В этой статье я хочу рассказать о своем давнем увлечении — изучении и работе с far fields mic (mic array) — массивами микрофонов.
Статья будет интересна увлекающимся построением своих голосовых помощников, она ответит на некоторые вопросы людям, воспринимающим инженерное дело как искусство, а также желающим попробовать себя в роли Q (Это из Бондианы). Мой скромный рассказ, надеюсь возможно, поможет вам понять, почему умная колонка- помощник, сделанный строго по туториалу работает хорошо только при условии полного отсутствия шумов. И так плохо там, где они есть, например на кухне.
Много лет тому назад я увлекся программированием, писать код я начал просто потому, что мудрые учителя разрешали играть только в игры, написанные самостоятельно. Это было в году так 87 и это была Yamaha MSX. На эту тему тогда же был первый стартап. Все строго по мудрости: «Выбери себе работу по душе, и тебе не придётся работать ни одного дня в своей жизни» (Конфуций).
И вот прошли годы, и я по прежнему пишу код. Даже хобби с кодом — ну кроме катания на роликах, для разминки мозгов и «не забуду матан» это работа с Far Fields mic (Mic array). Зря что ли преподаватели время со мною тратили.
Что это такое и где применяется
В голосовом помощнике, который слушает вас, обычно присутствует массив микрофонов. Их мы находим и в системах видео-конференц-связи. При коллективном общении, львиная доля внимания уделяется речи, мы естественно, не постоянно при общении смотрим на говорящего, а говорить точно в микрофон или гарнитуру, это сковывает и неудобно.
Практически каждый, уважающий клиента, производитель мобильников использует в своих творениях от 2 и более микрофонов, (да, да за этими дырочками сверху, снизу, сзади сидят микрофоны). К примеру в iPhone 3G/3GS он был единственный, в четвертом поколении айфонов их было два, а в пятом насчитывалось уже три микрофона. В общем то, это тоже массив микрофонов. И все это для лучшей слышимости звука.
Но вернемся к нашим голосовым помощникам
Как же увеличить дальность слышания?
«нужны большие уши»
Простая идея: если для того, чтоб услышать того кто рядом, достаточно одного микрофона, то для того чтоб услышать издалека, нужно применить более дорогой микрофон с отражателем, похожий на ушки у лисичек-фенеков:
На самом деле -это не часть фурри-сьюта, а серьезный девайс для охотников и разведчиков.
То же, только на резонаторных трубках
В среде обитания.
Диаметр зеркала от 200мм до 1,5м
«Нужно больше микрофонов»
Или может, если поставить много дешевых микрофонов, то количество перейдет в качество и все получится? Зерг- раш только микрофонами.
Странно, но это работает и в реальной жизни. Правда с большим количеством матана, но работает. И расскажем мы про это в следующем разделе.
А как научиться слышать дальше без красивых рупоров?
Одна из проблем рупорных систем — это то что хорошо слышно то, что в фокусе. А вот если нужно услышать что то с другого направления, то нужно сделать «финт ушами» и физически перенацелить систему в другом направлении.
И про соотношение сигналшум у систем с микрофонными матрицами как то лучше по сравнению с обычным микрофоном.
В массивах микрофонов, как и в их ближайших родственниках — ФАР (фазированных антенных решетках) ничего поворачивать не нужно. Подробнее в разделе про Beamforming. Легко видеть:
Несфокусированный микрофон (левая картинка) записывает все звуки со всех направлений, а не только тот, что нужно.
Откуда же большая дальность? На правой картинке, микрофон внимательно слушает только один источник. Как бы сфокусировавшись, получает сигнал только избранного источника, а не кашу из возможных источников шумов, а чистый сигнал просто усилить (сделать громче), не применяя сложных техник шумоподавления. Примерно как рупор, но на матановой тяге.
Что же не так с шумоподавлением?
У применения сложного шумоподавление уйма недостатков — значит, уйдет часть сигнала, вместе с частью сигнала изменится звук, и на слух это выглядит как характерное окрашивание звука шумодавом и как результат неразборчивость. Эта неразборчивость видна русскоговорящим, которые хотят услышать от собеседника вот эти шипящие.
