计算机声学键盘实现原理研究

论文摘要

随着计算机技术的发展,人们对计算机的人性化、方便简洁提出了更高的要求,减少计算机占用的空间,缩小计算机的体积和重量,使计算机能更加方便地携带成为未来计算机发展的一个重要方向,作为计算机的一个重要外部输入设备,键盘也正朝着这个方向发展,而且人们已经在不断的探索和研究,寻找一种能打破传统键盘输入方式和结构的计算机输入方式或方法。针对传统键盘体积较大,不方便携带等缺点,我们提出了一种计算机声学键盘的思想,即采用一张印有键盘图案的普通白纸代替现有键盘,只需敲击白纸上的字符,利用麦克风阵列捕获敲击音信号,通过阵列信号处理获得敲击音的位置并转换为敲击音对应的字符,将其嵌入到计算机操作系统中,实现传统计算机键盘的输入功能。本文介绍了声学键盘的实现原理,给出了系统基本结构,并基于声学键盘的实现思想,提出了几种基于麦克风阵列的声源定位算法。首先针对敲击音信号特征,以时延估计的定位算法为研究起点,提出了一种边沿检测时延估计方法和具有子阵结构的声源定位算法,实现了在高采样率条件下的高精度敲击音声源定位。进而研究了具有一定噪声抑制效果的时延-相关波束形成定位算法,解决了需分两步运算完成的基于时延估计的声源定位算法的次最优估计问题,并提高了定位精度。然后给出了这两种算法定位精度受系统采样率等条件的限制的结论。故而提出一种以传统多重信号分类（MUSIC）算法为基础的改进的近场二维MUSIC（2D-MUSIC）声源定位算法,实现了在较低采样率条件下的高精度定位。但该算法复杂度较大,难以实时硬件实现,而且算法性能受噪声模型限制。所以,最后提出了一种新的基于高阶累积量的近场源定位算法,通过构造合适的矩阵束直接估计了信源的角度信息,降低了计算量,有效抑制了色噪声。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 背景和意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 本设计的主要内容
• 1.4 文章安排
• 第2章 系统模型
• 2.1 纸键盘的设计
• 2.2 麦克风阵的设计和阵列模型
• 2.3 信号调理和A/D转换电路
• 2.4 阵列误差校正
• 2.5 定位算法
• 2.6 键值提取方法
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于时延估计的定位算法研究
• 3.1 敲击音信号分析
• 3.2 基本的时延估计方法
• 3.3 边沿检测时延估计法
• 3.4 基于子阵结构的声源定位
• 3.5 实验结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 一种新的可控波束形成定位算法研究
• 4.1 传统可控波束形成定位方法简介
• 4.2 时延-相关波束形成定位算法
• 4.3 实验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 近场2D-MUSIC声源定位算法研究
• 5.1 传统的MUSIC算法
• 5.2 算法改进的技术难点
• 5.3 改进的近场2D-MUSIC声源定位算法
• 5.3.1 改进的窄带信源的定位算法
• 5.3.2 宽带声源定位的解决方案
• 5.3.3 算法复杂度分析
• 5.3.4 算法应用
• 5.4 实验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 一种新的高阶累积量近场源定位算法研究
• 6.1 一种新的窄带近场源定位算法
• 6.2 宽带的声源定位解决方案及算法应用
• 6.3 算法复杂度分析
• 6.4 实验结果及分析
• 6.5 结论
• 第7章 声学键盘实验平台及定位算法的嵌入
• 7.1 声学键盘实验平台简介
• 7.2 定位算法嵌入实验平台的实现方法
• 7.2.1 M文件到CPP文件的转换
• 7.2.2 Visual C++环境下使用Mideva混合编程的设置
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