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工程模擬器音效仿真及語音通話系統設計

  • 發布日期:2018-10-31
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本文是一篇碩士工程論文,工程碩士專業學位是一種適合我國國情的學位類型和人才培養規格。從發展的勢頭看,工程碩士教育充滿著活力。(以上內容來自百度百科)今天為大家推薦一篇碩士工程論文,供大家參考。
 
1 緒論
 
1.1 研究背景、目的及意義
我國航空產業迅猛發展,無論是軍用、民用的航空器都取得了優異成績。隨著經濟發展,我國航空產業得到了飛速發展,2006 年其運輸總周轉量已躍居世界第二【1】。隨著航空業規模的不斷擴張,我國已成為當今世界名副其實的航空運輸大國。近年來,中國通用航空產業快速發展,飛行總量年均增幅超過 10%,行業規模日益擴大,應用領域不斷擴展,飛行種類日益增多,飛行需求漸趨旺盛【3】。在航空制造中,仿真技術意義重大,由于航空器成本高昂,結構復雜,實驗條件惡劣,必須在確保安全可靠的前提下才可實飛,因此航空工程模擬器的研制十分重要。工程模擬器即飛行器的地面仿真平臺,是在地面環境模擬航空器在空中飛行狀態的一種航空仿真設備,通過在地面模擬空中飛行狀態的俯仰、滾轉、偏航等不同維度的運動,通過視景顯示、音效仿真、儀表指示、操作負荷等子系統,在封閉駕駛艙內為駕駛員提供飛行訓練所需要的加速度以及振動、撞擊等特殊動感,提供逼真沉浸式的飛行體驗【6】。圖 1-1 為工程模擬器結構仿真圖。工程模擬器不僅用于航空器研制尾期的檢測試飛階段,而且在飛行設計、制造、人員訓練等多階段可以利用模擬器提高研制速度,節省燃油成本,縮短研發周期,而且不受場地和天氣條件的限制,與實飛相比,具有操作可控、成本低廉、效果逼真、方便實驗、安全性高等優勢,無論在軍用還是民用航空器的研制中都有重大意義【9】。一方面,工程模擬器的音效模擬系統十分必要。由于視覺和聽覺是飛行員在真實飛行時的主要感知方式,人對聲音信號隨時間的變化極其敏感,駕駛員在飛機座艙中可以通過發動機及周圍環境的聲響判斷其系統是否工作正常,因此音效仿真是工程模擬器必不可少的一部分。音效仿真主要通過在封閉駕駛艙內不同位置放置的音箱,模擬發動機、起落架、操作設備、語音呼叫、環境噪聲等不同的聲音,為駕駛員提供逼真沉浸的音效體驗,提高模擬試驗的效果。因此為了逼真的模擬飛機在空中飛行狀態下的真實音效,有必要研制飛行模擬機的數字音效系統。
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1.2 工程模擬器發展歷史
 
1.2.1國外的飛行模擬器研究
國外的飛行模擬器研究,從上世紀 20 年代開始至今已經得到了很大發展,大致可分為機械式、模擬式和數字式 3 個發展階段【15】。第一階段 20 世紀初到 20 世紀 50 年代,該階段主要研制用于飛行員訓練的簡易訓練器,主要是通過對機械裝置的控制,后期將電子模擬技術應用于飛行模擬器的研制過程中。美國人林克在 1929 年研制出世界上第一臺飛行模擬器,開辟了飛行工程模擬領域的新發展。第二階段 20 世紀 50 年代到 20 世紀 80 年代,該階段突出的特點是將數字技術應用于飛行模擬器的研制過程中,加快了計算運行速度,提高了飛行模擬器的實時性和逼真度。第三階段 20 世紀 80 年代至今,該階段的特點是將全數字式控制技術應用于現代大型飛行模擬器的研制過程中,采用主從計算機的配置形式,利用數字技術,大幅提高了計算運行速度,使得飛行模擬器具有很高的實時性。目前,國外模擬器的研發技術比較成熟,具備了大視角三維立體成像、復雜飛行模型控制和實時飛行故障診斷等復雜功能,已形成規大規模產業。
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2 音效仿真系統總體方案
 
