了解语音交互：从“若琪，今天杭州的天气”发生了什么？

本文是面向 Web 开发者所写，介绍关于“语音交互”的一篇科普性质的文章，希望借助这篇文章，让开发者了解到什么是语音交互，以及在 YodaOS 中的技术实现。不了解YodaOS是什么？点击这里回顾。

作为 Web 开发者，相信在面试时常会被问到“浏览器输入 URL 后发生了什么”这样的经典问题，这可以很好地帮助工程师理解整个 Web 的技术栈。因此，本文将从“若琪，今天杭州的天气”这一句话开始，尽量让大家了解到语音交互的技术全貌。

以下章节涉及到的知识点包括（可以先自行查阅之）：
语音激活（VT）
语音识别（ASR）
语义理解（NLP）
语音合成（TTS）
技能（Skill）——语音交互时代的应用
如下是一次语音交互的流程：

从上图可以看出：

首先，用户（人类）通过智能设备上的麦克风获取音频信号数据（PCM），通过“语音激活”模块，它能正确地将带有激活词的数据转换成云端可以识别的音频数据（如 opus）。

接下来，由 VUI Client 会通过 WebSocket 上传音频数据，云端通过一系列算法最终将语音数据转换为两部分结果：

ASR：纯文本，表示这段音频数据中用户所说的话，比如“若琪今天的天气”。
NLP：JSON 格式的数据，NLP 也叫语义理解，通常会把每句话解析成两个重要的信息：

一部分叫意图（Intent），表示用户说这句话的目的，比如“今天的天气”，那我们可以获得这句话的意图是 query_weather，表示在查询天气；

另一部分是具体信息（Slots），一般在 JSON 中是一个对象，比如“今天的天气”会在 slots.date 中为 today，表示这句话询问的是“今天”的天气，类似也可以有像 slots.location 用于表示询问的是“哪儿”的天气；

ASR 和 NLP 会由 VUI Runtime 下发到具体的技能（Skill），每个技能通过解析 Intent 和 Slots 来做对应的处理，最终生成为一段文本，由 TTS 回复给用户。

以上其实就是一次语音交互的基本流程，接下来会按照不同的模块分别介绍。

语音激活流程

在说明这个流程之前，先来看看为什么需要它。当用户与一个智能设备交互时，由于媒介是语音（空气），所以不像传统的 GUI（PC、平板、手机）设备，它们拥有一个独自的媒介平台（如屏幕、按键等），所以交互目标是明确的。而生活中空气是共享的，这意味着在交互之前，首先要判断用户是不是想要跟你说话，比如你说“帮我开下灯”，可能是让你老婆去开灯，而不是若琪。

无论 Alexa、若琪、小爱同学，还是天猫精灵，首先需要给设备取一个悦耳的名字，这样设备才能知道你是否在跟他/她说话，这——便是语音激活模块要做的事儿。

然而要做好这么一件简单的事儿，可不容易。

首先我们先了解下什么是 PCM，维基百科上中文名称叫：脉冲编码调制。很难理解对吧？如果要把整个概念说清楚，可能需要涉及到很多声学和信号学的知识，这里就不拓展了。简单来说，你可以把它理解为，就是你说了一段话（语音），然后被麦克风记录成了二进制数据，这个原始数据就叫 PCM。

了解了 PCM 后，再来了解2个概念：

AEC，自音源消除。在智能音响上，通常都有麦克风和扬声器，麦克风在收音时，会把当前设备通过扬声器播放的声音也记录下来，因此 AEC 所做的就是从 PCM 数据中将设备本身播放的音频消除，减少干扰。
VT，激活算法模块。将 AEC 后的音频数据输入到 VT 算法/模型中，他会给出激活分数，最后通过分数判断是否激活。

在激活模块内部，从麦克风获取到语音数据后，会经过 AEC 处理，将扬声器的声音消除，接着会通过其他降噪算法去除一些额外的噪音，然后将最终处理过后的音频数据输入 VT，若模型判断是激活的话，就会把后面的（音频）数据通过 VUI Client 上传到云端 ASR，直到云端判断用户说完了并结束本次交互。

NLP 下发流程

前面讲到从云端会下发两种类型的数据：ASR 与 NLP，然而对于云端是如何生成这些数据并没有提及，这里我们先稍微讲解一些 NLP 的部分。

在 ASR 将音频数据转成文本后，会输入给 NLP 服务（云端），那么云端是怎么把一段简单的文本解析成本地想要的 JSON 格式呢？NLP 引入了领域（Domain）概念，比如“若琪，今天的天气”会被划分为天气领域，“我要开灯”是 IoT 领域，“我要听歌”则是音乐领域，类似的领域还有故事、时间、百科、导航和聊天等。

可以简单理解为领域是一个大的范围，表示用户想要跟设备交流的主题，而意图则是在这个主题下一个个需要设备帮助完成的任务。比如“今天的天气”，主题是天气，而意图则是问询。

有了“领域”的概念后，当我们获取到一串文本后，会经过预先训练好的模型以及预先定义好的规则和说法，就能判断出这段文本命中了什么领域和意图，然后再从文本中抽出相关的信息。最后将所有信息组合成一个完整的 JSON 下发至设备端。设备通过每条 NLP 命中领域或技能的不同，下发给对应的技能进行处理。

CloudApp

语音交互的输出相对比较单一，基本上是：TTS、音效以及多媒体音乐，因此这里有一个 VUI Rendering 的概念。

在 GUI 时代，渲染的输出是屏幕的可交互的控件、声音以及视频。而 VUI 就是 TTS、音效和多媒体音乐，相对于 GUI 来说，已经相当简单了。因此与 Web 一样，VUI 渲染也分为服务端渲染和本地渲染：

本地渲染：本地应用直接处理 NLP 数据，在本地执行业务逻辑，并最终播放 TTS、音效以及多媒体音乐。
服务端渲染：NLP 服务会将数据先发送到预先配置好的一台服务器，在服务器上执行业务逻辑，并分别将 TTS、音效和多媒体音乐转换为一条条指令（Directive），返回给 NLP 服务，最后设备端收到后，只需按照指令执行对应的操作即可。

一般把在服务端渲染的应用称作 CloudApp，其优点当然是实时更新，开发快捷简便，与 Web 的运行机制类似，缺点则是能力受限，拓展依赖于协议本身的能力（类似于浏览器沙箱）。

技能生命周期

无论是本地还是云端，技能跟我们所熟知的页面一样具有其生命周期，VUI Runtime 会对其进行管理。在 YodaOS 中，每个技能可以由两种方式启动：

用户通过语音 NLP 下发命令并启动。
用户通过设备按键触发启动。

每个技能在启动后，就会处于技能栈栈顶，表示当前技能正在运行，此时可以控制设备的输出内容（TTS、音效与多媒体）。与此同时，若之前有技能已经在运行，则会将之前的技能销毁或暂停，这取决于他是即时（CUT）还是场景（SCENE）技能：

CUT：用于单次会话的技能，因此有新的技能命中时，会毫不犹豫地结束（销毁）该技能。
SCENE：用于长时间需要交互的技能，如音乐播放、游戏或有声故事。若新请求的技能是 CUT，会先暂停上一个技能，待 CUT 结束后恢复；若新请求的技能是 SCENE，则会替换掉之前的技能。

总结

其实一次语音交互远不止上文所提到的这些流程，这里也仅仅希望抛砖引玉，以及给对于语音交互感兴趣的工程师分享出我们在做 YodaOS 的一些心得，最后欢迎大家关注我们的 VUI Runtime：https://github.com/yodaos-pro...。