語(yǔ)音接口技術(shù)淺析

語(yǔ)音接口已經(jīng)成為一個(gè)改變?nèi)藱C(jī)交互方式的全新切入點(diǎn)。這些系統(tǒng)如何工作?打造這樣一款設(shè)備在硬件方面有什么要求?隨著語(yǔ)音控制接口變得越來(lái)越普及，德州儀器(TI)的一位工程師對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了深入的了解，并分享了其對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的認(rèn)識(shí)和看法。

語(yǔ)音接口是什么?

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)自20世紀(jì)50年代起開(kāi)始出現(xiàn)在我們身邊。那時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師創(chuàng)建了一款可以識(shí)別單個(gè)數(shù)字的系統(tǒng)。然而，語(yǔ)音識(shí)別只是完整語(yǔ)音接口技術(shù)的一部分。語(yǔ)音接口包含傳統(tǒng)用戶接口的所有方面：它能呈現(xiàn)信息并為用戶提供一種操控方式。在語(yǔ)音接口中，操控、甚至一些信息的呈現(xiàn)都將通過(guò)語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)。在一些如按鈕或顯示屏等傳統(tǒng)的用戶接口上，也可能配置語(yǔ)音接口這一選項(xiàng)。

大部分人遇到的第一款語(yǔ)音接口設(shè)備很有可能是移動(dòng)電話，或者是個(gè)人電腦上非?；A(chǔ)的將語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成文字的程序。然而，這些設(shè)備的運(yùn)行都非常緩慢、識(shí)別不精確且可識(shí)別的詞匯有限。

那是什么將語(yǔ)音識(shí)別從一種附屬性功能變成了計(jì)算機(jī)世界炙手可熱的技術(shù)呢?首先，如今的計(jì)算能力和算法性能都有顯著的提高(如果你對(duì)隱馬爾科夫模型有所了解，對(duì)此你會(huì)有更直觀的認(rèn)識(shí))。其次，云技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用也改進(jìn)了語(yǔ)音識(shí)別效果，并且提高了識(shí)別的速度和準(zhǔn)確性。

為你的設(shè)備添加語(yǔ)音識(shí)別功能

一些人常常會(huì)對(duì)如何為項(xiàng)目添加某種語(yǔ)音接口存在疑問(wèn)。實(shí)際上，TI供應(yīng)幾種不同的語(yǔ)音接口產(chǎn)品，包括ARM?處理器的Sitara?系列產(chǎn)品和C5000? DSP系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品都具備語(yǔ)音處理的能力。兩種系列的產(chǎn)品各有千秋，分別適用于不同的應(yīng)用。

在選擇DSP和ARM這兩種解決方案時(shí)，考慮的關(guān)鍵因素在于這款設(shè)備能否或?qū)⑷绾卫迷普Z(yǔ)音平臺(tái)。當(dāng)中有三種應(yīng)用場(chǎng)景：第一種是離線，所有的處理過(guò)程都在本地設(shè)備上發(fā)生。第二種是在線，通過(guò)基于云端的語(yǔ)音處理設(shè)備，如亞馬遜的Alexa，谷歌助手或IBM Watson;第三種是兩者混合。

離線：車(chē)載語(yǔ)音控制

從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，人們似乎希望所有事物都能夠連接至互聯(lián)網(wǎng)。然而，無(wú)論是出于成本考慮或是缺乏可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，在某些應(yīng)用中，連接網(wǎng)絡(luò)的意義其實(shí)不大。在現(xiàn)代的汽車(chē)應(yīng)用中，許多娛樂(lè)信息系統(tǒng)就采用了離線語(yǔ)音接口系統(tǒng)。這些語(yǔ)音接口系統(tǒng)通常只能使用有限的命令集，如“撥打電話”、“播放音樂(lè)”和“提高或降低音量”。雖然傳統(tǒng)處理器的語(yǔ)音識(shí)別算法取得了重大進(jìn)展，但仍有不盡如人意之處。遇到這樣的情況，例如C55xx等DSP可能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供最佳的性能。

