只需不到 50 美分，約合人民幣 3.25 元，就能讓普通耳機(jī)變?yōu)橹悄芏鷻C(jī)？

28 歲的中國(guó)青年范小然實(shí)現(xiàn)了，他在羅格斯大學(xué)博士畢業(yè)前的研究，可讓普通耳機(jī)智能化，并能讓普通耳機(jī)實(shí)現(xiàn)生理感應(yīng)、手勢(shì)識(shí)別、身份驗(yàn)證、語(yǔ)音通話四大功能。

當(dāng)前，即便是一千多元的蘋果耳機(jī)，也只是一款耳機(jī)。很多冠以 “智能” 的耳機(jī)，僅能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)音量。

而且，這些智能耳機(jī)都建立在嵌入式傳感器上。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019 年，超過 99% 的消費(fèi)類耳機(jī)沒有配備嵌入式傳感器，43%以上的消費(fèi)類耳機(jī)甚至沒有麥克風(fēng)。

因此，用戶必須額外購(gòu)買嵌入式傳感器，才可讓耳機(jī)擁有傳感功能，但這又費(fèi)錢又費(fèi)事。

日前，范小然開發(fā)出一項(xiàng)名為 HeadFi 的系統(tǒng)，可讓普通耳機(jī)在播放音樂的同時(shí)，獲得感知能力。據(jù)悉，HeadFi 是一種可耳聽的感應(yīng)平臺(tái)，無(wú)需麥克風(fēng)、也無(wú)需傳感器即可實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用。

相關(guān)論文已被移動(dòng)計(jì)算頂會(huì) MobiCom 接受，范小然也將于今年 10 月在新奧爾良的線下會(huì)議實(shí)地展示該技術(shù)。

圖 | HeadFi原型圖（來源：受訪者）

他告訴 DeepTech，HeadFi 本質(zhì)上是一個(gè)適配器模塊，插上耳機(jī)后即可連接手機(jī)。HeadFi 由兩個(gè)無(wú)源電阻器和一個(gè)放大器組成，使用時(shí)無(wú)需對(duì)耳機(jī)做任何硬件修改。它能就地取材，依靠耳機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)器單元，來實(shí)現(xiàn)多功能傳感作用。

在耳機(jī)里，耳機(jī)單元可用于播放音樂，原理是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)也就是聲波。但是反過來看，從廣義來講，耳機(jī)單元也是一個(gè)傳感器，可用來感知外界刺激如心跳、語(yǔ)音、觸碰等，并能把外界刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

基于該思路，范小然開始設(shè)計(jì) HeadFi，期間也遇到了一些挑戰(zhàn)，為了讓耳機(jī)既能感知、又能播放音樂，就要消除音頻輸入信號(hào)的強(qiáng)干擾。

由于耳機(jī)本身播放的聲音的信號(hào)強(qiáng)度，是耳機(jī)能感知到的信號(hào)（如心跳、觸碰、語(yǔ)音等）的上百倍。因此，直接在耳機(jī)端口測(cè)量外界感知信號(hào)，會(huì)讓系統(tǒng)在播放音樂時(shí)無(wú)法工作。

圖 | 相關(guān)實(shí)驗(yàn)（來源：受訪者）

研究中，他使用惠斯通電橋來消除音頻輸入信號(hào)的強(qiáng)干擾。具體來說，通過耳機(jī)的插口，耳機(jī)左右的兩個(gè)單元可連接到橋的兩個(gè)臂上。一旦電橋平衡，電橋的輸出電壓就不再隨著音頻輸入信號(hào)的變化而變化。

與此同時(shí)，周圍的刺激信號(hào)仍能被反應(yīng)到電橋的輸出電壓上。這個(gè)設(shè)計(jì)巧妙之處在于，耳機(jī)廠商在生產(chǎn)耳機(jī)時(shí)，為保持聲道平衡會(huì)讓左右耳機(jī)單元實(shí)現(xiàn)電學(xué)匹配，而 HeadFi 系統(tǒng)使用這倆配對(duì)的耳機(jī)單元來代替電橋的兩個(gè)電阻，這時(shí)使用惠斯通電橋，就可獲得左右單元相減的一個(gè)差分信號(hào)。

這正好消除了音頻輸入信號(hào)的強(qiáng)干擾，而耳機(jī)左右單元收到的外部刺激通常都不一樣，相減之后外部刺激信號(hào)依然存在，并且能被感知到。

在論文的評(píng)審過程中，評(píng)審者一致認(rèn)為這是 HeadFi 設(shè)計(jì)的一個(gè)非常大的亮點(diǎn)，整個(gè)原理簡(jiǎn)單但是非常巧妙（simple yet elegant）。

