3
| 本文作者： 程弢 | 2016-08-24 20:16 | 專題：雷峰網(wǎng)公開課 |
語音識別是目前應(yīng)用最成熟的人機交互方式，從最初大家體驗過的有屏手持設(shè)備這種近場的語音識別，如Siri以及各種語音助手，到現(xiàn)在，語音識別的應(yīng)用已經(jīng)完成了向智能硬件以及機器人上延伸，不過，新的人機交互對硬件、算法要求更加苛刻，各企業(yè)正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
那么實現(xiàn)人機交互需要解決哪些問題？這其中的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？人機交互的未來趨勢如何？本期硬創(chuàng)公開課邀請了科大訊飛的研發(fā)主管趙艷軍為大家答疑解惑。雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)
分享嘉賓：趙艷軍，AIUI項目負(fù)責(zé)人，科大訊飛云平臺研發(fā)主管，負(fù)責(zé)訊飛開放平語音識別、語音合成、聲紋、喚醒等多項產(chǎn)品研發(fā)，同時負(fù)責(zé)人機交互解決方案AIUI的開發(fā)，致力于把核心技術(shù)更好的產(chǎn)品化，使人與機器的交流像人與人之間一樣簡單，自然。
語音作為目前人機交互的主要方式，大家如果使用過，應(yīng)該都能舉出一些例子。比如說話要靠近，發(fā)音要標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境要安靜，不能持續(xù)對話，不能打斷等。
不只是語音，包括圖像、障礙物檢測等技術(shù)，都會遇到這樣的問題，比如人臉的識別，對光線、角度、距離都有一定的要求。 歸結(jié)為一點就是，當(dāng)前人機交互在復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)性方面，還有很多問題需要解決。這還只是感知層面，另外還包括認(rèn)知層面，AI目前還不如我們想象的這么聰明，目前不能完全自主學(xué)習(xí)，仍然需要人的介入，比如知識庫的導(dǎo)入，機器行為的糾正等，都需要人的參與。
當(dāng)前的人機交互產(chǎn)品，在真正面對用戶時，在面對復(fù)雜環(huán)境時，魯棒性還不夠好。今天的分享，我們一起探討如何解決這些問題，不管是通過算法，還是工程，抑或產(chǎn)品，都是我們可以選擇的途徑。
大家首先要有個共識，人機交互目前所面臨的問題，不是一朝一夕，一蹴而就能解決的，需要在各個方向在核心技術(shù)上不斷進(jìn)步。
AIUI作為人機智能交互界面，旨在實現(xiàn)人機之間交互無障礙，使人與機器之間的交流，像人與人一樣，可以通過語音、圖像、手勢等自然交互的方式，進(jìn)行持續(xù)，雙向，自然地溝通。它由一套由云和客戶端相結(jié)合服務(wù)框架構(gòu)成，包括音視頻前端信號處理、云+端相配合交互引擎、內(nèi)容和知識平臺以及接口、用戶個性化系統(tǒng)等。平臺具備開放性，第三方可進(jìn)行靈活配置、業(yè)務(wù)擴展、內(nèi)容對接等。
以前的語音交互產(chǎn)品，包括訊飛在內(nèi)，大家提供的都是單點的能力，比如語音合成、語音喚醒、語音識別、語義理解，另外還有人臉識別、聲紋識別等。大家拿到這么多產(chǎn)品和能力，需要花很大的工作量，去開發(fā)人機交互功能。
這種方式問題比較明顯：
一方面是產(chǎn)品集成的工作量太大，造成很多中小開發(fā)者無力去承擔(dān)這部分工作量；
另外就是因為交互流程太長，細(xì)節(jié)不好處理，造成各家產(chǎn)品的交互體驗參差不齊。
所以AIUI交互方案首先要解決的就是這個問題。AIUI是把麥克風(fēng)陣列、前端聲學(xué)處理、語音喚醒、端點檢測、語音識別、語義理解、語音合成等技術(shù)在整個交互鏈上進(jìn)行深度融合的系統(tǒng)。
