智能面罩和智能面罩系统的制作方法

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1.本公开涉及智能面罩和智能面罩系统。

背景技术：

2.面罩（诸如面部覆盖物、外科面罩、n95面罩等）是帮助减少细菌和传染病传播的简单且有效的方式。这些面罩困住在佩戴者打喷嚏、咳嗽或说话时释放的飞沫。它们还可以保护面罩佩戴者的鼻子和嘴巴免于接触来自其他个体的呼吸道飞沫。这些面罩也用来过滤出空气中的大颗粒。
3.面罩佩戴者的一个痛点是面罩引起的言语交流退化。语音通常被压抑，音量被降低，并且可懂度严重减弱。这通常使听者难以理解面罩佩戴者正在说什么。面罩佩戴者可能需要比正常情况更响亮地讲话，以保持听者的响度水平。然而，可能没有改进语音可懂度，并且几种声音仍然难以被感知。

技术实现要素：

4.根据实施例，一种智能面罩包括具有后框架和前覆盖物的主体。后框架限定中心开口和围绕该中心开口的边界，该边界提供被配置为接合可替换过滤器的表面。前覆盖物至少部分可移除地附接到后框架，前覆盖物限定当前覆盖物附接到后框架时与后框架的中心开口对齐的中心开口，前覆盖物进一步限定围绕中心开口的边界，其中前覆盖物的边界的至少一部分被配置为可移除地附接到后框架的边界，以使得能够替换过滤器。该智能面罩还包括麦克风，该麦克风嵌入后框架中并被配置为从面罩佩戴者接收话语；嵌入前覆盖物中的扬声器；以及位于主体中并耦合到麦克风和扬声器以及存储器的处理器，该处理器被编程为（i）接收表示话语的信号，（ii）执行存储在存储器中的语音增强模型以增强话语，以及（iii）输出信号以使得扬声器基于话语的增强而输出声音。
5.根据实施例，一种智能面罩包括：主体，其具有被配置为在该智能面罩被佩戴时接触佩戴者的后框架，以及被配置为覆盖后框架的前覆盖物，其中后框架和前覆盖物协作以保持可替换的过滤器；接近传感器，其固定在主体内并被配置为检测对象远离接近传感器的距离；固定在主体内的光源；以及嵌入主体内并耦合到接近传感器和光源的处理器，其中处理器被配置为响应于检测到的距离小于距离阈值而使得光源发射颜。
6.根据实施例，一种用于增强面罩佩戴者的语音的系统包括：面罩主体，其包括后框架和前覆盖物，后框架包括第一边界，该第一边界限定佩戴时与面罩佩戴者的嘴巴对齐的第一开口，前覆盖物包括第二边界，该第二边界限定与第一开口对齐的第二开口，其中后框架和前覆盖物协作以限定用于收容可替换过滤器的容器；麦克风，其附接到面罩主体并被配置为从面罩佩戴者接收话语；附接到面罩主体的扬声器；存储器，其被容纳在面罩主体内并包含根据多个声学模型训练的语音增强模型；以及容纳在面罩主体内的处理器。处理器被编程为从麦克风接收话语，采用语音增强模型通过估计偏离话语的背景噪声频谱来处理话语，移除背景噪声频谱，并且在移除背景噪声频谱的情况下经由扬声器输出增强话语。
附图说明
7.图1是图示了根据实施例的智能面罩和相关联系统的示意图。
8.图2是图示为根据实施例的声音进入、被处理和被送出智能面罩的流程图的图。
9.图3是根据实施例的智能标记的主体的分解透视图。
10.图4是根据实施例的智能面罩的前视图（即，智能面罩背离佩戴者的一侧）。
11.图5是根据实施例的智能面罩的后视图（即，智能面罩面向佩戴者的一侧）。
具体实施方式
12.本文中描述了本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种和替代的形式。各图不一定是按比例的；一些特征可以被放大或缩小以示出特定组件的细节。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式来采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任一图所图示和描述的各种特征可以与一个或多个其他图中图示的特征相组合，以产生未被明确图示或描述的实施例。所图示的特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实现方式，可能期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。
13.面罩（诸如面部覆盖物、外科面罩、n95面罩等）是帮助减少细菌和传染病传播的简单且有效的方式。随着covid-19的传播，这些面罩现在可能比以往任何时候都更加重要。这些面罩可以困住在佩戴者打喷嚏、咳嗽或说话时释放的飞沫。它们还可以保护面罩佩戴者的鼻子和嘴巴免于接触来自其他个体的呼吸道飞沫。这些面罩也用来过滤出空气中的大颗粒。
