基于光的聆听：北京理工大学开发低成本视觉麦克风

盖世汽车讯 据外媒报道，北京理工大学研究人员发明了一种利用光而非声音进行监听的麦克风。与传统麦克风不同，这种视觉麦克风能够捕捉声波在物体表面引起的微小振动，并将其转化为可听信号。

（图片来源：北京理工大学）

该团队负责人姚旭日表示：“这种方法简化了利用光捕捉声音的过程，不仅降低了成本，而且能应用于传统麦克风无法发挥作用的场景，例如隔着玻璃窗交谈。只要有光可以穿过的通道，就不必使用声音传输。”

在Optica出版集团旗下期刊《Optics Express》上，研究人员描述了一种新方法，首次将单像素成像应用于声音检测领域。他们使用无需任何昂贵组件的光学装置，证明了该技术可以利用树叶和纸张等日常物体的表面振动来恢复声音。

姚旭日表示：“这项新技术可能会改变人们录制和监控声音的方式，为环境监测、安全和工业诊断等诸多领域带来新的机遇。例如，它可以让我们与困在房间或车内等密闭空间的人进行通话。”

简化设置

尽管人们已尝试多种利用光来探测声音的方法，但它们普遍依赖复杂的光学设备，例如激光器或高速摄像头。在这项新研究中，研究人员采用称为单像素成像的计算成像方法，以开发更简单、成本更低的光学声音检测技术。

单像素成像仅使用一个光探测器（或称像素）来采集图像，而不是拥有数百万像素的传统摄像头传感器。它并非一次性记录所有图像，而是通过空间光调制器，以时变结构模式（time-varying structured patterns）来调制场景光线，再由单像素探测器测量每个模式的调制光量。然后，计算机利用这些测量值重建物体信息。

为将单像素成像应用于声音探测，该团队用高速空间光调制器，对振动表面反射的光线进行编码。声音引起的运动会导致光强度发生细微变化，这些变化被单像素检测器捕获并解码为可听声音。研究人员利用基于傅里叶（Fourier）的定位方法来追踪物体的振动，从而能够高效、精确地测量微小的变化。

姚旭日表示：“将单像素成像与与基于傅里叶的定位法结合，我们能够使用更简单的设备，以更低的成本实现高质量的声音探测。我们的系统能够在自然光照条件下，利用纸片、树叶等日常物品来探测声音，且无需振动表面以特定方式反射光线。

“使用单像素探测器记录光强度信息，另一优势在于生成的数据量相对较少。这意味着这些数据能够轻松地实时下载至存储设备或上传至互联网，从而实现长时间甚至不间断的声音记录。”

捕捉声音

为了演示这款新型视觉麦克风，研究人员测试其重建中文和英文数字发音，以及贝多芬《致爱丽丝》片段的能力。实验采用纸卡与树叶作为振动目标，将它们置于距离声源0.5米的地方。当附近的扬声器播放音频时，该系统成功重建了清晰易懂的音频，其中纸卡的效果优于树叶。

姚旭日表示：“目前，这项技术还仅存在于实验室中，可用于传统麦克风失效的特殊场景。我们的目标是将其扩展至其他振动测量应用，包括人体脉搏和心率检测，充分利用其多功能信息感知能力。”同时，该团队致力于提升系统的灵敏度和精确度，以及增强便携性以适应日常使用场景。另一关键目标是扩展有效探测距离，实现可靠的远距离声音检测。