而且AIUI還支持了全雙工、多輪交互等新特性，并在單點技術(shù)上進(jìn)行突破和演進(jìn)，包括聲源定位與追蹤、持續(xù)在線，有效人聲智能檢測、基于用戶意圖的動態(tài)語音端點檢測、支持上下文交互的語義理解、基于對話場景自適應(yīng)的語音識別等。
首先，人機之間的語音交互（這里主要指智能硬件、機器人等），區(qū)別于傳統(tǒng)的有屏手持設(shè)備，在傳統(tǒng)的語音交互中，因為是近場，語音信號質(zhì)量相對較高，而且有觸摸屏輔助，所以交互鏈路可以相對簡單。通過點擊屏幕觸發(fā)，再通過點擊屏幕或者能量VAD檢測，來結(jié)束語音信號采集，即可完成一次交互，整個過程通過語音識別、語義理解、語音合成即可完成。
而對于人機之間的交互，由于涉及到遠(yuǎn)場，環(huán)境比較復(fù)雜，而且無屏交互，如果要像人與人之間的交流一樣自然、持續(xù)、雙向、可打斷，整個交互過程需要解決的問題更多，AIUI為完成類人的語音交互，是一個需要軟硬件一體、云+端相互配合的過程。
我們來看下交互的整個流程，從大的方面來說，還是以語音識別、語義理解、語音合成為主線，只不過每個過程需要解決更多的問題。
首先來看下語音喚醒，喚醒是人機交互的主要觸發(fā)方式，就像你要和一個人說話，就得首先喊一下這個人的名字，才能開始進(jìn)行交流。而在交流的過程中，如果有其他人喊你呢，你也是需要響應(yīng)的，需要支持持續(xù)喚醒。
機器被喚醒后，就需要知道說話人的方位，這樣機器才可以做出更友好的響應(yīng)，比如轉(zhuǎn)身，移動等。只有明確說話人的方位后，才可以定向的拾音，做降噪處理，同時對說話人進(jìn)行語音增強。這個聲源定位和語音增強主要是用麥克風(fēng)陣列的相關(guān)技術(shù)，下面會有詳細(xì)解釋。
在語音識別這個重要模塊中，首先要解決的就是遠(yuǎn)場識別，通過上面提到的麥克風(fēng)陣列和聲源定位，可以較好的實現(xiàn)遠(yuǎn)距離拾音，解決噪聲、混響、回聲帶來的影響。作為全雙工交互，持續(xù)的音頻流拾取，就要解決人聲檢測和斷句問題，機器需要能夠過濾無效語音，做出快速的反饋和響應(yīng)。
人聲和端點的檢測不能只依賴于能量檢測的技術(shù)方案，需要解決更為復(fù)雜的環(huán)境，具體怎么解決呢，下面再展開。
對于識別來說，首先要保障的是遠(yuǎn)場環(huán)境下的識別率，除了前面提到的麥克風(fēng)陣列解決了前端聲學(xué)的問題，還要有專門針對遠(yuǎn)場環(huán)境下，基于大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練的聲學(xué)模型，這樣才能保證識別率滿足交互需求。
除了云端的語音識別，端上的識別也是需要做的，需要云+端方式進(jìn)行結(jié)合，這樣才能滿足復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下的使用場景。不過端上主要是去做一些命令式交互，響應(yīng)一些本地操作。比如關(guān)機、打電話、動作指令等。
本地不做成無限制的響應(yīng)呢，因為對于很多的用戶意圖來說，是需要基于網(wǎng)絡(luò)去獲取內(nèi)容的，所以本地只做輔助使用，是為了解決一些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境所做的手段。這個地方的難點是需要做好云和端的PK策略，需要基于置信度、響應(yīng)時間等信息來綜合決策。作為持續(xù)的語音交互，不可避免要吸收很多無效的語音，拒識成為必須，否則會造成對話的混亂和無意義的響應(yīng)。
對于支持多輪的交互理解，語義引擎不再是無狀態(tài)的，系統(tǒng)更加復(fù)雜，需要有對話管理、歷史信息存儲等模塊。語義理解不只包含用戶說話意圖，還要包括內(nèi)容的獲取，這樣才能在接下來的端點檢測、語音識別等交互過程中，共享信息，做到場景自適應(yīng)，以提高準(zhǔn)確率。
完成語音識別和語義的理解后，機器需要通過語音合成，把信息傳遞給用戶。合成這一塊沒有太多需要展開的，訊飛提供了幾十種不同的發(fā)音人，而且支持不同情感進(jìn)行朗讀，至于該以何種情境、情感進(jìn)行播報，這是在語義理解中需要給出的信息。相比傳統(tǒng)的交互，現(xiàn)在的流程會看起來復(fù)雜很多。