在線：智能家庭中樞

關(guān)于語(yǔ)音接口的很多熱議主要圍繞于例如Google Home和亞馬遜 Alexa等互聯(lián)設(shè)備。由于亞馬遜允許第三方進(jìn)入其已配備Alex語(yǔ)音服務(wù)的語(yǔ)音處理生態(tài)系統(tǒng)，他們?cè)谶@方面的發(fā)展備受矚目。另外，如Microsoft Azur等其它的云服務(wù)也可以提供語(yǔ)音識(shí)別服務(wù)和類(lèi)似功能。值得注意的是，這些設(shè)備的聲音處理過(guò)程全部發(fā)生在云端。

是否值得為了這種便捷的集成而向語(yǔ)音服務(wù)供應(yīng)商提供上行數(shù)據(jù)完全取決于用戶。但是，云服務(wù)供應(yīng)商承擔(dān)了主要的工作，設(shè)備商需要做的很簡(jiǎn)單，實(shí)際上，由于接口的語(yǔ)音合成部分也發(fā)生在云端，Alexa只要完成最簡(jiǎn)單的功能，即播放并記錄錄音文件。既然不需要特別的信號(hào)處理功能，ARM處理器足以處理接口工作。這意味著，如果你的設(shè)備已配備ARM處理器，你就可能集成云計(jì)算語(yǔ)音接口。

事實(shí)上，關(guān)注Alexa等不能提供的服務(wù)也是非常重要的。Alexa不直接執(zhí)行任何一種設(shè)備控制或云集成。驅(qū)動(dòng)Alexa的許多“智能設(shè)備”都具備云計(jì)算功能，該功能由開(kāi)發(fā)商提供，可以利用Alexa的語(yǔ)音處理能力將驅(qū)動(dòng)輸入至現(xiàn)有的云應(yīng)用。例如，如果你告訴Alexa需要訂一個(gè)披薩，你最喜愛(ài)的披薩店則需要為Alexa編制一項(xiàng)“技能”。該項(xiàng)技能是一個(gè)可以在你訂披薩時(shí)定義工作內(nèi)容的代碼。當(dāng)你每次訂披薩時(shí)，Alexa都會(huì)調(diào)用該技能。該技能嵌入了可以為你下單的在線訂購(gòu)系統(tǒng)。同樣，智能家居設(shè)備制造商必須執(zhí)行Alexa如何與本地設(shè)備和在線服務(wù)相互作用的技能。亞馬遜自帶許多這樣的技能，加上第三方開(kāi)發(fā)者提供的技能，即便你沒(méi)有開(kāi)發(fā)任何技能，Alexa設(shè)備仍然可以非常有用。

混合：互聯(lián)自動(dòng)調(diào)溫器

有時(shí)，即使沒(méi)有連接互聯(lián)網(wǎng)，我們也有保證設(shè)備的某些基礎(chǔ)功能可以正常使用的需求。例如：在連不上網(wǎng)的時(shí)候，如果自動(dòng)調(diào)溫器不會(huì)自主調(diào)節(jié)溫度，這就會(huì)是一個(gè)很麻煩的問(wèn)題。為避免這種問(wèn)題的發(fā)生 ，一個(gè)好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師會(huì)設(shè)計(jì)一些本地的聲音處理功能，在功能上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。為了實(shí)現(xiàn)此功能，系統(tǒng)必須具有DSP，例如用于本地語(yǔ)音處理的C55XX和用于將已連網(wǎng)的接口連接至云端的ARM處理器。

語(yǔ)音觸發(fā)又是什么?

