語音交互技術(shù)在智能盲人飲水機中的應(yīng)用

王楠　聞麗芬　聞立鵬

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)已滲透人們的日常生活，為特殊人群提供更為便利的設(shè)施已成為一種社會趨勢。其中，智能盲人飲水機的出現(xiàn)滿足了視障者對更直觀、安全使用方式的需求，它能夠為視障者提供更為方便、安全的飲水體驗。傳統(tǒng)飲水機的操作界面對視障者而言并不友好，而語音交互技術(shù)的引入便顯得尤為重要。參照其他智能設(shè)備，語音交互能夠提供無縫、便捷的用戶體驗。因此，將語音交互應(yīng)用于盲人飲水機，能夠為視障者帶來更佳的使用感受。本文探討了語音交互的基本原理，分析了語音交互在智能盲人飲水機中的應(yīng)用情況，并提出了實施這一技術(shù)的應(yīng)用挑戰(zhàn)和解決方案。

一、語音交互的基本原理

（一）語音識別技術(shù)概述

語音識別技術(shù)旨在使計算機能夠“聽”并“理解”人類語言，將聲音信號轉(zhuǎn)換為文本或命令。該技術(shù)首先通過麥克風(fēng)或其他傳感器捕獲聲音，并將其轉(zhuǎn)化為信號，接著從這些信號中提取與語言內(nèi)容相關(guān)的特征，如梅爾頻率倒譜系數(shù)。然后，深度學(xué)習(xí)或機器學(xué)習(xí)技術(shù)被應(yīng)用于訓(xùn)練聲學(xué)模型，關(guān)聯(lián)聲音特征與具體的語音單元。語言模型描述了詞與詞之間在特定語言中的概率關(guān)系，在識別多個候選詞時，可以幫助聲學(xué)模型確定最有可能的單詞組合。最后，利用這兩種模型，聲音特征被解碼為文本或命令。深度學(xué)習(xí)技術(shù)如循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和長短時記憶網(wǎng)絡(luò)，在語音識別中具有顯著作用，能夠捕獲語音的時序特性，從而提高識別的準確性。盡管如此，語音識別技術(shù)仍面臨口音、方言、噪聲環(huán)境等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)創(chuàng)新，它能進一步提高語音識別的準確性和穩(wěn)健性。

（二）語音到文本的轉(zhuǎn)換

自動語音識別技術(shù)允許計算機將人類的口頭語句解析并轉(zhuǎn)錄為文本格式，這是語音交互的核心環(huán)節(jié)。這一轉(zhuǎn)換過程開始于錄制的語音數(shù)據(jù)的預(yù)處理，其中數(shù)據(jù)會經(jīng)歷降噪、放大和規(guī)范化等步驟，為后續(xù)分析做準備。隨后，系統(tǒng)從處理后的數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵的聲音特征，如聲調(diào)和音高。這些特征數(shù)據(jù)會與使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)（如RNN或LSTM）預(yù)先訓(xùn)練的聲學(xué)模型進行匹配，以識別語音中的單元或音素。為了進一步提高轉(zhuǎn)錄的準確性，ASR（自動語音識別）系統(tǒng)會引入一個語言模型，該模型根據(jù)特定語言中的常見詞匯和結(jié)構(gòu)模式，幫助系統(tǒng)在多個可能的轉(zhuǎn)錄選項中進行選擇。最終，結(jié)合聲學(xué)和語言模型的評分，系統(tǒng)輸出最有可能的文本。盡管ASR技術(shù)已在多個場景中有出色表現(xiàn)，但它在復(fù)雜環(huán)境或面對不同的口音和方言時仍然面臨一些挑戰(zhàn)。