此外，由于 HeadFi 是一個(gè)外設(shè)插件，它能以非侵入方式讓耳機(jī)和手機(jī)實(shí)現(xiàn)配對(duì)。該外設(shè)插件用兩個(gè) 3.5 毫米立體聲插孔連接耳機(jī)和智能手機(jī)，用戶可以手動(dòng)打開或關(guān)閉 HeadFi。

生理感應(yīng)：心率準(zhǔn)確率最高達(dá) 99.2%

使用非智能耳機(jī)時(shí)，HeadFi 可讓用戶連續(xù)且準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)生理活動(dòng)如心跳頻率。測(cè)量心率變化的原理如下，把搭載 HeadFi 的耳機(jī)放在耳朵上，耳洞內(nèi)立馬形成封閉的空間，空間中部是耳道，兩端分別是耳機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和耳膜。

這種封閉空間對(duì)氣壓變化非常敏感，不管是用手觸碰耳機(jī)外側(cè)，還是耳朵內(nèi)血管的跳動(dòng)，都會(huì)引起 HeadFi 的電壓變化。

圖 | 耳機(jī)和耳道耦合原理示意圖（來源：受訪者）

同樣，人體心跳等生理活動(dòng)也會(huì)引起耳道血管的變形，進(jìn)而給封閉空間帶來壓力，這時(shí)就能通過 HeadFi 去檢測(cè)這種壓力，進(jìn)而得出心率。

圖 | 實(shí)驗(yàn)中的耳機(jī)（來源：受訪者）

研究中，他使用 54 對(duì)耳機(jī)評(píng)估心跳頻率估計(jì)的準(zhǔn)確性，并把耳機(jī)分為三類，即入耳式、頭戴式和半入耳式。結(jié)果顯示，頭戴式耳機(jī)在所有三組耳機(jī)中都實(shí)現(xiàn)了一致的低錯(cuò)誤率。其中，包耳式耳機(jī)的錯(cuò)誤率最低，其次是半入耳式耳機(jī)。

概括來說，HeadFi 測(cè)試心率的最大錯(cuò)誤率約為 3%，而商用心跳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最大錯(cuò)誤率要求是小于 5%，這說明即使在存在音樂等強(qiáng)干擾信號(hào)，HeadFi 依然具備測(cè)量用戶心跳頻率的可行性。

圖| 耳機(jī)工作原理（來源：受訪者）

相關(guān)實(shí)驗(yàn)涉及 53 名志愿者和 54 副耳機(jī)，耳機(jī)估計(jì)價(jià)格從 2.99 美元到 1.5 萬(wàn)美元不等。結(jié)果表明，HeadFi 對(duì)心率監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率為 96.8%-99.2%。

手勢(shì)識(shí)別：可定義四種觸摸手勢(shì)

HeadFi 還可將非智能耳機(jī)外殼、轉(zhuǎn)換為虛擬觸摸板，其基本原理是同樣基于上文提到的特殊惠斯通電橋的輸出電壓的變化。

研究中，范小然定義了四種基于觸摸的手勢(shì)：輕觸左側(cè)外殼，可執(zhí)行暫停或播放操作；輕觸右側(cè)外殼，可執(zhí)行靜音操作；在左側(cè)外殼上滑動(dòng)，可執(zhí)行音量增大操作；在右側(cè)外殼上滑動(dòng)，可執(zhí)行音量減小操作。

他邀請(qǐng)一位志愿者輕觸一對(duì)耳機(jī)的左右外殼，并從 HeadFi 中錄制信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)耳機(jī)被敲擊時(shí)，可觀察到多個(gè)信號(hào)強(qiáng)度峰值。當(dāng)志愿者輕觸左側(cè)外殼時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)峰值，后跟一個(gè)正峰值；相反，當(dāng)志愿者點(diǎn)擊右外殼時(shí)，正峰值出現(xiàn)在負(fù)峰值之前。

期間，他們還使用 AKG K240s 耳機(jī)作為測(cè)試設(shè)備，在打開和關(guān)閉音頻輸入信號(hào)的情況下，分別重復(fù)每個(gè)手勢(shì) 300 次。隨后，收集的數(shù)據(jù)被送到筆記本電腦上進(jìn)行分析。

分析顯示，在安靜和噪聲條件下，四種手勢(shì)的總體分類結(jié)果一致。在沒有音頻輸入信號(hào)的情況下，HeadFi 依然可實(shí)現(xiàn) 99% 的分類準(zhǔn)確率；在有音頻輸入信號(hào)的情況下，分類結(jié)果略微下降到 98% 左右。

