shí)環(huán)境中訓(xùn)練出來(lái)的系統(tǒng),真正培養(yǎng)出來(lái)。
人機(jī)最自然的交互方式

最新的研究結(jié)果顯示,相比于傳統(tǒng)的鍵盤輸入,語(yǔ)音輸入方式在速度及準(zhǔn)確率方面更具優(yōu)勢(shì)。正常來(lái)說(shuō)語(yǔ)音輸入的速度是傳統(tǒng)輸入方式的三倍以上,而隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前語(yǔ)音的識(shí)別率可以達(dá)到97%。
大家可以試想一下這樣的場(chǎng)景,回家之前對(duì)著手機(jī)說(shuō)一聲“我五分鐘之后到家”,就會(huì)得到回復(fù)“好的,按照您的習(xí)慣,空調(diào)已經(jīng)調(diào)到26度,熱水器調(diào)到35度”;甚至通過(guò)我們的智能硬件交互平臺(tái),智能設(shè)備互聯(lián)互通,出差去賓館,對(duì)著賓館的智能設(shè)備說(shuō)一聲“家庭模式”,也能享受到如家一般的感覺(jué)。
人機(jī)交互痛點(diǎn)
1.識(shí)別距離近:語(yǔ)音交互受限距離不能進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)的識(shí)別
2.對(duì)話不智能:不能持續(xù)進(jìn)行多輪對(duì)話不能打斷
3.嘈雜環(huán)境:在嘈雜環(huán)境下識(shí)別率低飽受噪聲干擾
4.響應(yīng)時(shí)間慢:不能即時(shí)快速響應(yīng)交互不流暢導(dǎo)致體驗(yàn)下降
陣列麥克風(fēng)對(duì)人工智能的意義
1.遠(yuǎn)場(chǎng)拾音
人機(jī)之間的語(yǔ)音交互(這里主要指智能硬件、機(jī)器人等),區(qū)別于傳統(tǒng)的有屏手持設(shè)備,涉及到復(fù)雜的環(huán)境和遠(yuǎn)距離拾音的問(wèn)題。通過(guò)麥克風(fēng)陣列使語(yǔ)音交互距離大大增加,使人機(jī)交互更加自然,更趨向于人人交互。
2.聲源定位
麥克風(fēng)陣列可以自動(dòng)檢測(cè)聲源位置,跟蹤說(shuō)話人,聲源定位信息既可以用于智能交互,也可以用于后續(xù)的空域?yàn)V波,對(duì)目標(biāo)方向進(jìn)行語(yǔ)音增強(qiáng)。
3.空域處理
對(duì)多信號(hào)空時(shí)頻三維的處理實(shí)現(xiàn)回聲抑制,混響抑制及語(yǔ)音增強(qiáng),讓我們的智能設(shè)備在復(fù)雜的環(huán)境中都可以提供更好的智能語(yǔ)音體驗(yàn)。
麥克風(fēng)陣列的功能

人機(jī)交互過(guò)程中的噪聲可以分為以下幾類:回聲,混響,干擾和背景噪聲;相應(yīng)的麥克風(fēng)陣列具備這樣的功能:回聲控制,回聲消除,回聲抑制;去混響;波束形成,聲源定位,語(yǔ)音增強(qiáng),盲源分離,干擾抑制;噪聲控制,主動(dòng)噪聲控制,降噪;

麥克風(fēng)陣列
麥克風(fēng)陣列產(chǎn)品主要分為二麥、四麥、六麥克風(fēng)陣列。陣列結(jié)構(gòu)如下圖所示:

麥克風(fēng)陣列構(gòu)型
以六麥陣列為例,具備以下功能特性:波束形成(波束形狀是陣列對(duì)不同頻率及方向的信號(hào)的響應(yīng),它與陣列麥克風(fēng)數(shù)目、幾何形狀、源信號(hào)位置以及頻率有關(guān)。)、回聲消支持信噪比-30dB左右、平穩(wěn)噪聲濾波、方向性非平穩(wěn)噪聲抑制、語(yǔ)音增強(qiáng)和去混響、聲源定位精度±10°等功能。
六麥陣列包括六麥硬件陣列模塊方案和軟核方案,硬件模塊方案包括一塊XFM10621硬件模塊,通過(guò)連接麥克風(fēng)、參考信號(hào)、供電和I2C即可實(shí)現(xiàn)陣列遠(yuǎn)場(chǎng)拾音和降噪后音頻輸出,同時(shí)支持連續(xù)喚醒并輸出喚醒信號(hào)。