14.虽然面罩可以帮助阻止传染病的传播，但它们也伴随着其问题。首先，面罩使人更难以听到面罩佩戴者正在说什么。语音通常被压抑，音量被降低，并且面罩佩戴者所讲的词语的清晰度受到阻碍。即使面罩佩戴者更响亮地讲话，也可能仍然难以理解面罩佩戴者正在说什么。
15.因此，根据本文所述的各种实施例，公开了一种面罩10，其用于改进可懂度并一般使听者更容易理解面罩佩戴者正在说什么。面罩10并入了电子器件来改进语音。因此，面罩10可以被称为智能面罩。智能面罩10还包括将被详细描述的智能面罩系统12（或者是其一部分）。
16.智能面罩10和相关联的智能面罩系统12被配置为从面罩佩戴者接收话语或所讲的语音，并基于该话语输出增强该话语的音频以改进该话语的可懂度。可以提供各种设备作为面罩10本身的一部分或者包括智能面罩10的整个智能面罩系统12。这些设备可以包括音频收发器14、一个或多个处理器16（为了说明的目的，仅示出一个）、任何合适数量和布置的存储器18，诸如非易失性存储器18（存储一个或多个程序、算法、模型等）和/或易失性存储器。因此，智能面罩系统12包括至少一个计算机（例如，体现为处理器16和存储器18中的至少一个），其中智能面罩系统12被配置为实行本文描述的方法。智能面罩系统12还可以包括无线收发器20、接近传感器22和光源24，这些也将依次描述。
17.音频收发器14可以包括一个或多个麦克风26、一个或多个扬声器28以及耦合到（一个或多个）麦克风26和扬声器28的一个或多个电子电路（未示出）。（一个或多个）电子电
路可以包括放大器（例如，以放大传入和/或传出模拟信号）、降噪电路、模数转换器（adc）、数模转换器（dac）等等。音频收发器14可以通信地耦合到处理器16，使得由面罩佩戴者发出的可听人类语音可以经由（一个或多个）麦克风26被接收到智能面罩系统12中，并且使得一旦对话系统10已经处理了用户的语音，就可以经由扬声器28向听者可听地生成声音。这示出在图2中所图示的图中。麦克风26被配置为接收从面罩佩戴者所讲的话语，该话语然后可以经由adc 40被转换成数字的，以供处理器16使用。处理器16然后可以访问存储器18，该存储器18除其他事物外还包含语音增强模型30（下面讨论），用于增强面罩佩戴者的语音。处理器16然后可以发送信号到dac 42以供转换成模拟信号，使得声音可以离开扬声器28。
18.当然，在未图示的智能面罩系统12中可以实现其他结构。例如，可以提供噪声过滤器、前置放大器、功率放大器、干扰移除器等。输入缓冲器可以设置在adc 40和处理器16之间，并且输出缓冲器可以设置在处理器16和dac 42之间。
19.如果一个麦克风26与智能面罩10一起使用，则可以利用单通道语音增强解决方案。如果两个或更多个麦克风26与智能面罩10一起使用，则可以利用麦克风阵列解决方案来增强语音可懂度。替代地，可以利用定点dsp解决方案来降低功耗。
20.（一个或多个）处理器16可以被编程为处理和/或执行数字指令，以实行本文描述的至少一些任务。（一个或多个）处理器16的非限制性示例包括微处理器、微控制器或控制器、专用集成电路（asic）、现场可编程门阵列（fpga）、包括被布置来执行预定任务或指令的离散数字和/或模拟电子组件的一个或多个电路等中的一个或多个。处理器16因此也可以被称为控制器。在至少一个示例中，处理器16从存储器18读取并执行多个指令集，所述指令集可以被体现为存储在非暂时性计算机可读存储介质（例如，诸如非易失性存储器）上的计算机程序产品。指令的一些非限制性示例在下面的过程中描述并在附图中图示。除非另有声明，否则这些和其他指令可以以任何合适次序执行。下面描述的指令和示例过程仅仅是实施例并且不旨在是限制性的。
