माइक्रोफोन ऐरे की वॉयस सिग्नल प्रोसेसिंग तकनीक
कृत्रिम बुद्धिमत्ता के मानव जीवन के करीब आने के साथ, वॉयस टेक्नोलॉजी पर भी ध्यान केंद्रित किया जा रहा है। पारंपरिक नियर-फील्ड वॉयस अब मांगों को पूरा नहीं कर पाती। दूरी पर जटिल वातावरण में वॉयस कंट्रोल की मांग बढ़ी है। अतः ऐरे टेक्नोलॉजी फार-फील्ड वॉयस की मुख्य तकनीक बन गई है।
एआई के लिए माइक्रोफोन ऐरे का महत्व:
स्थानिक चयनात्मकता: इलेक्ट्रिक स्कैनिंग जैसी स्थानिक लोकेशन तकनीकों से ध्वनि स्रोत की सटीक स्थिति प्राप्त करना। एल्गोरिदम द्वारा उच्च गुणवत्ता वाला वॉयस सिग्नल प्राप्त करना।
ऐरे स्वतः ध्वनि स्रोत का पता लगाकर स्पीकर को ट्रैक कर सकता है। एकाधिक स्रोतों और मोबाइल स्रोतों को ट्रैक करने की क्षमता।
ऐरे ने स्पेस डोमेन प्रोसेसिंग जोड़ी है। बहु-सिग्नल स्पेस-टाइम-फ्रीक्वेंसी प्रोसेसिंग नॉइज़ दमन, इको दमन, रिवर्ब दमन, साउंड सोर्स लोकेशन में एकल सिग्नल की कमियों को पूरा करती है।
तकनीकी चुनौतियाँ:
पारंपरिक ऐरे सिग्नल प्रोसेसिंग का सीधा उपयोग प्रभावी नहीं है। कारण:
ऐरे मॉडलिंग
माइक्रोफोन मुख्यतः वॉयस सिग्नल के लिए उपयोग होते हैं, जो नियर-फील्ड मॉडल में काम करते हैं। रडार/सोनार जैसी प्लेन वेव फार-फील्ड तकनीकें लागू नहीं होतीं। नियर-फील्ड में स्फेरिकल वेव और आयाम क्षय पर विचार करना आवश्यक है।
ब्रॉडबैंड सिग्नल प्रोसेसिंग
पारंपरिक ऐरे तकनीकें नैरोबैंड सिग्नल के लिए डिज़ाइन हैं। वॉयस सिग्नल अनमॉड्यूलेटेड ब्रॉडबैंड सिग्नल है जिसमें फेज विलंब फ्रीक्वेंसी पर निर्भर करता है।
नॉन-स्टेशनरी सिग्नल प्रोसेसिंग
माइक्रोफोन सिग्नल नॉन-स्टेशनरी होते हैं। इसलिए शॉर्ट-टाइम फ़्रीक्वेंसी डोमेन प्रोसेसिंग की जाती है। ब्रॉडबैंड सिग्नल को सब-बैंड में विभाजित कर प्रत्येक को अलग प्रोसेस किया जाता है।
रिवर्बरेशन (गूंज)
ध्वनि प्रसार स्थान से प्रभावित होता है। कमरे में परावर्तन और विवर्तन के कारण डायरेक्ट सिग्नल के अलावा मल्टीपाथ सिग्नल भी प्राप्त होते हैं। यह सिग्नल को बाधित करता है।
साउंड सोर्स लोकेशन (SSL)
एआई में SSL का व्यापक उपयोग। माइक्रोफोन ऐरे द्वारा स्थानिक निर्देशांक प्रणाली बनाई जाती है। रैखिक, प्लानर या 3डी ऐरे के आधार पर स्रोत की स्थिति निर्धारित होती है। स्थान जानकारी से वॉयस एनहांसमेंट संभव है।
नियर-फील्ड और फार-फील्ड मॉडल
सामान्य माइक्रोफोन ऐरे दूरी (1-3m) नियर-फील्ड मॉडल में काम करते हैं। यहाँ स्फेरिकल वेव प्राप्त होती है। ध्वनि प्रसार के दौरान क्षय होता है। फार-फील्ड में दूरी अंतर नगण्य होता है। दूर-निकट सीमा 2L²/λ द्वारा परिभाषित है (L=ऐरे एपर्चर, λ=वेवलेंथ)।
SSL तकनीकें:
बीमफॉर्मिंग, सुपर-रेजोल्यूशन स्पेक्ट्रल एस्टीमेशन (MUSIC/ESPRIT), और TDOA।
इलेक्ट्रॉनिक स्कैनिंग ऐरे
स्पेस में बीम स्कैन कर अधिकतम पावर वाली दिशा को स्रोत दिशा माना जाता है। केवल एकल स्रोत के लिए उपयुक्त। सटीकता ऐरे चौड़ाई पर निर्भर करती है।
सुपर-रेजोल्यूशन स्पेक्ट्रल एस्टीमेशन
कॉवेरिएंस मैट्रिक्स के आइजनवैल्यू डिकंपोजिशन द्वारा स्पेक्ट्रल पीक की दिशा निर्धारित करना। बहु स्रोतों के लिए उपयुक्त। फार-फील्ड मॉडल में ही कारगर।
TDOA (टाइम डिफरेंस ऑफ़ अराइवल)
विभिन्न माइक्रोफोन पर ध्वनि आगमन समय के अंतर का अनुमान। दो चरण:
1. TDOA अनुमान: GCC (सामान्यीकृत क्रॉस-सहसंबंध) या LMS एडेप्टिव फ़िल्टरिंग द्वारा।
2. TDOA लोकेशन: त्रिकोणमिति द्वारा स्रोत स्थिति निर्धारण। MLE, न्यूनतम विचरण आदि विधियाँ। उच्च सटीकता, कम गणना भार।
बीमफॉर्मिंग:
पारंपरिक बीमफॉर्मिंग (CBF): विलंब-और-योग तकनीक। किसी दिशा में सिग्नल को बढ़ावा देता है।
अनुकूली बीमफॉर्मिंग (ABF): LCMV/MVDR जैसे मानदंडों द्वारा शोर और व्यवधान को दबाता है।
CBF + वाइनर फ़िल्टर: गैर-स्थिर शोर दमन में सुधार।
GSLC: शोर रद्द करने के लिए सक्रिय शोर नियंत्रण (ANC) पर आधारित।
भविष्य की दिशा:
माइक्रोफोन ऐरे सिंगल माइक्रोफोन से बेहतर प्रदर्शन करते हैं। वीडियो कॉन्फ्रेंसिंग, रोबोटिक्स, स्मार्ट उपकरणों में इसकी महत्वपूर्ण भूमिका है। हार्डवेयर क्षमता में वृद्धि से जटिल एल्गोरिदम का रियल-टाइम निष्पादन संभव हुआ है। भविष्य में वॉयस और इमेज प्रोसेसिंग का एकीकरण एआई में नए अवसर खोलेगा।
एआई के लिए माइक्रोफोन ऐरे का महत्व:
स्थानिक चयनात्मकता: इलेक्ट्रिक स्कैनिंग जैसी स्थानिक लोकेशन तकनीकों से ध्वनि स्रोत की सटीक स्थिति प्राप्त करना। एल्गोरिदम द्वारा उच्च गुणवत्ता वाला वॉयस सिग्नल प्राप्त करना।
ऐरे स्वतः ध्वनि स्रोत का पता लगाकर स्पीकर को ट्रैक कर सकता है। एकाधिक स्रोतों और मोबाइल स्रोतों को ट्रैक करने की क्षमता।
ऐरे ने स्पेस डोमेन प्रोसेसिंग जोड़ी है। बहु-सिग्नल स्पेस-टाइम-फ्रीक्वेंसी प्रोसेसिंग नॉइज़ दमन, इको दमन, रिवर्ब दमन, साउंड सोर्स लोकेशन में एकल सिग्नल की कमियों को पूरा करती है।
तकनीकी चुनौतियाँ:
पारंपरिक ऐरे सिग्नल प्रोसेसिंग का सीधा उपयोग प्रभावी नहीं है। कारण:
ऐरे मॉडलिंग
माइक्रोफोन मुख्यतः वॉयस सिग्नल के लिए उपयोग होते हैं, जो नियर-फील्ड मॉडल में काम करते हैं। रडार/सोनार जैसी प्लेन वेव फार-फील्ड तकनीकें लागू नहीं होतीं। नियर-फील्ड में स्फेरिकल वेव और आयाम क्षय पर विचार करना आवश्यक है।
ब्रॉडबैंड सिग्नल प्रोसेसिंग
पारंपरिक ऐरे तकनीकें नैरोबैंड सिग्नल के लिए डिज़ाइन हैं। वॉयस सिग्नल अनमॉड्यूलेटेड ब्रॉडबैंड सिग्नल है जिसमें फेज विलंब फ्रीक्वेंसी पर निर्भर करता है।