六麥模板硬件示意圖
軟核方案包括:錄音模塊、陣列算法、和ADC、FPGA驅(qū)動(dòng)三個(gè)部分。
其中軟件模塊通過(guò)ALSA接口錄制96K、32bit雙聲道音頻數(shù)據(jù)。陣列算法可以提供語(yǔ)音喚醒、聲源定位、回聲消除和語(yǔ)音降噪功能。算法接收96K、32bit雙聲道音頻數(shù)據(jù),語(yǔ)音喚醒之后通知上層應(yīng)用,并給出聲源角度。輸出回聲消除和降噪之后的16k、16bit語(yǔ)音數(shù)據(jù)。算法加密芯片進(jìn)行加密,通過(guò)i2c接口和加密芯片進(jìn)行通信驗(yàn)證。六麥陣列軟核的運(yùn)算性能要求 600MIPS,支持硬浮點(diǎn)運(yùn)算。
陣列模塊和軟核方案都具備去混響和回聲消除功能。
去混響

 
混響是指聲波在室內(nèi)傳播時(shí),要被墻壁、天花板、地板等障礙物反射,當(dāng)聲源停止發(fā)聲后,聲波在室內(nèi)要經(jīng)過(guò)多次反射和吸收,最后才消失。這種現(xiàn)象稱為混響。因此,當(dāng)聲源和麥克風(fēng)之間的距離越遠(yuǎn),反射聲占的比例就越高,混響就嚴(yán)重。
經(jīng)典的去混響方法包括形成拾音波束來(lái)減少反射聲和基于反卷積的去混響方法。
回聲是指遠(yuǎn)端說(shuō)話人的聲音通過(guò)揚(yáng)聲器播放出來(lái)包括其反射聲,又被近端的麥克風(fēng)收集再傳送回遠(yuǎn)端。聲學(xué)回聲主要出現(xiàn)的場(chǎng)合包括:模擬電話免提模式、手機(jī)免提模式、車載藍(lán)牙電話等場(chǎng)景。
用于打斷的回聲消除技術(shù)難點(diǎn):喇叭播放的音樂(lè)一般為立體聲,甚至是環(huán)繞立體聲,因此需要真正的多通道回聲消除技術(shù)。設(shè)備的喇叭和麥克風(fēng)一般距離很近,使用者距離較遠(yuǎn);麥克風(fēng)信號(hào)的信噪比很低(一般在-10dB~-30dB)。
經(jīng)典的回聲消除方法包括非線性回聲消除處理,通過(guò)非線性的回聲抑制技術(shù),顯著改善了非線性情況下的效果。
麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考
Mic 孔的孔深孔徑比越小越好,即開(kāi)孔越大越好,深度越小越好,盡量向1:1靠近。孔深與孔徑比值越大,麥克頻響的震點(diǎn)越像低頻靠近,要求震點(diǎn)在12KHz以上。最少也要在8KHz以上。喇叭腔體不能漏氣。這是因?yàn),喇叭正反兩面的聲波相位相?80度,當(dāng)音腔有漏氣時(shí),聲波會(huì)發(fā)生抵消,尤其是低頻頻段。
麥克和喇叭的失真都要小。麥克失真小于4%,喇叭失真小于10%,由于喇叭低頻失真嚴(yán)重些,會(huì)超過(guò)10%,可以考慮增加濾波器濾掉低頻成分。
喇叭腔體四周與其他機(jī)構(gòu)件保留1mm的距離,防止腔殼與機(jī)構(gòu)接觸產(chǎn)生異音。
喇叭鼓膜上方與機(jī)構(gòu)件保留1.5mm的距離,以防鼓膜振動(dòng)碰到機(jī)構(gòu)件產(chǎn)生異音。
喇叭與機(jī)構(gòu)件有接觸的地方,要增加泡面,以起到緩沖、減振的效果,防止喇叭振動(dòng)時(shí)與機(jī)構(gòu)件碰撞產(chǎn)生異音。
麥克風(fēng)陣列聲學(xué)結(jié)構(gòu)確認(rèn)流程
1.遠(yuǎn)程會(huì)議或現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估
確認(rèn)麥克陣列構(gòu)型,確認(rèn)聲腔及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確認(rèn)進(jìn)聲孔深度、直徑大小等;