21.存储器18可以包括非易失性存储器和/或易失性存储器两者。非易失性存储器可以包括任何非暂时性计算机可用或计算机可读介质、存储设备、存储物品等，其包括持久性存储器（例如，非易失性的）。非易失性存储器的非限制性示例包括：只读存储器（rom）、可擦除可编程只读存储器（eprom）、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、光盘、磁盘（例如，诸如硬盘驱动器、软盘、磁带等）、固态存储器（例如，浮栅金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）、闪速存储器（例如，nand闪存、固态驱动器等）、以及甚至一些类型的随机存取存储器（ram）（例如，诸如铁电ram）。根据一个示例，非易失性存储器可以存储一个或多个指令集，所述指令集可以体现为软件、固件或可由处理器16执行的其他合适的编程指令——包括但不限于本文阐述的指令示例。例如，根据实施例，非易失性存储器可以存储各种程序、算法、模型等，诸如语音识别模型30、语音提取模型32和/或语音增强模型34，这些将依次描述。根据示例，存储器18可以存储一个或多个上述模型（30-34）的任何组合，并且可以不存储其他的。这些模型30-34各自可以包括唯一的指令集，并且模型30-34仅仅是示例（例如，可以取而代之地使用一个或多个其他程序）。
22.存储器18可以可选地包括易失性存储器，其可以包括任何非暂时性计算机可用或计算机可读介质、存储设备、存储物品等，其包括非持久性存储器（例如，它可能需要功率来维护存储的信息）。易失性存储器26的非限制性示例包括：通用随机存取存储器（ram）、静态
ram（sram）、动态ram（dram）等。
23.在本文中，除非另有声明，否则术语存储器可以指代非易失性或易失性存储器。在操作期间，处理器16可以从存储器18读取数据和/或将数据写入存储器18，存储器18可以包括易失性或非易失性存储器。
24.语音识别模型30可以是处理可听人类语音的任何合适的指令集。根据示例，语音识别模型30将面罩佩戴者的人类语音转换成可识别和/或可解释的词语（例如，文本语音数据）。语音识别模型30的非限制性示例是包括声学模型、发音模型和语言模型的模型，例如，其中声学模型将音频片段映射成音素，其中发音模型将音素连接在一起以形成词语，并且其中语言模型表达给定短语的可能性。继续本示例，语音识别模型30除其他事物外还可以经由（一个或多个）麦克风26接收人类语音，并且基于文本语音数据确定发出的词语及其上下文。
25.语音提取模型32可以是如下任何合适的指令集：其从面罩佩戴者的可听人类语音中提取信号语音数据，并使用提取的信号语音数据来澄清在没有这样的信号语音数据的情况下分析文本所产生的歧义。此外，在一些示例中，语音提取模型32可以包括标识可听人类语音中的讽刺信息的指令。因此，语音提取模型32促进更准确地解释可听人类语音；因此，使用由语音提取模型32确定的信息，智能面罩系统12可以生成更准确的响应。
26.根据至少一个示例，语音提取模型32使用原始音频（例如，来自麦克风26）和/或语音识别模型30的输出。信号语音数据可以包括韵律提示、频谱提示或上下文提示中的一个或多个，其中韵律提示包括口音特征、重音特征、节奏特征、音调特征、音高特征和语调特征中的一个或多个，其中频谱提示包括分配给用户语音的音频信号的频率范围之外的任何波形（例如，频谱提示可以通过傅立叶分析或傅立叶变换分解成其频谱分量），其中上下文提示包括语音上下文的指示（例如，围绕着人类语音中表达的提供附加意义的事件、陈述或想法的环境）。下面将详细讨论提取的信号知识的类型（即信号语音数据）。
27.语音增强模型34可以包括语音识别模型30和/或语音提取模型32，或者可以是从模型30、32接收数据的独立模型。换句话说，本文描述的每个模型一般可以被称为语音增强模型。语音增强模型34一般被配置为在输出到扬声器28之前增强语音。基于模型的语音增强可以用于改进语音可懂度。语音增强模型34可以根据几个声学模型进行训练，以表示不清晰和清晰的语音声音之间的映射。可以从解码具有与不清晰声音匹配的最高似然分数的经训练模型来获得清晰声音。最终，可以从（一个或多个）处理器16输出清晰声音，以输出到扬声器28。从扬声器28输出的声音可以匹配面罩佩戴者的实时话语的音高和音调，并且来自面罩佩戴者的真实未处理话语与从扬声器28输出的声音的组合改进了声音的可懂度，以便更好地收听。
28.语音增强模型34可以是端到端神经网络或被训练成基于输入话语生成增强语音信号的任何合适的神经网络。在一个示例中，语音增强模型34利用深度学习过程（例如，端到端学习），该深度学习过程包括训练组件（例如，其中（一个或多个）处理器16记录由人类操作者执行的所有参数（例如，通过卷积神经网络cnn））和推理组件（例如，其中（一个或多个）处理器16根据先前从训练组件得到的经验起作用）。
29.语音增强模型34可以利用噪声估计算法作为其语音增强的一部分。在这样的系统中，背景噪声的频谱被估计为偏离所讲话语，并且那些背景噪声频谱从发送以由扬声器28