（三）深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)在語音識別中的應(yīng)用

近年來，深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)為語音識別的發(fā)展做出了重大貢獻，特別是在捕獲復(fù)雜的語音模式和提高系統(tǒng)的準確性上。傳統(tǒng)的語音識別方法主要依賴于手動制定的規(guī)則和特征，而深度學(xué)習(xí)技術(shù)如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，憑借其多個隱層，能成功地捕獲音頻中的復(fù)雜模式，相較于GMM-HMM模型大大增強了識別效果?？紤]到語音是時序數(shù)據(jù)，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其變種長短時記憶網(wǎng)絡(luò)可以用來捕獲音頻中的時序依賴性。端到端的模型，如Deep Speech和Wave2 Text，努力直接映射音頻到文本，跳過了許多傳統(tǒng)的中間步驟，而Transformer架構(gòu)，特別是其自注意機制，在提高模型的性能方面起到了關(guān)鍵作用。隨著數(shù)據(jù)采集和標注的挑戰(zhàn)增加，遷移學(xué)習(xí)，特別是預(yù)訓(xùn)練的大型模型，開始在語音識別中獲得關(guān)注。此外，為增強模型的穩(wěn)定性，各種數(shù)據(jù)增強技術(shù)也被廣泛采用，如速度調(diào)整和噪聲注入。這些深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)共同推進了語音識別技術(shù)從手工特征工程向數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的轉(zhuǎn)變，確保了更強的識別準確性和實用性。

二、語音交互技術(shù)在智能盲人飲水機中的應(yīng)用情況

（一）功能描述和使用場景

在智能盲人飲水機中，語音交互技術(shù)開辟了一種為視障者提供直觀、自主飲用水方式的新途徑。用戶可以通過簡單的喚醒詞，如“智能飲水機”激活設(shè)備。它們能夠根據(jù)用戶的語音指令來調(diào)整水溫、控制取水量，同時還可以回應(yīng)用戶關(guān)于當(dāng)前水溫、剩余水量或水質(zhì)狀況的查詢。此外，智能盲人飲水機還設(shè)置了安全提醒功能，如當(dāng)水量不足或水溫過高時，能夠主動為用戶發(fā)出語音提示。

這類語音交互的飲水機在多種場合中發(fā)揮著重要作用。比如，在家中，視障者可以獨立操作，無需他人幫助；在公共場所，如學(xué)?；蜥t(yī)院，它可以為視障人群提供方便的飲用水服務(wù)；在專門為視障者設(shè)立的機構(gòu)中，如盲人學(xué)校，它更是成了視障者學(xué)習(xí)和生活的必備工具。由此可見，這種集成語音技術(shù)的智能盲人飲水機能夠為視障者帶來更多的便利。

（二）對用戶的便利性和實用性

語音交互技術(shù)在智能盲人飲水機中的應(yīng)用為用戶帶來了很多便利。視障者不再依賴他人或煩瑣的觸摸操作，他們可以通過簡單的語言指令獨立使用飲水機。這種交互方式減少了操作中的不確定性和可能出現(xiàn)的意外情況，同時能為用戶提供即時的反饋，例如，用戶可以詢問“水溫是多少？”或“還剩多少水？”，這種直接的語音交互能夠保證他們的操作更為精確和自信。此外，與機械旋鈕或觸摸屏相比，語音交互提供了一種更為自然和人性化的使用體驗。

從實用性的角度來看，語音交互技術(shù)大大體現(xiàn)了飲水機的功能性。除了基本的飲水需求，用戶還可以通過語音來了解水的質(zhì)量、當(dāng)前的水溫或剩余的水量。這不僅滿足了視障者的基本需求，還賦予了他們更多的控制權(quán)和自由度。例如，當(dāng)水燒開或水量少時會出現(xiàn)語音提示，增強了設(shè)備的安全性，可以讓用戶獲得獨特的、貼心的使用體驗。結(jié)合這些實用功能，語音交互使得智能飲水機真正成為視障者日常生活中不可或缺的助手。