2.聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室錄音效果評(píng)估-第一階段
計(jì)算裸麥和帶聲腔結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)之間的錄音之間諧波程度,根據(jù)分析結(jié)果確定是否通過(guò)。
3.聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室錄音效果評(píng)估-第二階段
分別利用裸麥和帶聲腔結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)信號(hào)做基于相位的聲源定位,如果兩者定位誤差小于5°,則認(rèn)為通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試。
4.聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室錄音效果評(píng)估-第三階段
分別利用裸麥和帶聲腔結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)錄音數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別,效果差距在2%以內(nèi),則認(rèn)為遠(yuǎn)場(chǎng)識(shí)別方面無(wú)問(wèn)題。
不同陣列的適用范圍
六麥環(huán)形陣列:六麥環(huán)形陣列適用于應(yīng)用場(chǎng)景較為復(fù)雜(例如商場(chǎng)、辦公室),對(duì)角度定位要求比較高,回聲消除和識(shí)別率要求較高的機(jī)器人和家居產(chǎn)品解決方案。
四麥線性陣列:四麥線性陣列適用于車載,空調(diào),電視,應(yīng)用型機(jī)器人等智能裝備,支持0~180°角度定位,回聲消除和連續(xù)喚醒等功能。
兩麥線性陣列:兩麥線性陣列對(duì)芯片性能要求較低,適用于低成本的智能裝備解決方案,支持回聲消除和噪聲抑制等功能。
QA問(wèn)答
1.原始音頻質(zhì)量問(wèn)題一般包括哪些?
可能導(dǎo)致的原因比較多,例如電源供電不足導(dǎo)致的底噪過(guò)大,孔徑過(guò)深導(dǎo)致的音質(zhì)下降,遮擋物導(dǎo)致的拾音問(wèn)題,房間混響過(guò)大,增益問(wèn)題造成的截幅,參考信號(hào)接入問(wèn)題等等,具體問(wèn)題需要具體分析。
2.麥克風(fēng)陣列軟核和模塊的區(qū)別一般包括哪些?
麥克風(fēng)陣列軟核需要自行完成麥克風(fēng)及相關(guān)硬件模塊布板,軟核算法庫(kù)集成和調(diào)試優(yōu)化。麥克風(fēng)陣列模塊是封裝好的硬件模塊,直接輸出麥克風(fēng)陣列降噪后的音頻。軟核的更新一般由APP或系統(tǒng)固件完成,麥克風(fēng)陣列模塊的更新由固件更新完成。
3.我的產(chǎn)品應(yīng)該選擇什么構(gòu)型的麥克風(fēng)陣列?
對(duì)多功能型機(jī)器人一般推薦采用六麥環(huán)形陣列,因?yàn)閷?duì)語(yǔ)音識(shí)別率要求高,六麥環(huán)形陣列的波束和拾音范圍更加適宜。對(duì)功能型機(jī)器人和一些家具產(chǎn)品推薦采用四麥或者兩麥線性麥克風(fēng),因?yàn)槊钤~識(shí)別對(duì)降噪音頻的質(zhì)量要求相對(duì)較低。
4.回聲消除的效果不佳可能是什么原因?
首先要檢查參考信號(hào)是否由功放后喇叭前接入,其次要檢查左右聲道和低音喇叭的接入順序是否正確,最后要檢查喇叭是否存在失真等問(wèn)題。
 

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