输出的声音信号中被移除。在实施例中，利用多通道维纳过滤器（mwf）。在实施例中，分布式自适应节点特定信号估计（danse）算法是智能面罩的个体节点（例如，每个麦克风和相关联的处理架构）的mwf的分布式实现，并且其允许节点通过交换经前置过滤和压缩的信号来协作，同时最终收敛到相同的集中式mwf解决方案，就好像每个节点具有对智能面罩中的所有麦克风信号的访问权一样。在实施例中，可以利用基于广义特征值分解（gevd）的danse，其中每个节点在其局部mwf中并入语音相关矩阵的基于gevd的低秩近似。在实施例中，双缓冲（例如，ping-pong缓冲器）可以在两个缓冲器中实现，一个是ping并且一个是pong，它们各自接收数据，缓冲数据，并且将数据传输回去以供另一个缓冲器进一步缓冲。例如，如果一个接收缓冲器（例如，ping）已经满了，则来自缓冲器端口（例如，多通道缓冲串行端口，mcbsp）的数据可以被传递到接收缓冲器（例如，pong），并且控制器可以将传输pong缓冲器中的经处理数据传达到mcbsp以发送出去。同时，处理器处理ping接收缓冲器中的数据，并将增强的数据放入ping传输缓冲器中。
30.一旦语音或话语被模型30识别，并且可选地被模型32提取，语音或话语就可以通过实现数字信号处理机器学习或本文描述的其他方法的增强模型34来增强，并且最终增强的语音由扬声器28输出。语音增强模型34被配置为在几乎没有或没有噪声或其他干扰的情况下以清晰的方式输出那些所讲的词语。一旦转换成模拟的（例如，经由dac 42），就可以从扬声器28输出声音，其包括在音高和频率方面与来自面罩佩戴者的实时所讲话语匹配的经放大的、清晰的所讲词语。
31.本文描述的模型（例如，模型30-34）可以被配置为使用预编程并固定在存储器18中的软件来执行数字信号处理。模型30-34还可以实现机器学习功能，其中存储器18存储可由（一个或多个）处理器16执行的一个或多个学习引擎，以处理从麦克风26接收的话语数据，并开发关于面罩佩戴者的话语或所讲词语元数据。机器学习一般指代计算机应用在没有明确编程的情况下进行学习的能力。特别地，执行机器学习的计算机应用（有时称为学习引擎）被配置为基于训练数据开发算法。例如，为了执行监督学习，训练数据包括示例输入和对应的期望（例如，实际）输出，并且学习引擎逐步开发将输入映射到训练数据中包括的输出的模型。机器学习可以使用各种类型的方法和机制来执行，包括但不限于决策树学习、关联规则学习、人工神经网络、归纳逻辑编程、支持向量机、聚类、贝叶斯网络、强化学习、表示学习、相似性和度量学习、稀疏字典学习和遗传算法。
32.将领会，计算机程序、算法、模型等可以体现在任何合适的指令布置中。例如，语音识别模型30、语音提取模型32、语音增强模型34以及任何其他附加的合适的程序、算法或模型中的一个或多个可以被布置为能够经由（一个或多个）处理器16彼此交互和交换数据的单个软件程序、多个软件程序等。此外，上述程序、算法或模型的任何组合可以全部或部分存储在存储器18上。
33.无线收发器20可以集成到面罩10中，或者在面罩10的外部，但是作为智能面罩系统12的一部分。无线收发器20使能实现智能面罩系统12和另一设备之间的通信，该另一设备诸如是移动设备（例如，智能电话、智能手表、其他可佩戴设备等）。这可以使能实现从智能面罩10到设备上的电子个人助理的通信，该电子个人助理诸如用于apple
tm
设备的siri
tm
或用于android
tm
设备的google assist
tm
（google now
tm
）。这样，无线收发器20可以被配置为经由蓝牙、蓝牙低能量（ble）、z波、超高频（uhf）、zigbee或基于ieee 802.15.4的其他通
信协议等与设备通信。
34.无线收发器20还通信地连接到（一个或多个）处理器16，并与实现的语音增强模型交互。例如，由本文描述的模型以数字形式识别的语音可以被传送到电子个人设备用于命令。这可以澄清给予个人助理的命令，以供个人助理更好地处理。如本文所述，任何面罩或面部覆盖物可能干扰话语的可懂度；通过增强语音并且然后基于增强的语音向电子个人助理发送信号，电子个人助理能够更好地理解和处理面罩佩戴者给出的命令。