（三）與其他輔助功能的結(jié)合

隨著科技進步，智能盲人飲水機中的語音交互已經(jīng)打破了單一功能的界限，融合了各種創(chuàng)新輔助功能，可以為視障者提供更加完整和人性化的體驗。例如，機器可以配備觸覺反饋，當(dāng)用戶使用語音指令時，手柄或旋鈕會產(chǎn)生振動，讓用戶確認指令已被接受。對于對操作不太熟悉的用戶，智能盲人飲水機則提供了步驟性的語音指導(dǎo)，可以通過內(nèi)置的環(huán)境傳感器自動調(diào)節(jié)輸出的水溫，并告知用戶。此外，智能盲人飲水機整合了智能水質(zhì)檢測功能，當(dāng)檢測到水質(zhì)問題時，機器會主動發(fā)出語音警告。更為先進的是，這種飲水機還可以與家中的其他智能設(shè)備實現(xiàn)多設(shè)備的交互和控制。這種與其他輔助功能的深度結(jié)合，使得語音交互在智能盲人飲水機中真正體現(xiàn)了“智能”功能，極大地提高了其對視障者的服務(wù)質(zhì)量。

三、語音交互技術(shù)在智能盲人飲水機中的應(yīng)用挑戰(zhàn)和解決方案

（一）識別準確性和誤識別的問題

語音交互系統(tǒng)依賴于高準確性的識別來響應(yīng)用戶指令，但在實際應(yīng)用過程中，識別的準確性和誤識別始終是主要問題。多種因素對識別造成困擾，如方言或口音的差異，用戶的語速和音調(diào)變化，公共或家庭環(huán)境中的背景噪聲，設(shè)備的長期使用和老化等。特別是在多元化的語言環(huán)境和不同的應(yīng)用場景中，如何確保語音系統(tǒng)的穩(wěn)定和準確操作成為一大挑戰(zhàn)。

對此，可以采取如下解決方法。首先，智能盲人飲水機可以針對性地“學(xué)習(xí)”用戶的語音特點和使用習(xí)慣，逐步優(yōu)化對特定用戶或群體的識別效果。其次，應(yīng)用主動噪聲消除技術(shù)，智能盲人飲水機能夠?qū)崟r濾除背景雜音，從而專注于捕捉和處理用戶的指令。多麥克風(fēng)陣列的引入也為提高識別準確性帶來了新的可能，通過多方位捕獲聲音以提高識別的質(zhì)量。再次，設(shè)備可以配置用戶反饋機制，用戶在發(fā)現(xiàn)錯誤時能夠即時糾正，進一步為系統(tǒng)提供學(xué)習(xí)和優(yōu)化的數(shù)據(jù)。最后，定期的設(shè)備健康檢查和更新提醒，能確保智能盲人飲水機硬件和軟件處于最佳狀態(tài)，為用戶提供持續(xù)和穩(wěn)定的服務(wù)。

（二）語境和環(huán)境噪聲的影響

語境和環(huán)境噪聲為語音交互系統(tǒng)的準確性帶來了進一步的考驗。不同的語境會導(dǎo)致同一句話具有不同的隱含意義。更為復(fù)雜的是環(huán)境噪聲問題，環(huán)境中的其他聲音，如交談、廣播或交通噪聲，可能會與用戶的語音指令混淆，使智能盲人飲水機難以準確捕捉和響應(yīng)用戶的需求。

對此，可以采取如下解決方法。首先，可以使用語境感知技術(shù)，通過分析當(dāng)前環(huán)境和歷史數(shù)據(jù)來更精確地推斷用戶的需求。例如，飲水機在早晨可能會提供溫水選項，而在炎熱的午后則會預(yù)設(shè)為冷水。其次，引入定向麥克風(fēng)技術(shù)可以“專注”于來自某個特定方向的聲音，從而減少背景噪聲的干擾。同時繪制噪聲圖譜，使飲水機能夠識別并消除常見的背景噪聲。再次，考慮到在某些噪聲環(huán)境中，語音交互可能并不是最有效的方式，引入多模態(tài)輸入，如手勢或觸摸控制，可以為用戶提供其他交互選擇。最后，當(dāng)智能盲人飲水機對指令不確定時，它可以主動向用戶詢問或在執(zhí)行前進行確認，確保每一個操作都是按照用戶的指令，以滿足用戶需求。

