科技| AI耳机打造“声音气泡”  隔绝几英尺外所有声音

[星岛综合报道]想像一下：你在办公室工作，戴着降噪耳机以减少周围的噪音。一位同事走到你的办公桌前，问了一个问题，而你不需要摘下耳机，也不会说“什么？”就能清楚听到问题。同时，远处的饮水机边聊天声依然被静音。或者，想像自己在一间嘈杂的餐厅，能清楚听到桌上每个人的谈话，但餐厅里其他的声音被减弱。

由华盛顿大学研究人员领导的团队开发了一款耳机原型，让使用者能创建这样的“声音气泡”。团队运用人工智能算法结合耳机原型，让佩戴者能清楚听到气泡内、半径3至6英尺内的人说话的声音，而气泡外的声音则被平均降低49分贝（约等于吸尘器声与树叶沙沙声之间的差异），即使气泡外的声音比气泡内的声音更大声也能如此。

团队于11月14日在《自然电子学》（Nature Electronics）上发表了研究成果，并将这款概念证明装置的代码公开，供其他人改进和应用。目前，研究人员正在创建一家初创公司以将这项技术商业化。

“在人类周围有多种声音来源的情况下，我们并不擅长通过声音感知距离，”华盛顿大学保罗·G·艾伦电脑科学与工程学院教授，也是此研究的资深作者Shyam Gollakota说。“在像嘈杂的餐厅这样的地方，我们专注于身边人的能力有限，所以在可穿戴设备上创建声音气泡以往是不可能的。我们的AI系统能实时学习房间内每个声源的距离，并在耳机装置本身内以8毫秒的速度进行处理。”

研究人员利用市面上的降噪耳机创建了原型，并在头带上附加了六个小型麦克风。团队的神经网络运行在耳机附带的小型嵌入式电脑上，负责追踪不同声音到达各个麦克风的时间差。系统会遏制来自气泡外的声音，同时回放并略微增强气泡内的声音（因为降噪耳机会物理性地允许一些声音通过）。

“我们曾在一个智能音箱系统中将麦克风分散在桌子上，因为我们认为需要麦克风之间有较大的距离来提取声音的距离信息，”Gollakota说，“但后来我们开始质疑这一假设。我们真的需要大的距离来创建这种‘声音气泡’吗？我们在这里证明，其实不需要。我们只使用耳机上的麦克风就能实现，而且是实时的，这相当令人惊讶。”

为了训练系统在不同环境中创建声音气泡，研究人员需要基于距离的声音数据集，而这样的数据集在现实中并不存在。为此，他们将耳机戴在假人头上，并将假人头固定在一个可旋转的机器人平台上，让一个移动的喇叭从不同距离播放声音。团队使用假人系统以及人类用户在22个不同的室内环境中（包括办公室和生活空间）收集了数据。

研究人员发现，系统能成功运作有以下几个原因。首先，佩戴者的头部会反射声音，这帮助神经网络区分不同距离的声音。其次，声音（如人类语音）具有多种频率，每种频率在从声源传播时经历不同的相位变化。研究人员认为，团队的AI算法正在比较这些频率的相位来判断声源的距离（例如说话的人）。

像苹果的AirPods Pro 2这样的耳机可以增强佩戴者面前说话者的声音，并减少一些背景噪音。但这些功能是通过追踪头部位置并增强来自特定方向的声音实现的，而不是基于距离测量。因此，这类耳机无法同时增强多个说话者的声音，且当佩戴者将头部转向目标说话者时功能会丢失，对减少来自该方向的大声音的效果也不如本系统。

目前该系统仅训练用于室内环境，因为在户外收集干净的训练音频更加困难。接下来，研究团队正致力于让技术能运用于助听器和降噪耳塞，这需要一种新的麦克风布置策略。

图片：Nature Electronics

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