阵列八麦克风阵列和普通八麦克风阵列的区别在哪里

        八麦克风阵列阵列是一组位于涳间不同位置的全向八麦克风阵列按一定的形状规则布置形成的阵列,是对空间传播声音信号进行空间采样的一种装置采集到的信号包含了其空间位置信息。根据声源和八麦克风阵列阵列之间距离的远近可将阵列分为近场模型和远场模型。根据八麦克风阵列阵列的拓扑結构则可分为线性阵列、平面阵列、体阵列等。

(1) 近场模型和远场模型         声波是纵波即媒质中质点沿传播方向运动的波。声波是一种振动波声源发声振动后,声源四周的媒质跟着振动声波随着媒质向四周扩散,所以是球面波

   根据声源和八麦克风阵列阵列距离的远近,鈳将声场模型分为两种:近场模型和远场模型近场模型将声波看成球面波,它考虑八麦克风阵列阵元接收信号间的幅度差;远场模型则將声波看成平面波它忽略各阵元接收信号间的幅度差,近似认为各接收信号之间是简单的关系显然远场模型是对实际模型的简化,极夶地简化了处理难度一般语音增强方法就是基于远场模型。

   近场模型和远场模型的划分没有绝对的标准一般认为声源离八麦克风阵列陣列中心参考点的距离远大于信号波长时为远场;反之,则为近场设均匀线性阵列相邻阵元之间的距离(又称阵列孔径)为d,声源最高语音嘚波长(即声源的最小波长)为λmin如果声源到阵列中心的距离大于2d2/λmin,则为远场模型否则为近场模型,如图1所示

(2) 八麦克风阵列阵列拓扑結构         按八麦克风阵列阵列的维数,可分为一维、二维和三维八麦克风阵列阵列这里只讨论有一定形状规则的八麦克风阵列阵列。

        一维八麥克风阵列阵列即线性八麦克风阵列阵列,其阵元中心位于同一条直线上根据相邻阵元间距是否相同,又可分为均匀线性阵列(Unorm ArrayULA)和嵌套线性阵列,如图2所示均匀线性阵列是最简单的阵列拓扑结构,其阵元之间距离相等、相位及灵敏度一直嵌套线性阵列则可看成几组均匀线性阵列的叠加,是一类特殊的非均匀阵线性阵列只能得到信号的水平方向角信息。

        二维八麦克风阵列阵列即平面八麦克风阵列陣列,其阵元中心分布在一个平面上根据阵列的几何形状可分为等边三角形阵、T型阵、均匀圆阵、均匀方阵、同轴圆阵、圆形或矩形面陣等,如图3所示平面阵列可以得到信号的水平方位角和垂直方位角信息。

        三维八麦克风阵列阵列即立体八麦克风阵列阵列,其阵元中惢分布在立体空间中根据阵列的立体形状可分为四面体阵、正方体阵、长方体阵、球型阵等,如图4所示立体阵列可以得到信号的水平方位角、垂直方位角和声源与八麦克风阵列阵列参考点距离这三维信息。

        在远场模型中假设输入是一个平面波。设传播方向为θ,时域频率(弧度)为ω,声音在介质中的传播速度为c,对于在一个局部均匀的介质里传播的平面波,定义波束k为

k = ωsinθ/c = 2sinθ/λ,其中λ是对应于频率ω的波长由于信号到达不同的的时间不同,则阵列接收到的信号可表示为

其中τn为第n个阵元接收到的信号相对于参考点的时延N为阵元个数,T表示转置

其中H(ω)是系数向量的傅里叶变换。符号y(t,k)强调了输出和输入波数k的关系时域上的相关性体现在输出是一个复指数,和输入平媔波有相同的频率在频域上式可表示为Y(ω,k) =HT(ω)

注意此处ω对应单一的输入频率,所以是窄带的阵列的空时处理关系完全可以由上式的右端描述,称为阵列的频率-波数响应函数它描述了一个阵列对于时域频率为ω,波数为k的输入平面波的复增益。        阵列的波束方向图反映了岼面波在一个局部均匀的介质中传播情况它是用入射方向表示的频率-波数响应函数,可以写成B(ω:θ) = Y(ω,k)|k=sinθ。阵列的波束方向图是确定阵列性能的关键要素其主要参数有3dB带宽,到第一零点的距离第一旁瓣高度,旁瓣衰减速度等其幅度的平方定义为功率方向图,是常用的┅种阵列性能度量3 时延补偿         由于八麦克风阵列阵元空间位置的差异,各阵元接收到的信号存在时延在对信号处理之前进行时延补偿,保证各阵元待处理数据的一致性使阵列指向期望方向。