（三）用戶訓(xùn)練和語音交互的學(xué)習(xí)曲線

語音交互技術(shù)的興起和發(fā)展帶來了一種與傳統(tǒng)操作方式截然不同的交互體驗。對不熟悉或從未接觸過語音交互技術(shù)的用戶來說，如何快速掌握并熟練使用這種新型交互方式是一個重大挑戰(zhàn)。此外，每個人的語音特點和習(xí)慣都是不同的，智能盲人飲水機在初次與用戶互動時可能無法立即達到最佳的識別效果，這可能導(dǎo)致初次使用的用戶體驗感不佳。

對此，可以采取如下解決方法。首先，應(yīng)為用戶提供引導(dǎo)式交互教程，幫助用戶在第一次使用時熟悉基本的語音指令和操作流程。隨著用戶對系統(tǒng)的熟悉，逐漸引入更復(fù)雜的功能和命令。其次，實時的反饋機制可以即時告知用戶命令是否被正確執(zhí)行，從而減少誤操作的可能性。再次，為了提高系統(tǒng)對特定用戶的識別準確度，飲水機可以通過持續(xù)的機器學(xué)習(xí)來適應(yīng)用戶的語音特點。最后，可以建立一個在線社區(qū)或幫助中心，為用戶提供一個平臺，讓他們分享經(jīng)驗，幫助他們解決問題并進一步熟悉智能盲人飲水機系統(tǒng)。這種多方位的支持策略旨在確保用戶能夠快速、輕松地掌握并享受語音交互所帶來的便利。

（四）技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化和更新

在人工智能技術(shù)快速發(fā)展的今天，語音交互技術(shù)也日新月異。為了保持領(lǐng)先和達到用戶期望，智能盲人飲水機需要不斷進行技術(shù)迭代。這帶來了一系列的挑戰(zhàn)，其中，如何確保新技術(shù)的兼容性、避免用戶頻繁更換硬件設(shè)備成了亟需解決的問題。此外，頻繁的軟件更新可能使用戶感到迷茫，特別是引入新的功能和交互模式時。而這種不斷的更新還可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，存在安全隱患。

對此，可以采取如下解決方法。首先，利用模塊化的硬件設(shè)計，使智能盲人飲水機設(shè)備能夠適應(yīng)技術(shù)的進步，無需用戶進行大規(guī)模替換，可以采用獨立的、可升級的語音處理模塊。其次，在新技術(shù)推出之前，進行嚴格的穩(wěn)定性和安全性測試，以保障用戶的使用體驗和數(shù)據(jù)安全。再次，配合更新，提供針對性的用戶教育和培訓(xùn)資源，如在線教程和視頻指南，確保用戶能夠掌握新技術(shù)。最后，建立持續(xù)收集用戶反饋的系統(tǒng)，確保產(chǎn)品團隊能及時調(diào)整并滿足用戶的實際需求。

結(jié)語

隨著科技的快速發(fā)展，為特定群體設(shè)計的智能產(chǎn)品變得越來越重要，而智能盲人飲水機便是其中的一個典型。語音交互技術(shù)為智能盲人飲水機這類產(chǎn)品帶來了諸多好處，將高科技與實用功能相結(jié)合，可以提高用戶的自主能力和生活質(zhì)量。未來的智能產(chǎn)品應(yīng)注重持續(xù)的用戶教育、技術(shù)迭代及用戶反饋的集成，從而確保技術(shù)不僅是創(chuàng)新的，而且是實用和可持續(xù)的。只有技術(shù)真正融入日常生活，為用戶帶來真實的價值，才能得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

（作者單位：1.西京學(xué)院；2.寧夏平羅中學(xué)）