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工程模拟器音效仿真及语音通话系统设计

  • 发布日期:2018-10-31
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本文是一篇硕士工程论文,工程硕士专业学位是一种适合我国国情的学位类型和人才培养规格。从发展的势头看,工程硕士教育充满着活力。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景、目的及意义
我国航空产业迅猛发展,无论是军用、民用的航空器都取得了优异成绩。随着经济发展,我国航空产业得到了飞速发展,2006 年其运输总周转量已跃居世界第二【1】。随着航空业规模的不断扩张,我国已成为当今世界名副其实的航空运输大国。近年来,中国通用航空产业快速发展,飞行总量年均增幅超过 10%,行业规模日益扩大,应用领域不断扩展,飞行种类日益增多,飞行需求渐趋旺盛【3】。在航空制造中,仿真技术意义重大,由于航空器成本高昂,结构复杂,实验条件恶劣,必须在确保安全可靠的前提下才可实飞,因此航空工程模拟器的研制十分重要。工程模拟器即飞行器的地面仿真平台,是在地面环境模拟航空器在空中飞行状态的一种航空仿真设备,通过在地面模拟空中飞行状态的俯仰、滚转、偏航等不同维度的运动,通过视景显示、音效仿真、仪表指示、操作负荷等子系统,在封闭驾驶舱内为驾驶员提供飞行训练所需要的加速度以及振动、撞击等特殊动感,提供逼真沉浸式的飞行体验【6】。图 1-1 为工程模拟器结构仿真图。工程模拟器不仅用于航空器研制尾期的检测试飞阶段,而且在飞行设计、制造、人员训练等多阶段可以利用模拟器提高研制速度,节省燃油成本,缩短研发周期,而且不受场地和天气条件的限制,与实飞相比,具有操作可控、成本低廉、效果逼真、方便实验、安全性高等优势,无论在军用还是民用航空器的研制中都有重大意义【9】。一方面,工程模拟器的音效模拟系统十分必要。由于视觉和听觉是飞行员在真实飞行时的主要感知方式,人对声音信号随时间的变化极其敏感,驾驶员在飞机座舱中可以通过发动机及周围环境的声响判断其系统是否工作正常,因此音效仿真是工程模拟器必不可少的一部分。音效仿真主要通过在封闭驾驶舱内不同位置放置的音箱,模拟发动机、起落架、操作设备、语音呼叫、环境噪声等不同的声音,为驾驶员提供逼真沉浸的音效体验,提高模拟试验的效果。因此为了逼真的模拟飞机在空中飞行状态下的真实音效,有必要研制飞行模拟机的数字音效系统。
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1.2 工程模拟器发展历史
 
1.2.1国外的飞行模拟器研究
国外的飞行模拟器研究,从上世纪 20 年代开始至今已经得到了很大发展,大致可分为机械式、模拟式和数字式 3 个发展阶段【15】。第一阶段 20 世纪初到 20 世纪 50 年代,该阶段主要研制用于飞行员训练的简易训练器,主要是通过对机械装置的控制,后期将电子模拟技术应用于飞行模拟器的研制过程中。美国人林克在 1929 年研制出世界上第一台飞行模拟器,开辟了飞行工程模拟领域的新发展。第二阶段 20 世纪 50 年代到 20 世纪 80 年代,该阶段突出的特点是将数字技术应用于飞行模拟器的研制过程中,加快了计算运行速度,提高了飞行模拟器的实时性和逼真度。第三阶段 20 世纪 80 年代至今,该阶段的特点是将全数字式控制技术应用于现代大型飞行模拟器的研制过程中,采用主从计算机的配置形式,利用数字技术,大幅提高了计算运行速度,使得飞行模拟器具有很高的实时性。目前,国外模拟器的研发技术比较成熟,具备了大视角三维立体成像、复杂飞行模型控制和实时飞行故障诊断等复杂功能,已形成规大规模产业。
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2 音效仿真系统总体方案
 
音效仿真系统用于模拟飞机飞行时驾驶舱中所听到的各种声音,将声音送入若干音响播放,从而增强飞行员在飞行训练,及飞行仿真测试时的沉浸感。本文通过对计算机音箱和声卡资源的整合、音频素材的采集、声音处理算法的实现工程模拟器的音效仿真系统。
 
