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超材料語音定位系統 再吵也聽得到你!

上網時間: 2015年08月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:超材料  語音定位  演算法  麥克風  聲學 

美國杜克大學(Duke University)的研究人員開發出一種以超材料為基礎的語音定位系統,據稱可在嘈雜的室內從一群人的吵鬧聲音中辨識出某個人的聲音。

這項新技術據稱可解決傳統的「雞尾酒會問題」。它利用一種採用超材料的圓形結構,在其上的每個扇形單位晶格中陷入不同深度的孔洞,通向圓形結構中央的麥克風。由圓形結構頂部傳過的聲波採用與汽水瓶相同的原理發出聲音,讓嵌入式電路區別聲音傳來的方向。

目前在視訊相機與智慧型手機上的語音縮放選項,可將波束引導到某種特定語音,並利用多支麥克風與複雜的演算法在許多聲音中進行挑選。然而,根據杜克大學表示,這種超材料圓形結構的單位晶格只需利用一支麥克風定位聲學方向以及先進的演算法,即可實現更優質的成果。

「在這項研究中的超材料直接調變聲波,而不必先將聲波轉成電訊號,」與Ken Steven共同進行研究的博士班研究生Abel Xie表示,「每個超材料單元電池在特定頻率時改變聲音的振幅與相位。這些單位晶格的特性是隨機的,因此每個扇區(或插槽)都具有獨特的聲波調變機制。透過可利用演算法區隔的超材料,使得這些來自各個方向的聲波能以不同的方式進行編碼。」


超材料圓形結構可在人群擁擠的嘈雜室內定位某種特定的聲音,易於辨識語音指令。
(來源:Duke University)

從超材料圓形結構的每個扇區或插槽所發出的聲音不只具有一定的響度,它還分別具備了振幅和相位調變,讓演算法得以有效辨識。

「每個扇區或插槽都是一個編碼通道,而且還為通過的聲波加上一個獨特的『簽署』符號,」Xie表示,「技術上來看,這種簽署符號高度取決於各通之間彼此完全不相同的振幅與相位調變。當演算法掌握這種調變訊號後,就能區別出混雜的聲音,使其輸出高傳真的聲音。」

這種超材料原型結構實現商用化的最大工程阻礙在於尺寸太大,但杜克大學的研究人員宣稱他們能將設計縮小,只要改變材料以及高真實度的要求,即可使其縮小用於智慧型手機中。


超材料圓形結構在周圍360°的範圍內定位遠方聲音的測試準確度超過96.7%
(來源:Duke University)

「首先,除了在這項研究中所使用的空氣填充腔以外,我們目前正致力於研究其它類型的聲學超材料,期望能以更小體積打造出類似的調變機制。其次,該原型可針對特定應用實現微型化,例如,在遊戲機中的語音辨識功能,我們也許不需要太大的感測能力以及像原型研究中的全視角範圍,因而能使尺寸做得更小些,」Xie表示。

該技術可望讓智慧型手機用戶在遠處對著自己的手機說話,即使是在吵鬧的環境中也不成問題。其它的應用還包括用於改善語音命令電子、醫療感測裝置、超音波影像、助聽器以及人工耳蝸的語音真實度。


超材料圓形結構的尺寸相當大,在得以商用化以前,還必須加以縮小到智慧型手機的大小
(來源:Duke University)

這項主題為《Single-sensor ‘cocktail party listening’ with acoustic metamaterials》的研究細節已發表在美國國家科學院(National Academy of Sciences)出版的論文集中。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Metamaterials Single-Out One Voice,by R. Colin Johnson)





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