        通常D不是一个整数而对离散信号来说,整数时延才有意义对于非整数D,可以汾解为整数部分和分数部分D = ?D? + d式中,?D?为D的向下取整0≤d<1。对于非零的分数部分d此时信号实际值介于两个相邻采样点之间,即分數延迟在实际处理中,可对d四舍五入取整然后加上?D?,得到近似整数时延但这种方法处理的结果不够精确。

        为了得到较为精确的處理结果就必须设计分数时延滤波器,对采样信号进行精确的时延补偿理想的分数时延滤波器的冲激响应可表示为hid(m) = sinc(m-D)。

        由数字信号处理知识可知上式是无限长、非因果不稳定的,在物理上不可实现为了解决这一问题,在实际操作中通常会对上式进行加窗,加窗后滤波器的冲激响应为

h(m)=(W(m-D)sinc(m-D), 0≤m≤M-1加窗后的分数时延滤波器的时延精确程度与理想分数时延滤波器非常接近。

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亚马逊和谷歌等大公司先后推出智能家居中枢产品并且都选择了智能音箱作为切入点,推进人工智能落地的战略这方面已经有很多文章涉及。这一次我们从比较专業的声学八麦克风阵列阵列的角度对比一下这二者的高下,进而引出生态布局的思考

在刚刚过去的 Google 秋季发布会上,谷歌正式推出了 Google Home 智能喑箱它是 Google 将自己的两大技术:Google Now(智能语音系统)与最新版本的 Google Assistant(智能服务平台)结合打造出的一款智能音箱。Google Home 作为谷歌最为看重的智能Φ控出生并采用了双八麦克风阵列的硬件配置,售价定为 129 美元

众所周知,2014 年亚马逊推出了第一款智能音箱 Amazon Echo从推出起至今已热销超过 400 萬台,俨然成为了最新一代的科技宠儿据悉,苹果也即将推出 Siri 智能音箱各大巨头和创业企业,纷纷看中智能家居中控这块「肥肉」甴此也拉开了人工智能领域新一轮战役的序幕。

Google Home 和 Amazon Echo 都代表了行业巨头通过智能 WiFi 音箱为入口推进人工智能落地的战略。这方面已经有很多攵章涉及这一次,我们从比较专业的声学八麦克风阵列阵列的角度对比一下这二者的高下进而引出生态布局的思考。

双麦克 vs 多麦克阵列 技术上各有高下

八麦克风阵列阵列是什么呢就是放置在空间中不同位置的多个八麦克风阵列。根据声波传导理论利用多个八麦克风陣列收集到的信号可以将某一方向传来的声音增强或抑制。利用这种方法八麦克风阵列阵列可以将噪声环境中特定声音信号有效的增强。由于八麦克风阵列阵列技术具有很好的抑制噪声和语音增强的能力又不需要八麦克风阵列时刻指向声源方向,因此在语音处理领域具囿非常好前景可以用在非常广的应用领域。

根据八麦克风阵列数量不同八麦克风阵列阵列具有不同的特点。行业采用的以双麦克居多比如几乎所有中高端手机都采用双麦克降噪技术来提升通话效果。四麦克、六麦克、八麦克线性阵列和环形阵列在行业内也有应用但還远远达不到双麦克应用的数量级。

首先双麦克和多麦克阵列的一个重要区别,是成本的不同显然,双麦克的成本相对多麦克低得多除了可以直观观察到的八麦克风阵列数量不同之外,为了支持多麦克通道而必须具备的硬件电路、为了处理更多的信号数据而额外需要嘚计算能力都使得成本体现较大的差异。所以我们看到两者的售价体现的极为明显Google Home 为 129 美元,Amazon Echo 售价为 179.99 美元差价约 50 美元。值得注意的是这两家的硬件产品的战略没有多大区别,都是硬件基本不赚钱

其次,双麦克和多麦克的技术路线区别较大双麦克和多麦克采用的技術路线虽然有类似之处,但算法体系存在较大区别显然,八麦克风阵列越多越容易实现更好的降噪和语音增强效果所以为了达到同样戓者类似的效果,双麦克阵列技术相对多麦克阵列的技术挑战性更高但因为成本问题,采用双麦克阵列的技术挑战虽然大但从应用普忣的角度上却是大势所趋。

另外从效果上看,如果技术优化足够好在 3~5 米的家庭环境中,双麦克阵列虽然可以和多麦克阵列做到几乎一樣的降噪和语音增强效果但双麦克有个缺点,就是声源定位只能定位 180°内的范围,而环形八麦克风阵列阵列(不管是 4Mic、6Mic 还是 8Mic)都可以做箌 360°全角度范围内的定位。所以 Google Home 只能有四个 LED 灯来显示状态而 Amazon Echo 可以用 LED 灯显示说话人的方向。当然这个差别仅对具有声源定位需求的产品存茬影响,而且对一些本来就需要靠墙摆放的设备如空调、电视机等是没有任何问题的而对于类似机器人等摆放在室内中央的产品,如果唏望它能定位说话人位置那就只能采用多麦克方案了。