2.1 音效仿真系统结构
音效仿真系统由飞控计算机、教员台计算机、音效仿真计算机及若干声音播放设备组成,其中三台计算机通过线缆相互连接并传输信号。飞控计算机是整个工程模拟器的核心,它根据飞行员的输入操作,根据飞机的仿真模型,得到飞行员的一系列信息,这些信息包括飞机实时高度、经纬度、速度、姿态、各个发动机转速和各个飞机部位的状态等等,上述这些信息通过高速以太网,以飞行包的形式发送至音效仿真计算机。教员台计算机在飞行员训练或实验状态中监控整个实验过程,同时会根据需要加入一些特殊的场景和功能,比如教员台计算机会根据实验进程改变气象条件,将晴朗天气变为大风天气或雷雨天气,或者随实验进程增加或减小计算机音量。音效仿真计算机一方面接收飞控计算机传来的飞行包,从中解析出飞机实时高度、经纬度及速度等参数信息;另一方面接收来自教员台计算机传来的飞行包,并从中解析出教练员的控制动作指令信息。音效计算机根据上述参数信息和指令信息模拟飞行过程产生的不同音效。音效仿真计算机驱动计算机声卡,控制环绕在驾驶舱内不同位置的音箱播放声音。图 2-1 为音效仿真系统结构图。
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2.2 音效仿真系统软件架构
飞行音效模拟软件从顶层至底层分为音频管理程序、底层音频驱动程序、DirectSound音频驱动、声卡硬件驱动和音箱外设共五部分,图 2-2 为软件框架图。本文通过设计音频管理程序(即第一层)和音频驱动程序(即第二层)来实现音效系统的仿真。其中顶层管理程序负责硬件资源(如声卡及音箱等)及声音资源(如发动机噪音、起落架声音及风噪等)的管理以及音频管理的可视化界面,由 Borland C++ Builder 开发。底层驱动程序负责声音信号的采样、幅频特性的改变、混音算法的实现以及硬件资源(如声卡及音箱等)的初始化、配置及驱动等功能,由 Visual Studio 2013 开发,以动态链接库(dll)形式供顶层界面应用程序调用。底层驱动程序调用DirectSound的API接口实现对计算机声卡资源的驱动DirectSound是 Windows 操作系统下的一套音频处理接口,其功能完善且强大,通过对计算机声卡及音频缓存的操作实现对计算机音频设备的驱动。
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3 音效仿真系统底层驱动模块...........25
3.1 音频素材的处理.........27
3.1.1 音频素材的采集........28
3.1.2 音频文件幅频特性的改变............28
3.1.3 音频文件的混音处理..........29
3.2 声卡资源的驱动.........30
3.2.1 声卡资源的初始化....31
3.2.2 流媒体缓冲区的建立..........32
3.2.3 双声道的独立驱动....33
3.3 本章小结...........36
4 音效仿真系统顶层管理模块..........37
4.1 音效仿真系统的资源管理.............37
4.2 音频管理程序界面.....43
4.3 系统测试与应用.........49
4.4 本章小结...........52
5 语音通话系统总体方案........53
5.1 语音通话系统功能需求.......53
5.2 语音通话系统结构.....53
5.3 语音通话系统工作流程.......54
5.4 语音通话设计难点.....55
5.5 本章小结...........56
 
5 语音通话系统总体方案
 
在工程模拟器试验中,场地开阔,人员繁杂,设备复杂等原因,而工程模拟试验人员众多、相互距离较远并且相互间需要频繁通话,因此针对工程模拟实验的试验人员,开发一款语音通话系统十分必要。目前大型试验场地间人员主要通过对讲机、有线电话、广播等进行相互间通信,存在保密性差、无法对讲群聊、相互容易干扰等缺点。为了克服以上缺陷,本文开发了一套基于数字网络通信和语音识别技术的通话系统。该系统通过数字传输和加密技术,提高通话质量,避免通信内容外泄;通过虚拟交换机,实现任意分组交流;通过语音识别技术,实现语音呼叫与智能路由的功能。
 
5.1 语音通话系统功能需求
语音通话系统负责实验过程中各实验人员间的对讲及群聊通话,其由服务器和客户端组成,每个实验人员配备一台客户端,服务器作为中枢对各客户端路由切换。当“讲话方”对耳麦发出语音请求时,终端设备会将语音信号采集为音频文件,并上传至服务器,由服务器端进行语音识别,并根据解析的语音内容将内容推送至对应的“听话方”。通过语音通话系统可以完成从讲话方到听话方的信号通路,将各客户端的话音信号发送至服务器并由服务器中转路由切换至目标客户端,完成语音通话的完整过程。由于工程模拟试验人员众多,网络带宽受限,频繁的语音通话请求会导致网络阻塞,因此需要对语音信号内容进行压缩编码。同时,压缩编码可以减少采样的语音文件在计算机中的内存大小,节省计算机资源。由于工程模拟试验涉及大型军工单位或国有单位,涉及国家资产,有极强的保密需求。若直接将语音信号在公网内传输,会导致重要资料的泄露,因此需要对所有在实验过程中产生的语音内容进行加密处理。为了实现多人智能通话,需要对语音内容进行识别,解析出“讲话方”语音内容中的“听话方”,并搭建通信链路。为了实现多个终端设备的通信,需要用一台服务器将所有终端相连,通过以太网组网的方式进行连接,实现语音信号的切换。
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总结
 
本文完成了工程模拟器音效仿真系统及语音通话系统的设计。在音效仿真系统中,分别从 DirectSound 硬件驱动、底层驱动软件以及顶层管理软件三个方面实现了系统,通过多声卡多声道的硬件驱动、音频文件的幅频及混音处理以及音频管理界面的设计三个模块完成了系统设计。在语音通话系统中,分别从音频的压缩加密算法、语音识别算法以及网络切换框架三个方面实现了系统,通过音频信号的采样、压缩、加密、识别、混音、播放及网络服务等多种技术完成了系统设计。本文主要工作如下:
(1)设计了音效仿真系统的硬件驱动、声音处理及软件界面程序。实现了基于DirectSound 计算机声卡声道资源的独立控制与音频的精确存储与播放;通过对 PCM 文件进行幅频变化以及混音处理使音效资源按照指定音效曲线播放;利用 Borland C++ Builder开发出一套基于图形界面的音效仿真硬件资源及音效资源的管理软件,通过配置机型、部位、文件等硬件资源以及指定音量和频率的音效参数实现工程模拟器音效仿真的精确控制。
(2)设计了语音通话系统的音频采集与处理以及网络切换框架设计。基于 winmm.lib库实现了声音的采集与播放,实现了 DES 加密算法以及 ADPCM 压缩算法,运用了基于讯飞云引擎的语音识别技术。利用 C/S 框架实现多客户端的网络框架以及路由通路切换功能,实现了双人对讲与多人群聊的智能识别与切换功能。
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参考文献(略)

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