遠(yuǎn)場識別，需要前后端結(jié)合去完成，一方面在前端使用麥克風(fēng)陣列硬件，通過聲源定位及自適應(yīng)波束形成做語音增強。在前端完成遠(yuǎn)場拾音，并解決噪聲、混響、回聲等帶來的影響。
不過這還不夠，因近場、遠(yuǎn)場的語音信號，在聲學(xué)上有一定的規(guī)律差異，所以在后端的語音識別上，還需要結(jié)合基于大數(shù)據(jù)訓(xùn)練、針對遠(yuǎn)場環(huán)境的聲學(xué)模型，這樣才能較好解決識別率的問題。
全雙工交互，是一個全鏈路的貫穿過程，不只是持續(xù)的拾音和網(wǎng)絡(luò)傳輸，更需要包括持續(xù)的語音喚醒、智能有效人聲檢測、動態(tài)語音端點檢測、無效語音拒識等各個模塊相互配合，才能完成。
支持連續(xù)的語音喚醒是必須。在傳統(tǒng)的語音喚醒方案中，是一次喚醒后，進(jìn)行語音識別和交互，交互完成再進(jìn)入待喚醒狀態(tài)。但是在實際人與人的交流中，人是可以與多人對話的，而且支持被其他人插入和打斷。AIUI中語音喚醒采用BN（Bottle Neck）技術(shù)方案，支持低功耗的待機。
全雙工交互作為一個持續(xù)的交互過程，語音識別和語義理解，需要能夠做出快速的響應(yīng)。這就需要人聲檢測和智能斷句。傳統(tǒng)的斷句是基于能量的檢測來判定，但是有兩個主要缺點，一是無法過濾噪音和無效的語音，另外就是對說話人的要求較高，中間不能有停頓。如果后端點設(shè)置的太短，容易造成截斷；后端點太長，又會造成響應(yīng)不及時。
AIUI的做法是，采用基于模型的有效人聲智能檢測和基于用戶意圖的動態(tài)語音端點檢測?；谀Ｐ偷臋z測可以有效解決噪音和無效語音。這塊主要是通過采集不同環(huán)境的噪音，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練出對應(yīng)聲學(xué)模型，進(jìn)行過濾，把有效的語音傳送到云端進(jìn)行交互。
動態(tài)端點檢測算法實現(xiàn)從連續(xù)輸入的數(shù)據(jù)流中檢測出包含完整用戶意圖的語音送入語義理解模塊，可以很好的解決用戶的停頓，因為在人機的交流過程中，在一句包含完整意圖語音中，停頓是很常見的現(xiàn)象，這在我們對用戶的行為分析中得到驗證。
另外在持續(xù)的語音交互過程中，必然會有無效的語音和無關(guān)說話內(nèi)容被吸收進(jìn)來，所以拒識是必須。在AIUI系統(tǒng)中，我們針對全雙工交互中的這個問題，專門構(gòu)建了一套基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拒識系統(tǒng)，從聲學(xué)信號、語義等多個方面對接收的語音進(jìn)行拒識判斷。
同樣的，對于多輪交互中的語義理解和對話管理兩個模塊，我們也采用深度學(xué)習(xí)+海量數(shù)據(jù)的方式，使用用戶的實際數(shù)據(jù)，訓(xùn)練魯棒的語義理解和對話管理模型。
結(jié)合基于LSTM（長短時記憶）的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使得模型具有長時記憶的能力，結(jié)合對話上下文進(jìn)行準(zhǔn)確的語義理解，相信配合科大訊飛深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+大數(shù)據(jù)+“漣漪效應(yīng)”的研究思路，我們的多輪交互會越來越準(zhǔn)確、好用。
大家通過上圖可以看到，現(xiàn)實環(huán)境中噪音、混響、人聲干擾、回聲等因素，帶來的影響因素還是比較大的，我們一般是通過麥克風(fēng)陣列來解決。