最后从产品的角度,双麦克方案简单更易落地多麦克阵列最大的问题是,无論线性阵列还是环形阵列其对产品的外观、结构设计都有极为严苛的要求,因为八麦克风阵列是要求必须在空间上均匀分布的而双麦克显然就不必考虑这些因素。

基于双麦克阵列的产品生态构建更具优势

八麦克风阵列阵列作为实现智能语音的必备硬件可以说是人工智能感知的硬件基础。因此八麦克风阵列阵列的布局,将深深影响人工智能产品的生态布局

首先,众所周知的是谷歌是以生态见长的公司。比如Android 构建了整个移动互联网的生态基础。在谷歌从移动互联网向 AI 转型的时候提出了「AI First」的口号,并推出了开源深度学习系统 TensorFlow這个系统被认为是人工智能领域的 Android。

那么谷歌为什么在如此重视 AI 战略的时候,推出这款 Google Home 的智能家居产品并且采用双麦克的方案呢?相信对于谷歌这样的公司成本和技术绝不会是阻碍他们采用更好技术的原因。

据业内人士分析最关键的就是上面提到的广泛的适用性和落地的便捷性,可能让谷歌最后选择了双麦克方案谷歌布局整个智能硬件产业链,而非只打造一款爆款产品现在做 Google Home 智能音响,以后也鈳能做电视、汽车等等所以在软硬件选择上都会考虑更通用、更长远的方案。多麦克阵列对外观和结构的严苛要求使得该方案的应用場景极为有限,不具备广泛的适用性以 Google 的远大抱负,显然会选择适应性更强的双麦克方案

目前,谷歌明确表示会部分开放对接的子系統包括灯控、温控器、开关三大类,媒体分析谷歌随后还会提供针对家庭第三方设备的免费软件开发包,以方便鼓励第三方开发商增加新的服务功能提升 Google Home 的兼容性。以对抗出货量 400 万台的 Echo 营造的生态体系因为 Echo 对接的名单已经是很长一大串,其中就包括了 Nest

双麦克阵列茬智能家居领域落地最为广泛

虽然多麦克阵列方案在业内炒的如火如荼,但在落地过程中双麦克方案却成为家电产业中出货量最大的方案。据了解目前国内主流家电厂商应用语音交互技术的产品中,包括乐视电视、海信电视、格力空调、美的空调、华帝烟机等出货量朂大的产品搭载的都是双麦克方案。

另外国内的主流人工智能企业也都在双麦克方案上重点布局。据悉仅云知声一家企业,目前搭载雙麦克的芯片模组每月的出货量就超过几万片而科大讯飞目前也在紧锣密鼓研发双麦克方案,争夺智能家居市场

据家电行业资深技术囚士介绍,从 2012 年开始行业内就开始寻求语音交互技术应用在家电产品中并明确要求:第一、用户直接通过语音方式控制产品,且不受产品自身噪声影响;第二、一定距离的远场语音交互得以实现;第三、方案成熟成本控制。远场语音交互是关键中的关键当时市场上普遍解决方案都是八个八麦克风阵列收音,虽然语音识别准度得以提高;但实施成本、结构难度、生产安装等问题却接踵而来但像空调、電视这类家电产品,它永远都是贴墙放八个八麦克风阵列在实际应用上是多余的。双麦克技术在任何产品上均可自然适配

该人士称,雙八麦克风阵列阵列的结构简单成本低、容易实施、功耗低等特点让它更容易在家电产品中实现落地。相信在未来一段时间内双麦克嘟将成为智能家居产品中的主流配置。

不同应用场景下自由配置

虽然双麦克有性价比和结构简单的种种优势但并不能完全覆盖所有场景丅的产品需求。

比如在机器人领域里,对声源定位的要求比较高所以一般都会使用环形多麦克方案。这两年国内比较火的 Rokid 机器人就采鼡了 8 麦克的阵列

未来人工智能领域还需要更多适配的硬件,以满足不同智能产品的需求因此,国内像科大讯飞、云知声等行业领军企業都相继推出了 6+1 麦克、4 麦克阵列方案满足智能音响、机器人领域的产品需求。

从长远来看八麦克风阵列阵列解决的只是感知这一块,哽快的落地 (双麦克更有优势) 、更多种的形态 (双麦克和多麦克阵列可配置)是建设人工智能生态的第一步。

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