35.在其他实施例中，无线收发器20以如下方式耦合到（一个或多个）处理器16：即，来自面罩佩戴者的话语在没有任何语音增强的情况下被传输到移动设备。例如，话语可以仅通过系统12从麦克风26和adc 40传递，并作为数字信号传输到移动设备，而不依赖于任何模型30-34等。因此，未过滤且原始的语音被转换成数字信号并传输到移动设备。
36.接近传感器22和光源24也可以可选地集成到面罩10中，或者在面罩10的外部，但是作为智能面罩系统12的一部分。接近传感器22被配置为检测距传感器阈值距离（例如，六英尺）内附近对象的存在。光源24可以响应于接近传感器22指示一对象比阈值距离更靠近传感器而激活。这可以警告面罩佩戴者和外部对象（例如，另一个人）两者他们彼此不安全地靠近。当前的疾病控制中心（cdc）指南建议交谈的人之间维持六英尺，并且接近传感器22和光源24的使用可以作为警告人们安全地保持其距离的工具。
37.接近传感器可以是被配置为在没有任何物理接触的情况下检测附近对象的存在的任何类型的传感器。例如，它可以发射电磁场或电磁辐射束（例如，红外）并寻场或返回信号的改变。在其他实施例中，接近传感器22可以体现为电容传感器、电感传感器、磁传感器、光学传感器（例如，光电池），或者可以利用雷达、声纳等。来自接近传感器22的信号被输出到处理器16，处理器16访问例如存储在存储器18中的关于阈值距离的预定规则。响应于来自接近传感器的指示传感器22和外部对象之间的距离小于存储的阈值距离的信号，处理器16可以激活安装在面罩10上的光源24（例如，发光二极管led等）。
38.在一个实施例中，响应于处理器16识别出面罩佩戴者正在经由麦克风26讲话，光源24将发射第一颜。响应于处理器16经由接近传感器22识别出附近对象比阈值距离更靠近，光源24可以发射第二颜（不同于第一颜）。例如，当面罩佩戴者正在说话时，光源24可以发射黄光，并且如果接近传感器22检测到阈值距离（例如，六英尺）内的人，则光源24可以改变以发射红光。
39.图3图示了根据实施例的面罩10的主体50的分解透视图。主体50包括后框架52和被配置为附接到后框架52的前覆盖物54。后框架52和前覆盖物54之间的附接件可以是铰链连接等，从而始终维持某个区域中的连接或接触，使得即使当后框架52和前覆盖物54打开或分离以收容过滤器62时，电子线路等也可以穿过其中。虽然后框架52和前覆盖物54被示出为单独的组件，但是应当理解，在其他实施例中，它们是单个单元。后框架52、前覆盖物54和过滤器62可以称为面罩组装件。
40.后框架52可以具有开口56，开口56具有围绕开口56的边界58。同样，前覆盖物54可以具有开口59，开口59具有围绕开口59的边界60。如将描述的，开口56、59是收容覆盖开口56、59的过滤器62或面罩材料而存在的。后框架52的边界58提供用于前覆盖物54的边界60的附接区域。附接区域（例如，边界58面向前覆盖物54的一侧）可以是平坦表面，和/或可以提供有用于前覆盖物54的边界60的合适附接件。例如，边界58可以具有粘合剂、钩和环圈
（例如velcro
tm
）、钩、突出部、闩锁或其他这样的附接件，以允许佩戴者容易地将前覆盖物54从后框架52移除或拆分，从而例如触及和替换过滤器62。
41.边界58、60中的任一个或两个可以具有形成在其上的表面特征，该表面特征提供抓持物以供过滤器62进行附接。例如，边界58、60（或至少面向彼此的边界表面）可以由乙烯基、泡沫（例如，乙烯基泡沫、聚乙烯泡沫、闭孔氯丁橡胶等）高密度氨基甲酸乙酯或提供将过滤器62保持在其上的抓持物的其他合适的材料制成。
42.前覆盖物54可以以更永久的方式（例如，缝合、胶粘、共同模制、紧固等）附接到后框架52，而不是可移除的附接件。或者，前覆盖物54和后框架52可以是单个整体组件。在任一实施例中，前覆盖物54和/或后框架52可以限定容器（例如，开口、袋等），其被定大小和配置为在其中收容过滤器62。在使用中，面罩佩戴者可以打开主体50（例如，通过打开后框架52和前覆盖物54之间的铰链连接，或者以其他方式至少部分地将前覆盖物54从后框架52断开）或者简单地触及限定在后框架52和前覆盖物54之间的容器。然后，面罩佩戴者可以移除其中的过滤器62，并用另一个过滤器替换。这保留智能面罩的主体50（允许其重复使用），同时允许根据需要替换过滤器。
