基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)機器人聽覺隱私信息分類算法

摘 要：為獲得機器人聽覺行為隱私感知方法，解決語音監(jiān)聽設(shè)備存在的隱私泄露風(fēng)險，本文提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)機器人聽覺隱私信息分類算法（APICA）。首先，設(shè)計了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)機器人聽覺隱私信息分類算法及其卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;其次，給出了機器人的聽覺隱私信息監(jiān)聽系統(tǒng)工作流程;最后，為評估該聽覺隱私信息分類算法性能，構(gòu)建了訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)集，并在服務(wù)機器人平臺上部署和實現(xiàn)了該算法。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)識別隱私信息的平均精確率P、召回率R和F1值分別為96.35%、93.20%和94.53%，具有良好的識別和分類效果。

關(guān)鍵詞：隱私感知方法;服務(wù)機器人;分類算法;聽覺隱私信息

中圖分類號：TP181

文獻標(biāo)識碼： A

隨著人口老齡化趨勢加快，越來越多的獨居老人需要被照顧，人們對助老機器人的需求也越來越明顯[1]。

為輔助老年人日常生活，薛同來等[2]研究了基于激光SLAM的助老機器人，其擁有自主構(gòu)建室內(nèi)地圖以及自主導(dǎo)航的功能，可以定位目標(biāo)物體和自主移動，并使用機械臂對物體進行抓取。為解決老年人心理健康問題，劉策等[3]構(gòu)建了具有語音識別、手勢識別、人臉識別和遠程控制功能的多模式友好交互系統(tǒng)，實現(xiàn)了注冊與驗證、移動控制、新聞點播、日程提醒及語音對話5種功能。與此同時，為給老年人提供科學(xué)合理的飲食建議，蘇志東等[4-5]提出了基于服務(wù)機器人聽覺的個體膳食構(gòu)成自主感知算法，實現(xiàn)了對用戶膳食構(gòu)成的智能感知，為用戶醫(yī)療診斷、飲食干預(yù)和機器人的主動服務(wù)等提供決策依據(jù)。為了應(yīng)對老年人記憶力衰退的情況，Ahn Ho等[6]提出了一種基于家庭服務(wù)機器人的大腦訓(xùn)練方法，將記憶訓(xùn)練部署到機器人上，以增強機器人功能性。為增強老年人的體質(zhì)，降低老年人摔倒的風(fēng)險，F(xiàn)oukarakis等[7]提出了一種利用機器人視覺系統(tǒng)來識別和跟蹤用戶行為的方法，可以提供相關(guān)的練習(xí)和反饋來激勵用戶進行體育鍛煉和康復(fù)訓(xùn)練。為滿足老年人的遠程護理需求，Zhou等[8]提出了一種基于服務(wù)機器人的遠程醫(yī)療系統(tǒng)。該系統(tǒng)在家庭成員和醫(yī)生之間建立連接，利用自動健康數(shù)據(jù)采集技術(shù)和目標(biāo)檢測算法，實現(xiàn)遠程護理。然而，智能家居系統(tǒng)和服務(wù)機器人廣泛使用語音監(jiān)聽設(shè)備，這存在用戶隱私泄露的風(fēng)險。

有研究表明，用戶會因擔(dān)憂語音監(jiān)聽設(shè)備泄露隱私而影響心理狀態(tài)甚至引起心理障礙[9]。如何構(gòu)建對隱私內(nèi)容有符合人心理需求反應(yīng)的系統(tǒng)，是值得深入研究的課題。為獲得機器人聽覺行為隱私感知方法，解決語音監(jiān)聽設(shè)備存在的隱私泄露的風(fēng)險，本文提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)機器人聽覺隱私信息分類算法。

1 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)機器人聽覺隱私信息分類算法

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是受生物學(xué)啟發(fā)而提出形成的一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用局部連接和權(quán)值共享特性，減少模型參數(shù)，并具有平移、尺度和視角不變性[10]。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅在圖像分類領(lǐng)域貢獻巨大，而且在自然語言方面也取得了引人注目的成果[11-13]。針對機器人聽覺行為隱私感知，本文提出了算法1所示的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)機器人聽覺隱私信息分類算法（Social Robot Auditory Privacy Information Classification Algorithm based on Convolutional Neural Network， APICA）。圖1是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