你也許已經(jīng)注意到了，直到現(xiàn)在我們還沒(méi)有提及新一代語(yǔ)音助手真正神奇的地方：那就是始終關(guān)注“觸發(fā)詞匯”。它們將如何追蹤你在房間內(nèi)任意位置所發(fā)出的聲音，或是當(dāng)設(shè)備播放音頻時(shí)，又如何聽(tīng)到你的聲音?實(shí)現(xiàn)這些其實(shí)并沒(méi)有什么特別神奇的地方，只需要一些智能化軟件。這類(lèi)軟件獨(dú)立于云端的語(yǔ)音接口，也能在系統(tǒng)離線的狀態(tài)下運(yùn)行。

這個(gè)系統(tǒng)最易理解的部分就是“喚醒詞匯”。喚醒詞匯是一個(gè)簡(jiǎn)單的本地語(yǔ)音識(shí)別程序，通過(guò)持續(xù)性采樣，在接收的音頻信號(hào)中尋找單個(gè)詞匯。由于大多數(shù)語(yǔ)音服務(wù)均樂(lè)意接受不含喚醒詞匯的音頻，因此該詞匯不需要指定任何特殊的語(yǔ)音平臺(tái)。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)這種功能的要求相對(duì)較低，所以通過(guò)利用Sphinx或KITT.AI等開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)在ARM處理器上即可完成操作。

為了聽(tīng)到你在房間內(nèi)任意位置發(fā)出的聲音，語(yǔ)音識(shí)別設(shè)備采用一個(gè)叫波束成型的流程。最重要的是，通過(guò)對(duì)比不同聲音的到達(dá)時(shí)間和麥克風(fēng)間的距離來(lái)確定聲音的來(lái)源。一旦確認(rèn)了目標(biāo)聲音的位置，設(shè)備就會(huì)采用如空間濾波等音頻處理技術(shù)來(lái)進(jìn)一步減少噪音并增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量。波束成型的實(shí)現(xiàn)取決于麥克風(fēng)的布局。真正實(shí)現(xiàn)360度識(shí)別則需要一個(gè)非線性麥克風(fēng)陣列(通常是圓形)。對(duì)于壁掛式設(shè)備而言，僅需兩個(gè)麥克風(fēng)就能啟用180度的空間辨別。

語(yǔ)音助手的最后一招是采用自動(dòng)回波消除(AEC)。AEC在某種程度上類(lèi)似于噪音消除耳機(jī)，但應(yīng)用恰好相反。該算法是利用已知的音樂(lè)等輸出音頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在噪音消除耳機(jī)利用這點(diǎn)來(lái)消除外部雜音，AEC消除了輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)在麥克風(fēng)上的影響。該設(shè)備能忽略自身產(chǎn)生的音頻，且無(wú)論揚(yáng)聲器播放何種內(nèi)容，其都仍然能接收。實(shí)現(xiàn)AEC需要大量的計(jì)算，其中在DSP中效果最佳。

為了實(shí)施喚醒識(shí)別、波束成型和AEC等以上提及的所有功能，則要求ARM處理器配合DSP共同工作：DSP增強(qiáng)了所有的信號(hào)處理功能，而ARM處理器控制設(shè)備邏輯和接口。DSP可在執(zhí)行輸入數(shù)據(jù)管路方面發(fā)揮重要的作用，由此最大限度地減少處理的延遲，從而提供更好的用戶體驗(yàn)。ARM可以自由運(yùn)行如Linux等高級(jí)操作系統(tǒng)以控制其它設(shè)備。這樣高級(jí)的功能全部發(fā)生在本地，若使用云服務(wù)，將只接收包含最終處理結(jié)果的單個(gè)語(yǔ)音文件。

結(jié)論

語(yǔ)音接口似乎已收獲了超高的人氣，并且將在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)以不同形式出現(xiàn)在我們的生活中。盡管有多種不同的處理方式可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音接口服務(wù)，但無(wú)論你的應(yīng)用需要何種裝置，TI都可以為你提供理想的選擇。

l使用針對(duì)語(yǔ)音應(yīng)用、采用66AK2G02的語(yǔ)音預(yù)處理系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻設(shè)計(jì)。

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