Ну и как дополнительно — в результате шумоподавления слушающий не слышит вообще никаких опознавательных сигналов, связывающих его с собеседником (дыхания, сопения и других шумов, сопровождающих живую речь). Это создаёт некоторые проблемы, ведь в разговорной речи вот это все слышно, и как раз помогает оценивать состояние и отношение к вам собеседника. Отсутствие их (шумов) пока мы слышим голос вызывает неприятные ощущения и снижает уровень восприятия, понимания ну и идентификации. Ну а если вас слушает голосовой помощник — шумоподавление затрудняет распознавание как ключевой фразы, так и речи после. Правда есть лайфхак — распознавалку нужно обучать на выборке, записанной с учетом искажений от именно используемого шумопонижения.
Те, кому знакомы слова cocktail party problem могут пока сходить на кофе или коктейль, и провести натурный эксперимент, те у кого настроение почитать, продолжают дальше.
Кратко о матане, на котором оно работает:
DOA Estimation (определение направления на источник звука) и формирование луча (beamforming)
DOA (определение направления, а по возможности и локализация на источник):
Буду краток, ибо тема очень обширна, делается это с помощью белой, серой или темной магии (зависит от предпочитаемой темы в IDE) и матана. основной частый способ поиграть в DOA — это анализ корреляций и другого разного между парами микрофонов (обычно противолежащими по диаметру).
Лайфхак: для исследований лучше выбрать массив с круговым размещением микрофонов. Польза — легко набрать статистику от пар с разными расстояниями между микрофонами — максимум по диаметру, и до минимального между микрофонами — если брать пары по хордам, и с разными азимутами (направлениями) на источник.
Формирование луча- Наиболее простой и легкий для понимания способ -delay
Движение на телевизорах: Время отклика (перевод) | ABOUT TECH
Абсолютно невероятное Выгорание QD-OLED: Что произошло со 100 ТВ в течение 4 месяцев?
Например я использую:
- анализ звуковых файлов,
- HRTF,
- Тренировкапостроение классификаторов.
Да и потом если придется портировать/переписывать код в какой нибудь эмбед, то как то проще это делать с Java кода.
К сожалению, пример от авторов платы для Things был немного неработоспособен, поэтому я сделал свой демо-проект (естественно — я же ж могу).
Вкратце о чем там — всю черную магию по быстрому опросу микрофонов, FFT делаем на C++, а визуализацию, анализ, сетевое взаимодействие — на Java.
Планы на будущее развитие
Источник планов ну и заодно вдохновения: ODAS.
Вот хочу сделать то же, только на Things и без глюков.
- Потому что ODAS немного неудобен при использовании.
- Мне нужен нормальный инструмент для работы
- Потому что могу и мне нравится эта тема
- Использованные аппаратно программные средства отвечают сложности задачи.
«Если вам есть что дополнить или критиковать, не стесняйтесь писать об этом в комментариях, ибо одна голова хуже двух, две хуже чем три, а n-1 хуже чем n» nikitasius
- Разработка под Android
- Исследования и прогнозы в IT
- Научно-популярное
- Интернет вещей
- Звук
Источник: habr.com
Два метода моделирования полей излучения в COMSOL Multiphysics®
Во второй части серии блогов по моделированию высокочастотных электромагнитных полей на различных пространственных масштабах мы рассмотрим практическое применение таких «мультимасштабных» расчётов в программном обеспечении COMSOL Multiphysics®. В данной заметке мы расскажем, как двумя способами рассчитать поля излучения и сравним полученные результаты с теорией. Не смотря на то, что подходы, которые мы будем обсуждать, широко применяются в различных приложениях вычислительной электродинамики, мы в первую очередь будем делать акцент на передаче сигнала от антенны к антенне. Для того, чтобы освежить в памяти основные теоретические аспекты и термины, советуем ознакомиться с первой заметкой этой серии.