麥克風(fēng)陣列是利用一定數(shù)目，一定空間構(gòu)型的聲學(xué)傳感器（一般是麥克風(fēng)）組成，用來對聲場的空間特性進(jìn)行采樣并處理的系統(tǒng)。麥克風(fēng)陣列能做很多事情，對于環(huán)境噪聲，它可以采用自適應(yīng)波束形成做語音增強，從含噪語音信號中提取純凈語音；對于說話人說話位置的不確性，它可以通過聲源定位技術(shù)來計算目標(biāo)說話人的角度，來跟蹤說話人以及后續(xù)的語音定向拾?。粚τ谑覂?nèi)聲音反射，導(dǎo)致語音音素交疊，識別率較低的問題，它可以通過去混響技術(shù)，減小混響，提高識別率。
線性、環(huán)形、球形麥克風(fēng)在原理上并無太大區(qū)別，只是由于空間構(gòu)型不同，導(dǎo)致它們可分辨的空間范圍也不同。比如，在聲源定位上，線性陣列只有一維信息，只能分辨180度；環(huán)形陣列是平面陣列，有兩維信息，能分辨360度；球性陣列是立體三維空間陣列，有三維信息，能區(qū)分360度方位角和180度俯仰角。
其次麥克風(fēng)的個數(shù)越多，對說話人的定位精度越高，但是定位精度的差別體現(xiàn)在交互距離的遠(yuǎn)近上，如果交互距離不是很遠(yuǎn)，5麥和8麥的定位效果差異不是很大。此外，麥克風(fēng)個數(shù)越多，波束能區(qū)分的空間越精細(xì)，在嘈雜環(huán)境下的拾音質(zhì)量越高，但是在一般室內(nèi)的安靜環(huán)境下，5麥和8麥的識別率相差不是很大。麥克風(fēng)個數(shù)越多，成本也越高，具體的產(chǎn)品，要綜合考慮應(yīng)用場景和實際的產(chǎn)品定位，選擇合適的麥克風(fēng)個數(shù)和陣型。
復(fù)雜的環(huán)境，一方面是外在環(huán)境的復(fù)雜，另一方面是方言和口音。外在環(huán)境復(fù)雜包括噪聲、混響、回聲等，而且噪音又分為不同的會議室、戶外、商場等不同環(huán)境，為了解決這些問題，除了單通道語音增強技術(shù)，現(xiàn)在基本是采用上面提到的麥克風(fēng)陣列硬件和相關(guān)算法實現(xiàn)。
在方言、口音方面，大家都知道，在我們國家，幾十種方言，每個人都有自己的獨特口音，一般的解決方法的是基于各種方言數(shù)據(jù)，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練各種方言模型，以提高識別率，這是業(yè)內(nèi)的通用做法。
為解決兩方面的問題，訊飛正通過以下的技術(shù)方案，去適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的要求。包括以下方面：
1） 提供條形、環(huán)形、球形的四麥、五麥、八麥等多種不同的麥克風(fēng)陣列構(gòu)型，以適應(yīng)不同的產(chǎn)品需求，比如叮咚音箱采用的就是環(huán)形8麥的方案。
麥克風(fēng)陣列技術(shù)雖然已經(jīng)可以達(dá)到相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平，但是總體上還是存在一些問題的，比如當(dāng)麥克風(fēng)和信號源距離太遠(yuǎn)時(比如10m、20m距離)，錄制信號的信噪比會很低，算法處理難度很大;對于便攜設(shè)備來說，受設(shè)備尺寸以及功耗的限制，麥克風(fēng)的個數(shù)不能太多，陣列尺寸也不能太大。而分布式麥克風(fēng)陣列技術(shù)則是解決當(dāng)前問題的一個可能途徑。
所謂分布式陣列就是將子陣元或子陣列布局到更大的范圍內(nèi)，相互之間通過有線或者無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和共享，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣義上的聲源定位、波束形成等技術(shù)實現(xiàn)信號處理。
相對于目前集中式的麥克風(fēng)陣列，分布式陣列的優(yōu)勢也是非常明顯的。首先分布式麥克風(fēng)陣列(尤其無線傳輸)的尺寸的限制就不存在了;另外，陣列的節(jié)點可以覆蓋很大的面積?？倳幸粋€陣列的節(jié)點距離聲源很近，錄音信噪比大幅度提升，算法處理難度也會降低，總體的信號處理的效果也會有非常顯著的提升，目前科大訊飛已經(jīng)開始了相關(guān)技術(shù)研究的布局工作。