身份驗(yàn)證：從海螺得到靈感

HeadFi 還可做身份驗(yàn)證，只要戴上耳機(jī)就會(huì)自動(dòng)出發(fā)身份識(shí)別。但是在身份驗(yàn)證之前，系統(tǒng)需要識(shí)別耳機(jī)是否戴在了頭上，他告訴 DeepTech，自己最初從海螺獲取了靈感。

當(dāng)把海螺扣在耳朵上，就會(huì)聽到回聲，這是因?yàn)橹車肼曉诤Ｂ菘涨粌?nèi)產(chǎn)生了共振、且音量被放大，因此海螺會(huì)發(fā)出海浪般的聲音。

同樣，耳機(jī)、耳道和耳膜也會(huì)形成共振腔并放大周圍的噪聲，這種放大的噪聲，可讓 HeadFi 測(cè)量到更高的電壓信號(hào)輸出。基于這一觀察，他使用信號(hào)強(qiáng)度、及其標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行開關(guān)檢測(cè)，當(dāng)用戶戴上耳機(jī)時(shí)，這兩個(gè)值會(huì)急劇上升。

確認(rèn)用戶已佩戴耳機(jī)之后，讓插到 HeadFi 組件上的耳機(jī)發(fā)射掃頻信號(hào)，這時(shí) HeadFi 即可識(shí)別不同的用戶，原理是每個(gè)人的耳道形狀和大小都是獨(dú)一無(wú)二的。

此外，每個(gè)人耳道的阻抗也不一樣，同一個(gè)人的左右耳道的生理結(jié)構(gòu)也不一樣，所以 HeadFi 可通過感知左右耳的掃頻信號(hào)的回音差值來識(shí)別用戶。

圖 |HeadFi 的相關(guān)信號(hào)（來源：受訪者）

由于人臉識(shí)別會(huì)引起隱私問題，并且對(duì)拍照時(shí)的光照條件有一定要求，而 HeadFi 可以在不拍照的情況下識(shí)別用戶，因此能更好保護(hù)地用戶隱私。

研究中，范小然還演示了 HeadFi 的語(yǔ)音通話功能。語(yǔ)音通話功能是 HeadFi 系統(tǒng)最直接的應(yīng)用。

他認(rèn)為，能把普通耳機(jī)變成可以打電話的耳機(jī)，可能是本次研究中意義最重大的一個(gè)智能應(yīng)用。期間，他客觀測(cè)試了 54 對(duì)耳機(jī)的通話質(zhì)量，并且邀請(qǐng) 26 位測(cè)試者進(jìn)行主觀打分實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，絕大部分耳機(jī)的通話質(zhì)量都能令測(cè)試者滿意，有的耳機(jī)甚至接近直接使用手機(jī)麥克風(fēng)打電話的通話音質(zhì)。

已申請(qǐng)專利，并正在蘋果、微軟等洽談

雖然只在有線耳機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，但 HeadFi 也可用在無(wú)線耳機(jī)上。概括來說，HeadFi 通過簡(jiǎn)單升級(jí)，就可將全球數(shù)以億計(jì)的普通耳機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芏鷻C(jī)，并且原件成本極低，批量制造時(shí)單價(jià)不到 50 美分。

據(jù)悉，本次研究成果由范小然和讀書期間的導(dǎo)師張燕詠合作，后者目前是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)。

目前該技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)專利，羅格斯大學(xué)也已把該技術(shù)放在官網(wǎng)上進(jìn)行招標(biāo)。就 HeadFi 的落地，研究團(tuán)隊(duì)已跟蘋果以及微軟接洽過，目前也在和國(guó)內(nèi)企業(yè)接洽。

未來主要針對(duì)手機(jī)、電腦和平板使用，以手機(jī)廠商為例，當(dāng)把 HeadFi 集成到手機(jī)上，即使佩戴的是普通耳機(jī)，也能實(shí)現(xiàn)前文的智能應(yīng)用。

范小然是四川人，生于 1993 年，目前剛從羅格斯大學(xué)博士畢業(yè)，并已入職三星人工智能中心工作，擔(dān)任人工智能與機(jī)器人科學(xué)家職位。

他告訴 DeepTech，自己本科階段專業(yè)偏向物理和微電子，來羅格斯大學(xué)讀博后轉(zhuǎn)向電子和計(jì)算機(jī)工程方向。激勵(lì)他做本次項(xiàng)目的原因，除了曾經(jīng)的導(dǎo)師張燕詠發(fā)出了合作邀約，也因?yàn)樗旧硎且晃欢鷻C(jī)發(fā)燒友，一直以來都對(duì)耳機(jī)行業(yè)的發(fā)展有著濃厚的興趣。

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