Моделирование излучающей антенны
Давайте начнём с обсуждения традиционного рабочего процесса моделирования антенны в COMSOL Multiphysics с использованием модуля Радиочастоты (RF Module). При моделировании излучения от антенны мы создаём локальный источник и рассчитываем распространение электромагнитных полей вблизи антенны и на удалении от неё. Это отлично иллюстрирует фундаментальный принцип действия антенны.
Излучающая антенна преобразует локальную информацию (напряжение или ток) в распространяющийся информационный сигнал (электромагнитное излучение). Антенна-приёмник, наоборот, преобразуют падающее излучение в локальную информацию. Многие устройства, например мобильный телефон, действуют и как приёмник, и как излучатель, позволяя вам совершать звонки или просматривать веб-страницы.
Антенны Атакамской большой [антенной] решётки миллиметрового диапазона (Atacama Large Millimeter Array — ALMA) в Чили. ALMA обнаруживает и принимает сигналы из космоса и помогает учёным изучать образование звёзд, планет и галактик. Наверное, даже не стоит говорить о том, что расстояние, которое проходят эти сигналы гораздо больше характерного размера антенн. Изображение доступно по лицензии CC BY 4.0 из ESO/C. Malin.
Для сокращения используемых вычислительных ресурсов обычно моделируется только небольшая область вокруг антенны, которая затем эффективно ограничивается каким-либо поглощающим (исходящее из нее излучение) условием, в частности зоной с идеально согласованными слоями PML. Поскольку непосредственно в самой расчетной области рассчитываются комплекснозначные электромагнитные поля, такой подход обычно называют полноволновой (Full-Wave) формулировкой или моделированием.
Для расчёта диаграммы излучения антенны затем используется узел Far-Field Domain (Область дальней зоны), который фактически выполняет преобразование излучения из ближней зоны в дальнюю. Такой подход позволяет рассчитывать электромагнитное поле сразу в двух областях: вблизи антенны, используя прямое решение, и в дальней зоне, используя функционал узла Far-Field Domain. Данная методика продемонстрирована в целом ряде примеров из Галереи моделей и приложений для модуля Радиочастоты, например, в учебной модели расчёта дипольной антенны, поэтому мы не будем останавливаться на её практической реализации и настройке в данной заметке.
Использование узла Far-Field Domain (Область дальней зоны)
В нашу службу поддержки часто обращаются с одним и тем же вопросом: «Как использовать узел Far-Field Domain для получения величины поля излучения в конкретной точке пространства?» И это отличный вопрос! В Руководстве пользователя по модулю Радиочастоты написано, что узел Far-Field Domain рассчитывает т.н. амплитуду рассеяния, поэтому для определения распределения поля (комплексно-значного) в заданной точке необходимо модифицировать эту переменную и учесть расстояние (от излучателя) и фазу. Таким образом, выражение для x-компоненты электрического поля в дальней зоне имеет вид:
overrightarrow_ = emw.Efarxtimes frac><(r/1[m])>
аналогичные выражения применимы к y– и z-компонентам, где r — радиальное расстояние в сферической системе координат, k — волновой вектор среды и emw.Efarx — амплитуда рассеяния. Стоит заметить, что emw.Efarx — это амплитуда рассеяния в определённом направлении, поэтому она зависит только от углового положения (т.е. theta, phi) , а не от радиальной позиции. Уменьшение напряжённости электрического поля определяется множителем 1/r. Для расчёта амплитуд рассеяния в сферических координатах используются переменные emw.Efarphi и emw.Efartheta.
Для подтверждения данного положения, давайте проведем расчет для идеального электрического диполя и сравним полученные результаты с аналитическим решением, приведенным в предыдущей части этой серии. В соответствии с тем, что мы уже обсуждали ранее, давайте разделим это выражение и полученные результаты на две части — поле в ближней (NF — Near Field) и дальней (FF – Far Field) зонах. Кратко пробежимся по по выкладкам ещё раз.
где vec
— дипольный момент источника излучения, hat — единичный вектор в сферических координатах.