音效仿真系統用于模擬飛機飛行時駕駛艙中所聽到的各種聲音,將聲音送入若干音響播放,從而增強飛行員在飛行訓練,及飛行仿真測試時的沉浸感。本文通過對計算機音箱和聲卡資源的整合、音頻素材的采集、聲音處理算法的實現工程模擬器的音效仿真系統。
 
2.1 音效仿真系統結構
音效仿真系統由飛控計算機、教員臺計算機、音效仿真計算機及若干聲音播放設備組成,其中三臺計算機通過線纜相互連接并傳輸信號。飛控計算機是整個工程模擬器的核心,它根據飛行員的輸入操作,根據飛機的仿真模型,得到飛行員的一系列信息,這些信息包括飛機實時高度、經緯度、速度、姿態、各個發動機轉速和各個飛機部位的狀態等等,上述這些信息通過高速以太網,以飛行包的形式發送至音效仿真計算機。教員臺計算機在飛行員訓練或實驗狀態中監控整個實驗過程,同時會根據需要加入一些特殊的場景和功能,比如教員臺計算機會根據實驗進程改變氣象條件,將晴朗天氣變為大風天氣或雷雨天氣,或者隨實驗進程增加或減小計算機音量。音效仿真計算機一方面接收飛控計算機傳來的飛行包,從中解析出飛機實時高度、經緯度及速度等參數信息;另一方面接收來自教員臺計算機傳來的飛行包,并從中解析出教練員的控制動作指令信息。音效計算機根據上述參數信息和指令信息模擬飛行過程產生的不同音效。音效仿真計算機驅動計算機聲卡,控制環繞在駕駛艙內不同位置的音箱播放聲音。圖 2-1 為音效仿真系統結構圖。
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2.2 音效仿真系統軟件架構
飛行音效模擬軟件從頂層至底層分為音頻管理程序、底層音頻驅動程序、DirectSound音頻驅動、聲卡硬件驅動和音箱外設共五部分,圖 2-2 為軟件框架圖。本文通過設計音頻管理程序(即第一層)和音頻驅動程序(即第二層)來實現音效系統的仿真。其中頂層管理程序負責硬件資源(如聲卡及音箱等)及聲音資源(如發動機噪音、起落架聲音及風噪等)的管理以及音頻管理的可視化界面,由 Borland C++ Builder 開發。底層驅動程序負責聲音信號的采樣、幅頻特性的改變、混音算法的實現以及硬件資源(如聲卡及音箱等)的初始化、配置及驅動等功能,由 Visual Studio 2013 開發,以動態鏈接庫(dll)形式供頂層界面應用程序調用。底層驅動程序調用DirectSound的API接口實現對計算機聲卡資源的驅動DirectSound是 Windows 操作系統下的一套音頻處理接口,其功能完善且強大,通過對計算機聲卡及音頻緩存的操作實現對計算機音頻設備的驅動。
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3 音效仿真系統底層驅動模塊...........25
3.1 音頻素材的處理.........27
3.1.1 音頻素材的采集........28
3.1.2 音頻文件幅頻特性的改變............28
3.1.3 音頻文件的混音處理..........29
3.2 聲卡資源的驅動.........30
3.2.1 聲卡資源的初始化....31
3.2.2 流媒體緩沖區的建立..........32
3.2.3 雙聲道的獨立驅動....33
3.3 本章小結...........36
4 音效仿真系統頂層管理模塊..........37
4.1 音效仿真系統的資源管理.............37
4.2 音頻管理程序界面.....43
4.3 系統測試與應用.........49
4.4 本章小結...........52
5 語音通話系統總體方案........53
5.1 語音通話系統功能需求.......53
5.2 語音通話系統結構.....53
5.3 語音通話系統工作流程.......54
5.4 語音通話設計難點.....55
5.5 本章小結...........56
 