43.后框架52和前覆盖物54可以由刚性材料制成，诸如塑料。塑料可以形状适配于佩戴者面部的形状。例如，后框架52可以被模制或以其他方式形成为取佩戴者面部的形状。替代地，后框架52和前覆盖物54可以由柔性材料制成，该柔性材料被配置为密封佩戴者的面部。在这样的实施例中，后框架52（或至少面向佩戴者的表面）可以由橡胶或薄塑料膜或薄膜制成，其可以弯曲和挠曲至佩戴者面部的轮廓。替代地，后框架52可以在前侧由刚性材料（例如塑料）制成，并且在后侧由薄的或更柔软的材料制成以用于接触佩戴者的面部。换句话说，包括后框架52和前覆盖物54的主体50可以包括在前侧具有第一柔性的第一材料，以及在后侧具有第二柔性（大于第一柔性）的第二材料以用于与面部密封。第一材料可以容纳电子组件并提供用于接触前覆盖物54的刚性表面，而第二材料可以与佩戴者的面部密封。
44.后框架52可以包括耳朵环圈64，耳朵环圈64被配置为缠绕面罩佩戴者的耳朵，以将智能面罩保持在佩戴者面部上的适当位置。这只是将面罩维持在佩戴者面部上的一个示例。在另一个实施例中，用被配置为在佩戴者面部后面绑在一起而不是缠绕佩戴者耳朵的条带或带子替换环圈。
45.过滤器62可以由用于适当过滤传染病的合适材料制成。例如，过滤器62可以是n95（例如，过滤0.3μm颗粒的效率为95%）、n99或n100呼吸器。替代地，过滤器62可以由布制成，或者本身可以是外科面罩。过滤器62可以由静电无纺聚丙烯纤维制成，或者也可以由聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯或聚酯制成。例如，如果过滤器62本身是外科面罩，则过滤器62可以具有其自身的环圈，该环圈被配置为缠绕佩戴者的耳朵。如果是这样的话，则过滤器62可以放置在智能面罩10的主体50内，其环圈在主体50的外部，以使得环圈能够可用于缠绕佩戴者的耳朵。
46.在一个示例使用中，用户可以通过将前覆盖物54与后框架52断开来打开主体50。如果有旧过滤器，则用户可以将其移除。然后，用户可以将新过滤器62附接到后框架52，使得它覆盖开口56。上述边界58的材料可以给予过滤器62与后框架52的防滑接合。然后，可以将前覆盖物54放置在过滤器62之上并附接到后框架52，使得前覆盖物54的开口59与后框架52的开口56对齐，并且在智能面罩10的该区域中仅存在过滤器62。过滤器62的任何耳朵环
圈或其他头部附接件可以缠绕用户的头部或耳朵，如同主体50的耳朵环圈64一样。
47.在另一个使用示例中，主体50是单个整体单元，其具有用于更换过滤器62的槽或袋。用户可以触及主体50中的袋或槽，取回旧过滤器并丢弃它。然后可以将新过滤器62放置在后框架52和前覆盖物54之间的槽或袋中。槽或袋的内部可以包括上面关于边界58、60描述的材料，来为过滤器62提供抓持物。主体50的耳朵环圈64或类似物然后可以环绕用户的耳朵被紧固。
48.图4图示了智能面罩10的前视图，特别是从佩戴者所佩戴的智能面罩10前方的角度查看的前覆盖物54。该视图还示出了附接到主体50的过滤器62，其覆盖上述开口56、59。接近传感器22、光源24和扬声器28在此示为固定在前覆盖物54内。接近传感器22、光源24和扬声器28都可以由去往电池（未示出）的电线供电，该电池可以固定或以其他方式位于智能面罩的后框架52或前覆盖物54内。电池还可以为其他组件供电，诸如处理器16、存储器18等。同样，接近传感器22、光源24和扬声器28可以通过电线连接到处理器16，处理器16可以位于后框架52或前覆盖物54中。扬声器28可以嵌入前覆盖物54中，在前覆盖物的底部处与佩戴者的嘴巴对齐的位置中。
49.可以由控制器16基于面罩佩戴者发出的原始语音的音量来动态调整扬声器28的输出音量。此外，可以由控制器16基于由接近传感器22所指示的面罩佩戴者和另一个人之间的距离来动态调整扬声器26的输出音量。例如，如果接近传感器检测到20英尺外的外部对象，则控制器16可以相应地放大扬声器28输出的音量，并且可以随着距离的减小而减小扬声器28输出的音量。在实施例中，可以设置阈值距离（例如，六英尺），其中，如果接近传感器22所检测到的到另一个人的距离小于该阈值，则扬声器28将不再输出声音。
50.图5图示了智能面罩10的后视图，特别是从面罩佩戴者的角度查看的后框架52。换句话说，图5示出了智能面罩10面向佩戴者的一侧。该视图示出了面向佩戴者嵌入或以其他方式固定在后框架52内的两个麦克风26。可以利用附加的麦克风。（一个或多个）麦克风26捕获由面罩佩戴者发出的音频信号，以便由处理器根据本文的教导进行处理。
51.在替代实施例中，扬声器26可以嵌入后框架52中，而不是前覆盖物54中。例如，如果前覆盖物54小于后框架52，则可以利用该实施例。前覆盖物54可以在扬声器26所在的位置中具有对应的开口或切口，以便不干扰扬声器26输出的声音。