Ниже изображён график зависимости электрического поля от расстояния для расчёта, который проводился с использованием узла Far-Field Domain для диполя в начале координат vec
=left(0,0,1right)Acdot m . Для детального сравнения результатов мы по отдельности изобразили результаты, полученные с использованием узла Far-Field Domain, аналитические данные, а также ближнее и дальнее поля. Поля рассчитывались по произвольной секущей линии.
Отчетливо видно, что численный расчёт с использованием узла Far-Field Domain и аналитическая формула из теории дальнего поля полностью совпадают. Кроме того, по мере увеличения расстояния от антенны, эти результаты сходятся с полной теорией. Это объясняется тем, что при использовании узла Far-Field Domain программа рассчитывает излучение, пропорциональное 1/r. Следовательно, сходимость с полной теорией улучшается по мере увеличения расстояния, когда вклад членов, пропорциональных 1/r 2 и 1/r 3 , стремится к нулю. Другими словами, узел Far-Field Domain корректен для расчёта излучения в дальней зоне, что напрямую отражено в его названии.
Сравнение расчётов с использованием узла Far-Field Domain и теоретической формулы для точечного дипольного источника.
Использование физического интерфейса Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, Огибающие пучков)
В большинстве случаев хватает расчёта полей в ближней и дальней областях и дальнейшая доработка модели не требуется. Однако, иногда необходимо рассчитать поле в промежуточной области, также известной, как переходная или индукционная зона. Одним из вариантов решения является увеличение размера моделируемой области до тех пор, пока вы не получите требуемые размеры и, соответственно, более точную расчетную информацию. Недостаток этого подхода заключается в том, что увеличение размера модели требует больше вычислительных ресурсов. Не лишним будет напомнить, что для расчётов электромагнитных полей в 3D рекомендуется использовать максимальный размер конечного элемента, равный не менее чем lambda/5 . По мере увеличения расчётной области, количество элементов сетки и требуемые вычислительные ресурсы также увеличиваются.
Альтернативным вариантом в данном случае является использование физического интерфейса Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, Огибающие пучка), который мы в данной заметке будем для краткости называть просто Beam-Envelopes. Как упоминалось в одной из наших прошлых заметок в корпоративном блоге, интерфейс Beam-Envelopes является отличным выбором, когда решение задачи содержит одно или два направления распространения волн, при этом он позволяет использовать гораздо более разреженную сетку. Поскольку излучение от антенны сводится по форме к сферическому волновому фронту, данный интерфейс будет идеальным выбором. Таким образом, для расчёта полей рядом с источником мы будем использовать, как и раньше, классическую полноволновую (Full-Wave) постановку, а для расчёта полей на произвольном расстоянии – физический интерфейс Beam-Envelopes.
Схематичная иллюстрация предлагаемой расчетной области. Если во внешней области задать идеально-согласованные слои PML, то полноволновое моделирование будет выполняться для всей модели. Также можно настроить модель таким образом, чтобы внутренняя область рассчитывалась с помощью классической полноволновой постановки, а внешняя — с использованием физического интерфейса Beam-Envelopes, что мы поясним ниже. Обратите внимание, что на изображении реальный масштаб не соблюдался, а также на то, что расчёт проводился для 1/8 части от всей сферы из-за явной симметрии.
Итак, как правильно связать Beam-Envelopes и Full-Wave формулировки для моделирования диполя? Это можно сделать в два этапа, добавив определенные граничные условия между зонами для Full-Wave и Beam-Envelopes формулировок. Для начала зададим на внешнюю границу для полноволновой части ГУ Идеальный магнитный проводник (Perfect magnetic conductor — PMC), что является естественным граничным условием (в терминах слабой формы) для данной физики. В качестве второго шага в физическом интерфейсе Beam-Envelopes добавим граничное условие Electric Field (Электрическое поле) и применим его к той же границе. Затем в настройках этого граничного условия для интерфейса Beam-Envelopes необходимо задать переменные, рассчитанные в Full-Wave постановке, что показано на скриншоте ниже.
Настройки граничного условия Electric Field в физическом интерфейсе Beam-Envelopes. Обратите внимание, что на изображении справа реальный масштаб не соблюдался.