2）不同環(huán)境的語音識別聲學(xué)模型，如上面提到的遠(yuǎn)場拾音，專門針對遠(yuǎn)距離拾音的環(huán)境進(jìn)行訓(xùn)練；
3）在方言方面，訊飛支持普通話、粵語等20多種方言，是目前涵蓋方言范圍最廣的。積累了一定量的多方言資源庫，并基于特殊的深度神經(jīng)網(wǎng)路結(jié)構(gòu)和上線數(shù)據(jù)的半監(jiān)督訓(xùn)練，實現(xiàn)了多方言數(shù)據(jù)信息的共享和方言的自動迭代更新。
另外方言最大的難點，在于方言的自適應(yīng)，如何能夠根據(jù)用戶的語音，自動匹配模型，訊飛已經(jīng)驗證完成。
4）在口音的適配方面，訊飛已經(jīng)有一套完整的基于用戶的訓(xùn)練系統(tǒng)，可以針對每個用戶，建立閉環(huán)的優(yōu)化流程，為每個用戶建立自己的個性化聲學(xué)模型，目前正在訊飛輸入法試點，對于一些注冊用戶進(jìn)行灰度體現(xiàn)；
5）基于特定人群的模型訓(xùn)練，目前已經(jīng)為面向兒童的玩具方案，專門訓(xùn)練針對兒童的聲學(xué)匹配模型；
6）為每個應(yīng)用、每個用戶，提供個性化的語言模型；
AIUI對外完全開放，不管是個人開發(fā)者還是公司，在我們的平臺上都可使用。因AIUI需要與硬件相結(jié)合，所以現(xiàn)在是以評估板的形式開放。如果評估效果滿足產(chǎn)品需求，我們提供模塊或者軟核的方式支持產(chǎn)品量產(chǎn)。
開放平臺除了提供整體的方案和幾十個業(yè)務(wù)場景，還提供產(chǎn)品的個性化定制能力，主要包括喚醒詞定制、發(fā)音人定制、交互語義理解定制、語音識別資源定制、流程參數(shù)配置等，這些都是在Web平臺上開放的功能，開發(fā)者可以根據(jù)產(chǎn)品需求，在平臺上進(jìn)行個性化的配置和編輯。
如語義開放平臺，提供私有語義編寫、自定義問答導(dǎo)入，這一塊相信是大家最為關(guān)心的，每個機器人如何回答用戶的提問，主要就通過這方面來體現(xiàn)。
還有很重要一點，AIUI允許第三方系統(tǒng)接入，AIUI作為可擴展的伸縮服務(wù)，經(jīng)過語音云處理的識別和語義結(jié)果，只要在平臺上配置，第三方業(yè)務(wù)系統(tǒng)即可通過Http服務(wù)接入，以滿足更為復(fù)雜的個性化需求。
當(dāng)然訊飛開放平臺還提供深度的定制服務(wù)，包括喚醒詞訓(xùn)練、發(fā)音人訓(xùn)練、語義及內(nèi)容制作等。通過平臺開放和深度定制兩種方式，可以滿足各個產(chǎn)品之間的差異化。
融合必然是未來人機交互的趨勢。
以AIUI為例，在定義之初，就沒有把語音作為唯一的交互方式，而是把它設(shè)想為結(jié)合了人臉、人體追蹤、手勢、紅外等多種方式為一體的人機交互解決方案。
我們也在不斷的嘗試把語音和其他方式相結(jié)合，比如我們現(xiàn)在已經(jīng)上線的人臉、聲紋融合身份驗證，即是最直接的例子，通過這種方式將能夠有效解決用戶的身份認(rèn)證問題。
在AIUI中，也有很多的場景需要借助于不同方式來相互配合。舉個例子，在AIUI中，為解決遠(yuǎn)場的持續(xù)交互，使用了麥克風(fēng)陣列，采用定向拾音的方式來解決這個問題，但是由于定向拾音的角度有限，造成持續(xù)交互過程中，說話人的移動成為問題，這個時候，就需要有移動的聲源定位和追蹤，簡單依靠聲音的辨識和追蹤，很難有效解決這個問題，這個時候如果能結(jié)合人體的追蹤，比如圖像和紅外手段，將可以進(jìn)一步降低出錯概率。其他的場景還有人的年齡、性別等屬性識別，如果采用圖像、聲音相結(jié)合方式，將可以極高提升精準(zhǔn)度，提升機器的感知能力，AI也將更加智能。
（如果大家對科大訊飛的AIUI感興趣，可以點擊AIUI查看詳細(xì)信息。）
雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。
專題