52.一个或多个附加的麦克风可以被放置在智能面罩10的前覆盖物54的外部，被配置为捕获环境音频信号。这些音频信号可以被提供给处理器16，以允许对背景声学进行过滤，从而对话语进行更好的音频处理。
53.在一个实施例中，智能面罩10可以为佩戴者实现或提供健康监视系统。例如，（一个或多个）麦克风26可以接收指示呼吸模式的音频数据。控制器或处理器16可以处理这样的音频，并确定佩戴者的呼吸模式已经改变，或者速率增加或者音高改变。如果呼吸速率或呼吸速率的改变已经超过对应阈值，则可以向佩戴者的移动设备发送通知（例如，经由收发器20），或者可以激活光源24来警示佩戴者和其他人潜在的健康问题。
54.本文公开的过程、方法或算法可以被可递送到处理设备、控制器或计算机/由处理设备、控制器或计算机实现，处理设备、控制器或计算机可以包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，过程、方法或算法可以以多种形式存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在诸如rom设备的不可写存储介质上
的信息和可变更地存储在诸如软盘、磁带、cd、ram设备以及其他磁性和光学介质之类的可写存储介质上的信息。过程、方法或算法也可以在软件可执行对象中实现。替换地，可以使用合适的硬件组件（诸如，专用集成电路（asic）、现场可编程门阵列（fpga）、状态机、控制器）或其他硬件组件或设备，或者硬件、软件和固件组件的组合，来整体或部分地体现过程、方法或算法。
55.虽然上面描述了示例性实施例，但是不意图这些实施例描述权利要求所涵盖的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性而不是限制性的词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如先前所述，各种实施例的特征可以被组合以形成可能没有被显式描述或图示的本发明的另外实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为在一个或多个期望的特性方面提供了优于其他实施例或现有技术实现方式的优点或比其他实施例或现有技术实现方式优选，但是本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的总体系统属性，这取决于具体的应用和实现方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、组装容易性等。照此，在任何实施例被描述为在一个或多个特性方面不如其他实施例或现有技术实现方式合期望的程度上，这些实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可以是合期望的。

技术特征：

1.一种智能面罩，包括：主体，包括：后框架，其限定中心开口和围绕中心开口的边界，所述边界提供被配置为接合可替换过滤器的表面，和前覆盖物，其至少部分可移除地附接到后框架，前覆盖物限定当前覆盖物附接到后框架时与后框架的中心开口对齐的中心开口，前覆盖物进一步限定围绕中心开口的边界，其中前覆盖物的边界的至少一部分被配置为可移除地附接到后框架的边界，以使得能够替换过滤器；麦克风，其嵌入后框架中并被配置为从面罩佩戴者接收话语；嵌入前覆盖物中的扬声器；以及位于主体中并耦合到麦克风和扬声器的处理器，处理器被编程为（i）接收表示话语的信号，（ii）执行存储在存储器中的语音增强模型以增强话语，以及（iii）输出信号以使得扬声器基于话语的增强而输出声音。2.根据权利要求1所述的智能面罩，其中，后框架包括被配置为附接到面罩佩戴者的头部的环圈或紧固件。3.根据权利要求1所述的智能面罩，其中，前覆盖物和后框架限定铰链，当前覆盖物从后框架部分移除时，所述铰链使得后框架和前覆盖物能够保持接触。4.根据权利要求1所述的智能面罩，其中，后框架的边界设有抓持物，所述抓持物被配置为维持可替换过滤器在主体内的位置。5.根据权利要求1所述的智能面罩，进一步包括：嵌入主体中并耦合到处理器的光源；和嵌入主体中的接近传感器，其耦合到处理器并被配置为检测从接近传感器到人的距离；其中处理器被配置为响应于检测到的距离低于阈值距离而激活光源。