На внешнюю границу расчётной области интерфейса Beam-Envelopes следует задать ГУ Matched Boundary Condition (Согласованная граница) для поглощения исходящей сферической волны. На оставшиеся границы задаются ГУ Идеальный электрический проводник (perfect electric conductor — PEC) и PMC в соответствии с требуемой симметрией. Также необходимо использовать полностью связный решатель (Fully Coupled). Ознакомиться с настройками решателей вы можете в других наших заметках на тему решения мультифизических задач и улучшения сходимости из отличной серии заметок про решатели.
Теперь, если снова сравнить результаты расчета с теорией, мы увидим идеальное согласование. Данные результаты показывают, что граничные условия PMC и Electric Field обеспечивают непрерывность на границе между двумя интерфейсами и позволяют полностью воспроизвести аналитическое решение. Вы можете загрузить файл данной модели в Галерее моделей и приложений по данной ссылке.
Сравнение расчета электрического поля связкой полноволнового и Beam-Envelopes интерфейсов с теоретической формулой.
Заключительные замечания о моделировании излучателей в COMSOL Multiphysics®
В данной заметке мы рассмотрели два подхода к расчёту электрического поля в удалённых от антенны точках и подтвердили корректность полученных результатов с использованием аналитического решения для электрического точечного диполя. Для первого варианта используется узел Far-Field Domain, доступный в классическом полноволновом интерфейсе.
Во втором используется связка Full-Wave и Beam-Envelopes постановок посредством определенных граничных условий. В обоих случаях, расчёт поля в ближней и дальней зонах от источника корректен. Связанный подход с использованием интерфейса Beam-Envelopes имеет ещё одно преимущество — он позволяет эффективно и точно рассчитать поля в переходной зоне. В следующих частях данной серии мы покажем, как связать в одной модели рассчитанное излучение в дальней зоне и расчет антенны в режиме приема для определения принимаемой мощности. Следите за публикациями нашего блога!
Прочитайте всю серию блогов
- Ознакомьтесь с другими статьями данной серии блогов, посвящённой моделированию высокочастотных электромагнитных полей на различных пространственных масштабах
Источник: www.comsol.ru
Haier S3: эволюция домашнего кинотеатра
Современный «кинозал на диване» давно избавился от лишних проводов и россыпи колонок. Все необходимые функции производители цифровой техники сумели объединить в тонком корпусе ТВ. Новый Haier S3 интересен не только большим экраном, но и продвинутой звуковой системой, а также широким набором смарт-функций. Рассказываем, почему на модель стоит обратить внимание.
Большой дисплей для ярких впечатлений
Диагональ дисплея ТВ при потреблении контента имеет большое значение. 75-дюймовый Haier S3 с разрешением 4K обеспечивает яркие впечатления при просмотре блокбастеров. Даже если качество исходника ниже параметров экрана, технология апскейлинга улучшит картинку до стандарта 2160p, сделав её более чёткой. А с помощью функции MEMC телевизор вставляет в «медленный» видеоряд промежуточные кадры, повышая плавность изображения.
Матрица аппарата выполнена по технологии HQLED. От традиционных LCD-решений панель отличается внутренней структурой, например, добавлен дополнительный фильтр из высокотехничных материалов. Он находится между массивом светодиодов и ЖК-экраном. Это позволяет получать более яркие и насыщенные цвета (охват 93% палитры DCI-P3) по сравнению с традиционными ЖК-дисплеями, смешивающими оттенки за счёт субпикселей.
Поддерживает новинка и HDR-контент, в том числе в форматах Dolby Vision и HLG. Расширенный динамический диапазон улучшает контрастность тёмных сцен в играх и фильмах, а светлые делает более зрелищными. Дополнительно усилить впечатление от просмотра помогает конструкция ТВ с минимальными рамками дисплея с трёх сторон.