5 語音通話系統總體方案
 
在工程模擬器試驗中,場地開闊,人員繁雜,設備復雜等原因,而工程模擬試驗人員眾多、相互距離較遠并且相互間需要頻繁通話,因此針對工程模擬實驗的試驗人員,開發一款語音通話系統十分必要。目前大型試驗場地間人員主要通過對講機、有線電話、廣播等進行相互間通信,存在保密性差、無法對講群聊、相互容易干擾等缺點。為了克服以上缺陷,本文開發了一套基于數字網絡通信和語音識別技術的通話系統。該系統通過數字傳輸和加密技術,提高通話質量,避免通信內容外泄;通過虛擬交換機,實現任意分組交流;通過語音識別技術,實現語音呼叫與智能路由的功能。
 
5.1 語音通話系統功能需求
語音通話系統負責實驗過程中各實驗人員間的對講及群聊通話,其由服務器和客戶端組成,每個實驗人員配備一臺客戶端,服務器作為中樞對各客戶端路由切換。當“講話方”對耳麥發出語音請求時,終端設備會將語音信號采集為音頻文件,并上傳至服務器,由服務器端進行語音識別,并根據解析的語音內容將內容推送至對應的“聽話方”。通過語音通話系統可以完成從講話方到聽話方的信號通路,將各客戶端的話音信號發送至服務器并由服務器中轉路由切換至目標客戶端,完成語音通話的完整過程。由于工程模擬試驗人員眾多,網絡帶寬受限,頻繁的語音通話請求會導致網絡阻塞,因此需要對語音信號內容進行壓縮編碼。同時,壓縮編碼可以減少采樣的語音文件在計算機中的內存大小,節省計算機資源。由于工程模擬試驗涉及大型軍工單位或國有單位,涉及國家資產,有極強的保密需求。若直接將語音信號在公網內傳輸,會導致重要資料的泄露,因此需要對所有在實驗過程中產生的語音內容進行加密處理。為了實現多人智能通話,需要對語音內容進行識別,解析出“講話方”語音內容中的“聽話方”,并搭建通信鏈路。為了實現多個終端設備的通信,需要用一臺服務器將所有終端相連,通過以太網組網的方式進行連接,實現語音信號的切換。
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總結
 
本文完成了工程模擬器音效仿真系統及語音通話系統的設計。在音效仿真系統中,分別從 DirectSound 硬件驅動、底層驅動軟件以及頂層管理軟件三個方面實現了系統,通過多聲卡多聲道的硬件驅動、音頻文件的幅頻及混音處理以及音頻管理界面的設計三個模塊完成了系統設計。在語音通話系統中,分別從音頻的壓縮加密算法、語音識別算法以及網絡切換框架三個方面實現了系統,通過音頻信號的采樣、壓縮、加密、識別、混音、播放及網絡服務等多種技術完成了系統設計。本文主要工作如下:
(1)設計了音效仿真系統的硬件驅動、聲音處理及軟件界面程序。實現了基于DirectSound 計算機聲卡聲道資源的獨立控制與音頻的精確存儲與播放;通過對 PCM 文件進行幅頻變化以及混音處理使音效資源按照指定音效曲線播放;利用 Borland C++ Builder開發出一套基于圖形界面的音效仿真硬件資源及音效資源的管理軟件,通過配置機型、部位、文件等硬件資源以及指定音量和頻率的音效參數實現工程模擬器音效仿真的精確控制。
(2)設計了語音通話系統的音頻采集與處理以及網絡切換框架設計。基于 winmm.lib庫實現了聲音的采集與播放,實現了 DES 加密算法以及 ADPCM 壓縮算法,運用了基于訊飛云引擎的語音識別技術。利用 C/S 框架實現多客戶端的網絡框架以及路由通路切換功能,實現了雙人對講與多人群聊的智能識別與切換功能。
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參考文獻(略)

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