6.根据权利要求1所述的智能面罩，进一步包括：嵌入主体中并耦合到处理器的光源；和嵌入主体中的接近传感器，其耦合到处理器并被配置为检测从接近传感器到人的距离；其中处理器被配置为响应于从麦克风接收的信号指示面罩佩戴者正在讲话而发射第一颜，并且响应于检测到的距离低于阈值距离而发射第二颜。7.根据权利要求1所述的智能面罩，进一步包括无线收发器，所述无线收发器被配置为向佩戴者的移动设备传送表示话语增强的信号。8.一种智能面罩，包括：主体，其具有被配置为在佩戴智能面罩时接触佩戴者的后框架，以及被配置为覆盖后框架的前覆盖物，其中后框架和前覆盖物协作以保持可替换的过滤器；接近传感器，其固定在主体内并被配置为检测对象远离接近传感器的距离；固定在主体内的光源；以及嵌入主体内并耦合到接近传感器和光源的处理器，其中处理器被配置为响应于检测到的距离小于距离阈值而使得光源发射颜。
9.根据权利要求8所述的智能面罩，其中距离阈值是六英尺。10.根据权利要求8所述的智能面罩，进一步包括麦克风，所述麦克风嵌入在后框架中并被配置为检测佩戴者的话语，其中处理器被配置为响应于佩戴者的话语而使得光源改变颜。11.根据权利要求10所述的智能面罩，其中处理器被配置为响应于麦克风检测到佩戴者的话语而使得光源发射第一颜，并且响应于检测到的距离小于距离阈值而使得光源发射第二颜。12.根据权利要求8所述的智能面罩，进一步包括：麦克风，被配置为检测佩戴者的话语；和固定到主体的扬声器；其中处理器与容纳在主体内的包括指令的存储器通信，所述指令当由处理器执行时使得处理器（i）执行存储在存储器中的语音增强模型以处理所述话语并创建增强话语，以及（ii）输出信号以使得扬声器基于增强话语输出声音。13.根据权利要求12所述的智能面罩，进一步包括无线收发器，所述无线收发器被配置为通信地连接到佩戴者的移动设备，其中处理器被配置为使得无线收发器向移动设备发送代表增强话语的信号。14.一种用于增强面罩佩戴者的语音的系统，所述系统包括：面罩主体，其包括后框架和前覆盖物，后框架包括限定第一开口的第一边界，所述第一开口在佩戴时与面罩佩戴者的嘴巴对齐，前覆盖物包括限定第二开口的第二边界，所述第二开口与第一开口对齐，其中后框架和前覆盖物协作以限定用于收容可替换过滤器的容器；麦克风，其附接到面罩主体并被配置为从面罩佩戴者接收话语；附接到面罩主体的扬声器；存储器，其被容纳在面罩主体内并包含根据多个声学模型训练的语音增强模型；以及处理器，其被容纳在面罩主体内并被编程为：从麦克风接收话语，采用语音增强模型通过估计偏离话语的背景噪声频谱来处理话语，移除背景噪声频谱，以及在移除背景噪声频谱的情况下经由扬声器输出增强话语。15.根据权利要求14所述的系统，其中，面罩主体是单个整体组件，并且容器形成在面罩主体中。16.根据权利要求14所述的系统，其中，前覆盖物至少部分可移除地附接到后框架，以使得能够触及容器以替换过滤器。17.根据权利要求14所述的系统，进一步包括：光源，其固定在面罩主体内并耦合到处理器；和接近传感器，其固定在面罩主体内，耦合到处理器，并被配置为检测接近传感器和对象之间的距离；其中处理器被配置为响应于检测到的距离低于阈值距离而激活光源。18.根据权利要求14所述的系统，进一步包括：
光源，其固定在面罩主体内并耦合到处理器；和接近传感器，其固定在面罩主体内，耦合到处理器，并被配置为检测接近传感器和对象之间的距离；其中处理器被配置为响应于从麦克风接收的信号指示面罩佩戴者正在讲话而发射第一颜，并且响应于检测到的距离低于阈值距离而发射第二颜。19.根据权利要求14所述的系统，进一步包括无线收发器，所述无线收发器被配置为将增强话语传送到面罩佩戴者的移动设备。20.根据权利要求14所述的系统，其中第一边界和第二边界中的至少一个设有用于与过滤器接触的抓持表面。

技术总结

提供了智能面罩和智能面罩系统。一种智能面罩包括具有后框架和前覆盖物的主体。后框架和前覆盖物各自包括开口，当佩戴时，该开口与面罩佩戴者的嘴巴对齐。前覆盖物和后框架可以是彼此可拆分的，或者是单件的。主体中设有麦克风以及扬声器。位于主体中的处理器连接到麦克风和扬声器，并且被配置为增强面罩佩戴者的语音。特别地，处理器接收表示佩戴者的所讲话语的变换的音频信号，处理音频信号以增强语音，并且然后将增强的语音输出到扬声器。这有助于其他人更好地理解面罩佩戴者正在说什么。助于其他人更好地理解面罩佩戴者正在说什么。助于其他人更好地理解面罩佩戴者正在说什么。