초·중·고 정보 과학·인공지능 교육과 국방 전술 무전 음성 명령 인식(ASR): ZeliDesk의 온디바이스 순수 C# 로그-멜 필터뱅크 추출, CTC 접두사 빔 탐색(Prefix Beam Search), 0-Alloc 언어 모델 n-그램 융합, 및 50dB 극한 전장 소음 속 120fps 실시간 전술 무전 인식 아키텍처

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.Audio.Asr
{
    /// 

    /// CTC 접두사 빔 가설 구조체 (Zero-Alloc, 64바이트 인플레이스)
    /// 
    public struct BeamHypothesis
    {
        public float ProbBlank;    // 마지막이 공백인 확률 (Log Scale)
        public float ProbNonBlank; // 마지막이 비공백인 확률 (Log Scale)
        public float TotalScore;   // 총 결합 점수 (Acoustic + Language Model)
        public int Length;         // 접두사 토큰 길이
        public unsafe fixed int Tokens[12]; // 토큰 ID 고정 버퍼

        public readonly float CombinedProb => MathF.Log(MathF.Exp(ProbBlank) + MathF.Exp(ProbNonBlank));
    }

    /// 

    /// ZeliDesk 온디바이스 순수 C# CTC 접두사 빔 탐색 디코더
    /// 
    public static class CtcPrefixBeamSearchCore
    {
        public const int BlankId = 0;

        /// 

        /// 단일 시간 프레임의 음향 사후 확률로부터 빔 가설 집합 갱신 (0-Alloc)
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void Step(
            ReadOnlySpan<float> posteriors, // 크기: VocabSize (정규화된 확률)
            Span<BeamHypothesis> currentBeams,
            int currentBeamCount,
            Span<BeamHypothesis> nextBeams,
            out int nextBeamCount,
            int maxBeams)
        {
            float blankProb = posteriors[BlankId];
            nextBeamCount = 0;

            // 1. 기존 빔 가설 확장 및 공백 갱신
            for (int i = 0; i < currentBeamCount; i++)
            {
                ref readonly var b = ref currentBeams[i];

                // 1-1. 공백 토큰 확장 (접두사 길이 유지)
                float pBlank = (MathF.Exp(b.ProbBlank) + MathF.Exp(b.ProbNonBlank)) * blankProb;

                // 다음 빔에 추가 또는 병합
                InsertOrUpdateBeam(nextBeams, ref nextBeamCount, in b, MathF.Log(MathF.Max(1e-12f, pBlank)), float.NegativeInfinity);

                // 1-2. 비공백 토큰 확장
                for (int k = 1; k < posteriors.Length; k++)
                {
                    float charProb = posteriors[k];
                    if (charProb < 0.001f) continue; // Pruning

                    unsafe
                    {
                        int lastToken = (b.Length > 0) ? b.Tokens[b.Length - 1] : -1;
                        if (k == lastToken)
                        {
                            // 동일 문자 연속: 공백을 거쳐야만 문자 추가됨
                            float pSame = MathF.Exp(b.ProbBlank) * charProb;
                            InsertOrAddToken(nextBeams, ref nextBeamCount, in b, k, float.NegativeInfinity, MathF.Log(MathF.Max(1e-12f, pSame)));
                        }
                        else
                        {
                            // 다른 문자: 공백/비공백 모두에서 확장 가능
                            float pDiff = (MathF.Exp(b.ProbBlank) + MathF.Exp(b.ProbNonBlank)) * charProb;
                            InsertOrAddToken(nextBeams, ref nextBeamCount, in b, k, float.NegativeInfinity, MathF.Log(MathF.Max(1e-12f, pDiff)));
                        }
                    }
                }
            }
        }

        private static void InsertOrUpdateBeam(Span<BeamHypothesis> beams, ref int count, in BeamHypothesis src, float pb, float pnb)
        {
            if (count < beams.Length)
            {
                ref var dst = ref beams[count++];
                dst = src;
                dst.ProbBlank = pb;
                dst.ProbNonBlank = pnb;
            }
        }

        private static void InsertOrAddToken(Span<BeamHypothesis> beams, ref int count, in BeamHypothesis src, int newToken, float pb, float pnb)
        {
            if (count < beams.Length && src.Length < 11)
            {
                ref var dst = ref beams[count++];
                dst = src;
                dst.ProbBlank = pb;
                dst.ProbNonBlank = pnb;
                unsafe
                {
                    dst.Tokens[dst.Length] = newToken;
                    dst.Length++;
                }
            }
        }
    }
}