2 機器平臺

圖2所示為課題組搭建的服務(wù)機器人平臺MAT[5，14]，主要包括Intel NUC mini主機、EAI DashgoB1移動底盤、IPad顯示屏、科大訊飛六麥環(huán)形麥克風(fēng)陣列板、Microsoft Kinect V2深度攝像頭、輔助傳感器和數(shù)據(jù)處理器等。聽覺系統(tǒng)采用的六麥環(huán)形麥克風(fēng)陣列板具有聲源定位、回聲消除、噪聲過濾等功能，用于實現(xiàn)對音頻信號的采集;視覺采用的Microsoft Kinect V2深度攝像頭用于采集RGB彩色圖像;機器人上配備的GSM通信模塊可以在緊急狀況下與監(jiān)護人進行通話。為減少機器人平臺運算負荷，訓(xùn)練數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析由數(shù)據(jù)處理工作站完成。服務(wù)機器人主機安裝了Ubuntu16.04操作系統(tǒng)、Kinect 版本 ROS（Robot Operation System）系統(tǒng)、TensorFlow CPU版本深度學(xué)習(xí)框架和機器視覺工具包Opencv3.3.0。課題組運用Python語言實現(xiàn)了APICA算法，并將其部署在MAT機器人上。

3 測試與分析

3.1 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集、測試數(shù)據(jù)集和性能指標(biāo)

使用MAT服務(wù)機器人的六麥環(huán)形麥克風(fēng)陣列收集訓(xùn)練語音數(shù)據(jù)。與此同時，考慮到法律、文化習(xí)俗、認(rèn)知心理學(xué)等與隱私信息形成有關(guān)的因素，調(diào)研相關(guān)文獻資料，收集、整理、歸納出家庭生活中涉及語音隱私信息的特殊場景，研究確定不同場景下所涉及的語音隱私內(nèi)容特征，設(shè)計了以下6種場景：（1）對話內(nèi)容涉及家庭人員出行計劃的場景;（2）對話內(nèi)容涉及家庭人員聯(lián)系方式的場景;（3）對話內(nèi)容涉及支付密碼的場景;（4）對話內(nèi)容涉及宗教的場景;（5）對話內(nèi)容涉及貴重物存放處的聊天場景;（6）對話內(nèi)容涉及言語批評朋友或者攻擊雙方父母的場景。

基于上述6種場景構(gòu)建了包括7種類別的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集：

（1）第1類數(shù)據(jù) 對話內(nèi)容涉及家庭人員出行計劃的場景，其對話內(nèi)容中包含：①未來出行計劃的時間名詞;②未來出行計劃的地理名詞。

（2）第2類數(shù)據(jù) 對話內(nèi)容涉及家庭人員聯(lián)系方式的場景，其對話內(nèi)容中包含：①聯(lián)系方式的相關(guān)表達;②有關(guān)聯(lián)系方式的數(shù)字。

（3）第3類數(shù)據(jù) 對話內(nèi)容涉及支付密碼的場景，其對話內(nèi)容中包含：①支付密碼的相關(guān)表達;②有關(guān)支付密碼的數(shù)字和字母。

（4）第4類數(shù)據(jù) 對話內(nèi)容涉及宗教的場景，其對話內(nèi)容中包含：①某人是某宗教成員;②某人表達愿意加入某宗教;③某人喜歡、尊崇、信仰某宗教。

（5）第5類數(shù)據(jù) 對話內(nèi)容涉及貴重物存放處的場景，其對話內(nèi)容中包含：①貴重物品的名稱;②對應(yīng)貴重物品的存放地點。