नॉन-स्टेशनरी सिग्नल प्रोसेसिंग
माइक्रोफोन सिग्नल नॉन-स्टेशनरी होते हैं। इसलिए शॉर्ट-टाइम फ़्रीक्वेंसी डोमेन प्रोसेसिंग की जाती है। ब्रॉडबैंड सिग्नल को सब-बैंड में विभाजित कर प्रत्येक को अलग प्रोसेस किया जाता है।
रिवर्बरेशन (गूंज)
ध्वनि प्रसार स्थान से प्रभावित होता है। कमरे में परावर्तन और विवर्तन के कारण डायरेक्ट सिग्नल के अलावा मल्टीपाथ सिग्नल भी प्राप्त होते हैं। यह सिग्नल को बाधित करता है।
साउंड सोर्स लोकेशन (SSL)
एआई में SSL का व्यापक उपयोग। माइक्रोफोन ऐरे द्वारा स्थानिक निर्देशांक प्रणाली बनाई जाती है। रैखिक, प्लानर या 3डी ऐरे के आधार पर स्रोत की स्थिति निर्धारित होती है। स्थान जानकारी से वॉयस एनहांसमेंट संभव है।
नियर-फील्ड और फार-फील्ड मॉडल
सामान्य माइक्रोफोन ऐरे दूरी (1-3m) नियर-फील्ड मॉडल में काम करते हैं। यहाँ स्फेरिकल वेव प्राप्त होती है। ध्वनि प्रसार के दौरान क्षय होता है। फार-फील्ड में दूरी अंतर नगण्य होता है। दूर-निकट सीमा 2L²/λ द्वारा परिभाषित है (L=ऐरे एपर्चर, λ=वेवलेंथ)।
SSL तकनीकें:
बीमफॉर्मिंग, सुपर-रेजोल्यूशन स्पेक्ट्रल एस्टीमेशन (MUSIC/ESPRIT), और TDOA।
इलेक्ट्रॉनिक स्कैनिंग ऐरे
स्पेस में बीम स्कैन कर अधिकतम पावर वाली दिशा को स्रोत दिशा माना जाता है। केवल एकल स्रोत के लिए उपयुक्त। सटीकता ऐरे चौड़ाई पर निर्भर करती है।
सुपर-रेजोल्यूशन स्पेक्ट्रल एस्टीमेशन
कॉवेरिएंस मैट्रिक्स के आइजनवैल्यू डिकंपोजिशन द्वारा स्पेक्ट्रल पीक की दिशा निर्धारित करना। बहु स्रोतों के लिए उपयुक्त। फार-फील्ड मॉडल में ही कारगर।
TDOA (टाइम डिफरेंस ऑफ़ अराइवल)
विभिन्न माइक्रोफोन पर ध्वनि आगमन समय के अंतर का अनुमान। दो चरण:
1. TDOA अनुमान: GCC (सामान्यीकृत क्रॉस-सहसंबंध) या LMS एडेप्टिव फ़िल्टरिंग द्वारा।
2. TDOA लोकेशन: त्रिकोणमिति द्वारा स्रोत स्थिति निर्धारण। MLE, न्यूनतम विचरण आदि विधियाँ। उच्च सटीकता, कम गणना भार।
बीमफॉर्मिंग:
पारंपरिक बीमफॉर्मिंग (CBF): विलंब-और-योग तकनीक। किसी दिशा में सिग्नल को बढ़ावा देता है।
अनुकूली बीमफॉर्मिंग (ABF): LCMV/MVDR जैसे मानदंडों द्वारा शोर और व्यवधान को दबाता है।
CBF + वाइनर फ़िल्टर: गैर-स्थिर शोर दमन में सुधार।
GSLC: शोर रद्द करने के लिए सक्रिय शोर नियंत्रण (ANC) पर आधारित।
भविष्य की दिशा:
माइक्रोफोन ऐरे सिंगल माइक्रोफोन से बेहतर प्रदर्शन करते हैं। वीडियो कॉन्फ्रेंसिंग, रोबोटिक्स, स्मार्ट उपकरणों में इसकी महत्वपूर्ण भूमिका है। हार्डवेयर क्षमता में वृद्धि से जटिल एल्गोरिदम का रियल-टाइम निष्पादन संभव हुआ है। भविष्य में वॉयस और इमेज प्रोसेसिंग का एकीकरण एआई में नए अवसर खोलेगा।