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智能语音技术中麦克风阵列的原理

时间:2024-05-22 10:54:52 科技赋能

麦克风阵列(Microphone Array)字面意思就是麦克风的排列方式。

也就是说,它是由一定数量的声学传感器(通常是麦克风)组成的系统,用于采样和处理声场的空间特性。

早在20世纪70年代和80年代,麦克风阵列就已被用于语音信号处理的研究。

20世纪90年代以来,基于麦克风阵列的语音信号处理算法逐渐成为新的研究热点。

在“语音控制时代”,这项技术的重要性显得尤为突出。

麦克风阵列可以做什么?任何技术的发展都伴随着问题的提出和解决,麦克风阵列亦是如此。

那么它主要用在哪些场景呢?还有它有什么功能呢!如何打破噪音环境? - 语音增强 语音增强是指当语音信号受到各种噪声(包括语音)干扰甚至淹没时,从含有噪声的语音信号中提取出纯语音的过程。

因此,即使在嘈杂的环境中,叮咚也能准确识别语音命令。

通过麦克风阵列波束成形实现语音增强的示意图。

自20世纪60年代以来,Boll等研究人员提出了使用一个麦克风的语音增强技术,称为单通道语音增强。

由于使用最少的麦克风数量,并且充分考虑了语音频谱和噪声频谱的特点,这些方法在某些场景下也具有较好的噪声抑制效果,因其简单易实现而得到广泛应用。

在现有的语音通信系统和消费电子系统中。

然而,在复杂的声学环境中,噪声总是来自各个方向,并且常常与语音信号在时间和频谱上重叠。

再加上回声和混响的影响,使用单个麦克风来捕捉相对纯净的发音是非常困难的。

麦克风阵列整合了语音信号的时空信息,可以同时提取声源并抑制噪声。

目前,科大讯飞已经实现了基于线性阵列、平面阵列和空间立体阵列的波束赋形和降噪技术,效果达到业界一流水平。

扬声器不断变换位置时如何解决? - 声源定位现实中,声源的位置不断变化,这对麦克风拾音来说是一个障碍。

麦克风阵列可以进行声源定位。

声源定位技术是指利用麦克风阵列计算目标说话人的角度和距离,从而实现对目标说话人的跟踪以及后续的定向拾音。

它是人机交互、音视频会议等领域非常重要的预处理技术。

因此,麦克风阵列技术不会限制说话者的移动,也不需要移动位置来改变接收方向。

它具有波束控制灵活、空间分辨率高、信号增益高和抗干扰能力强等特点,因此成为智能语音处理系统中捕捉说话人声音的重要手段。

室内回声太大怎么办? - 混响 一般我们听音乐的时候都希望有混响效果,这是一种听觉上的享受。

适当的混响会使声音圆润、悦耳、富有感染力。

混响是指声波在室内传播时,被墙壁、天花板、地板等障碍物反射,并与直达声叠加。

这种现象称为混响。

但混响现象对识别的帮助不大。

混响会导致不同步的声音相互重叠,造成音素重叠效应(Phoneme Overlap Effect),严重影响语音识别效果。

影响语音识别的部分一般是后期混响部分,因此去混响的主要重点是如何去除后期混响。

多年来,去混响技术抑制一直是行业研究的热点和难点。

利用麦克风阵列去除混响的主要方法有: 1、盲信号增强方法,将混响信号视为普通的加性噪声??信号,对其应用语音增强算法。

2.基于波束形成的方法:通过对多个麦克风收集的信号进行加权和相加,在目标信号的方向上形成拾取波束,同时衰减来自其他方向的反射声音。

3.基于逆滤波方法(An inverse Filtering Approach),通过麦克风阵列估计房间的房间脉冲响应(RIR),并设计重建滤波器来补偿和消除混响。

科大讯飞基于麦克风阵列的去混响技术可以自适应地估计房间内的混响情况,从而恢复纯净的信号,显着改善语音收听和识别效果。

,在测试对比中,各种混响时间下的识别效果接近手机近距离通话的水平。

当说话人太多时如何打破混响语音信号频谱? - 声源信号提取(分离) 家里人说话太多,叮咚听谁的?这时候,叮咚就需要足够聪明来识别哪个声音是命令。

麦克风阵列可以实现声源信号提取。

声源信号提取就是从多个声音信号中提取目标信号。

声源信号分离技术是将多种混合声音全部提取出来。

通过麦克风阵列波束形成进行语音提取和分离 利用麦克风阵列进行信号提取和分离主要有以下几种方式: 1.基于波束形成的方法,即向不同方向的声源形成拾音波束,并抑制来自不同方向的声音。

其他方向用于语音提取或分离: 2.基于传统的盲源信号分离(Blind Source Separation)方法,主要包括主成分分析(PCA)和独立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)方法。

攻击麦克风阵列虽然麦克风阵列技术已经达到了相当的技术水平,但总体上还存在一些问题。

例如,当麦克风与信号源距离过远时(如10m、20m距离),录制信号的信噪比会下降。

很低,算法处理难度很大;对于便携式设备来说,由于设备尺寸和功耗的限制,麦克风的数量不能太多,阵列尺寸不能太大。

分布式麦克风阵列技术是解决当前问题的一种可能途径。

所谓分布式阵列,就是将子阵元或子阵布置在较大的范围内,通过有线或无线的方式相互交换和共享数据,并在此基础上在广阔的范围内进行声源定位和波束定位。

感觉。

编队和其他技术实现信号处理。

与目前的集中式麦克风阵列相比,分布式阵列的优势也非常明显。

首先,分布式麦克风阵列(尤其是无线传输)的尺寸限制不再存在;另外,阵列的节点可以覆盖很大的面积——总会有一个阵列节点离声源很近,录音信噪比就很高。

随着幅度的增加,算法处理的难度也会降低,整体信号处理效果也会显着提升。

因此,分布式阵列可能成为未来智能家居和会议系统的主流解决方案。

在万物互联的今天,麦克风阵列技术已经深入进入我们的日常生活。

在智能汽车、智能家居、机器人、可穿戴设备等应用不断兴起的时代,语音交互因其便捷性成为人机交互的首选,而麦克风阵列自然也成为了非常重要的战线端技术。