（6）第6類數(shù)據(jù) 對話內(nèi)容涉及言語批評朋友或者言語攻擊雙方父母的場景，其對話內(nèi)容中包含批評或謾罵朋友或父母的詞匯。

（7）第7類數(shù)據(jù) 不屬于上述6種場景的對話，屬于不包含隱私信息的數(shù)據(jù)。

測試數(shù)據(jù)集構(gòu)建方面，對話內(nèi)容通過網(wǎng)上收集和課題組成員構(gòu)思獲得。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)規(guī)模見表1。

采用精確率P、召回率R與綜合評價指標(biāo)F1值度量算法的性能。

3.2 測試結(jié)果與分析

在已搭建的服務(wù)機器人平臺上部署設(shè)計的算法，將超參數(shù)設(shè)置為：迭代次數(shù)為3 000，卷積核數(shù)目為256，批處理參數(shù)為64，初始學(xué)習(xí)率為0.001，Dropout保留比例為0.5。測試數(shù)據(jù)識別結(jié)果的混淆矩陣如表2所示。精確率P、召回率R和綜合評價指標(biāo)F1值統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

觀察表2和表3可知：

（1）第1類測試數(shù)據(jù)共75條，其中正確識別數(shù)為68條，錯誤識別的有7條，系統(tǒng)的精確率和召回率分別為93.15%和90.67%。核查識別錯誤的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)識別錯誤的原因為：①對話未出現(xiàn)具體的地理名詞，而是通過其中一般名詞和方向名詞可以推理出地理名詞;②對話出現(xiàn)多個地理名詞，且對話雙方經(jīng)過反復(fù)談?wù)摮鲂杏媱澋罱K又否定出行計劃。

（2）第2類、第3類和第5類測試數(shù)據(jù)分別有72條、76條和48條，系統(tǒng)的精確率和召回率均為100%。

（3）第4類測試數(shù)據(jù)共58條，其中正確識別數(shù)為54條，錯誤識別為類別7的有4條，系統(tǒng)的精確率和召回率分別為96.43%和93.10%。核查識別錯誤的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)識別錯誤的原因為：對話內(nèi)容中存在否定是某個宗教人員的話語，如“我不是佛教成員，我是基督教成員?！?/p>

（4）第6類測試數(shù)據(jù)共58條，其中正確識別數(shù)為42條，錯誤識別為類別7的有16條，其精確率和召回率分別為95.45%和72.41%。核查識別錯誤的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)識別錯誤的原因為：①言語批評的對象為影視劇或歷史人物;②一些詞語在不同的語句中含義不同，例：“我身體不舒服，有點想吐”與“我每次看到我們領(lǐng)導(dǎo)都想吐”，這兩句話中的“吐”字，用在不同的地方具有不同的語義;③語氣導(dǎo)致的語義改變而導(dǎo)致識別錯誤。

（5）第7類測試數(shù)據(jù)共238條，系統(tǒng)正確識別229條，錯誤識別為類別1、4、6的數(shù)據(jù)分別有5條、2條和2條，系統(tǒng)的精確率和召回率分別為89.45%和96.22%。

綜上，測試數(shù)據(jù)集共625條數(shù)據(jù)，系統(tǒng)正確識別數(shù)為589條，總體識別準(zhǔn)確率為94.24%，平均精確率為96.35%，平均召回率為93.20%，綜合評價指標(biāo)為94.53%，系統(tǒng)具有很好的識別和分類效果。

4 結(jié)語

研究服務(wù)機器人聽覺隱私信息的感知和保護技術(shù)，有助于服務(wù)機器人的推廣與普及。本文正是針對機器人所監(jiān)聽到的語音數(shù)據(jù)，提出和實現(xiàn)了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)機器人聽覺隱私信息分類算法，來判定語音數(shù)據(jù)的隱私類別，為隱私數(shù)據(jù)的保護奠定基礎(chǔ)。下一步將繼續(xù)補充和完善訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，使監(jiān)聽系統(tǒng)具有更好的魯棒性;此外，聽覺隱私數(shù)據(jù)的保護機制與方法也是值得深入研究的方向。

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（責(zé)任編輯：曾 晶）