Объёмный звук без лишних колонок
Ещё одна важная составляющая для создания эффекта «кинотеатра на диване» — акустическая система. Несмотря на тонкий корпус, Haier S3 оснащён стереодинамиками суммарной мощностью 30 Вт, громкости которых хватит даже для немаленькой комнаты. Кроме того, телевизор предлагает цифровое улучшение звука по стандарту DBX-TV. А ещё поддерживает функцию Simulated Surround Sound. Она, подобно современным наушникам и аудиосистемам, эмулирует многоканальный объёмный звук без применения дополнительных колонок.
Подстроить звучание под себя поможет программный эквалайзер, доступный в системных настройках. Готовые пресеты оптимизированы под разные сценарии эксплуатации телевизора. Не обошёл производитель вниманием и популярный формат Dolby Atmos, который активно применяется в киноиндустрии и видеоиграх. Ещё больше расширить аудиовозможности экрана поможет модуль Bluetooth 5.1. Днём с его помощью легко подключить беспроводной саундбар, а ночью — наушники, чтобы не нарушить сон соседей и близких.
Удобная прошивка с умным помощником
Современные телевизоры впору называть умными дисплеями. В отличие от своих предшественников, они не зависят от антенного провода или медиаплеера — модуль Wi-Fi позволяет им получать контент напрямую из интернета. Haier S3 не стал исключением: ОС Android TV фактически превращает дисплей в моноблок с возможностью установки приложений из Google Play. Для этого есть внутренний накопитель на 16 ГБ. А двух гигабайт оперативной памяти достаточно для плавной работы прошивки и воспроизведения видео в высоком качестве.
Фирменная оболочка Haier evo значительно упрощает поиск нужных лент. Она объединяет сразу несколько онлайн-кинотеатров в едином интерфейсе. Вкладки «Главная», «Фильмы» и «Сериалы» содержат популярный контент от Okko, Start и «Кинопоиск».
Удобству поиска способствуют тематические подборки по жанрам и прочим критериям. К примеру, представлены новинки кинотеатров, хитовые фильмы и лучшие картины с конкретным актёром. Даже если забыли название блокбастера, его будет нетрудно найти по остальным параметрам.
Искать контент можно с помощью экранной клавиатуры либо голосового ввода: умный помощник Google Assistant быстро выведет результат на экран. Благодаря поддержке функции Far field, ИИ отреагирует на голос пользователя по команде «Окей, Google» даже без пульта. Особенно актуальна эта фишка для большой семьи, в которой аксессуар постоянно меняет своё местоположение.
Возможности ассистента не ограничиваются поиском фильмов. На ТВ он работает так же, как на смартфоне: позволяет узнать прогноз погоды, найти нужную информацию в интернете, быстро запустить приложение либо перейти в меню настроек. Ещё одна полезная особенность Android TV — интеграция с технологией Chromecast. Она транслирует картинку с мобильного устройства на крупный дисплей без лишних настроек и проводного подключения.
Много интерфейсов для любых сценариев
Несмотря на широкий список смарт-функций, Haier S3 сохранил все интерфейсы традиционных телевизоров. На борту, помимо привычного антенного разъёма, есть слот CI+ для кабельного, композитный видеовход и четыре порта HDMI, включая актуальную ревизию 2.1. Такой набор позволит подсоединить к ТВ сразу несколько источников сигнала без дальнейшей возни с кабелями. Переключение между ними с помощью пульта ДУ занимает считаные секунды.
В перечень интерфейсов модели входят и два разъёма USB Type-A. Пригодятся они в различных сценариях. Например, один порт удобно выделить для ресивера, подсоединив беспроводную клавиатуру и мышку, а второй — для внешнего накопителя с загруженными сериалами. Если какой-то утилиты нет в Google Play, её легко установить с USB-флешки (нужно лишь в настройках разрешить установку ПО из сторонних источников).
Haier S3 — удобное решение для тех, кто хочет вывести просмотр фильмов и домашний гейминг на новый уровень без лишних затрат и утомительной настройки. Из коробки телевизор предлагает яркую картинку с HDR, Dolby Vision, объёмный звук и удобный интерфейс с голосовым управлением. При этом новинка не ударит по семейному бюджету, а при регистрации в приложении evo пользователей ждёт приятный бонус — дополнительная заводская гарантия на год.
Источник: dzen.ru