復雜網絡聲音同步演示系統及演示方法技術方案

本發明專利技術公開了一種復雜網絡聲音同步演示系統及演示方法。該系統利用多個圍成一圈的智能嵌入式系統表示網絡節點，利用投影儀在節點之間投射出的線條表示網絡連邊，通過嵌入式系統鳴叫時刻的趨同演示網絡的聲音同步現象。本發明專利技術利用多頻段音頻水印嵌入與提取技術識別鳴叫節點的身份和鳴叫時刻，以此實現網絡多個個體的獨立聆聽、判斷與發聲模擬，通過監控計算機的軟件設定和節點軟件的實時計算來演示網絡上的聲音同步過渡過程。作為一種教學儀器，本發明專利技術可同時顯示網絡拓撲結構和該拓撲結構下的聲音同步過程，便于學生觀察網絡結構及參數對同步穩定性和過渡過程的影響，使復雜網絡同步現象變得形象直觀，使該知識妙趣橫生、樂于接受。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于教學儀器領域，尤其涉及一種復雜網絡聲音同步演示系統及演示方 法。
技術介紹
復雜網絡是自然與社會的基本形態，復雜網絡上的同步現象是重要的科學知識， 許多學校開設了包含同步內容的復雜網絡課程。復雜網絡同步知識的教學內容主要包括同 步行為的解釋、同步行為穩定性、同步過渡過程分析、網絡結構及參數對同步性能的影響等 等。目前網絡同步知識的教學手段主要有數學公式表達、圖片展示、曲線說明和少量的軟件 模擬，這些僅有的教學手段使得本來精彩紛呈的網絡同步現象變得枯燥和乏味，因此需要 一種實物系統，對復雜網絡上的同步現象進行生動地演示，并能夠展示網絡結構及參數對 同步穩定性和過渡過程的影響。聲音同步是一類典型的網絡同步現象，如青蛙、蟋蟀叫聲的 同步以及觀眾掌聲的同步，這些例子常用作復雜網絡同步行為的解釋和說明。目前，聲音同 步現象主要通過一個獨立的計算機軟件進行演示，這種方法既不便于展示網絡拓撲結構對 同步過程的影響，也與自然界聲音同步現象中多個個體獨立進行聆聽、判斷、發聲的物理機 制不同。如果有一種可以同時展示網絡拓撲結構和聲音同步過渡過程的實物演示系統，而 且這種系統擁有多個獨立的個體可以進行聆聽、判斷與發聲，那么復雜網絡聲音同步的知 識演示將會變得生動活潑、弓I人入勝。
技術實現思路
為了生動地演示復雜網絡的聲音同步現象，同時展示網絡拓撲結構和聲音同步的 過渡過程，并模擬多個個體獨立聆聽、判斷、發聲的物理機制，本專利技術提供了一種復雜網絡 聲音同步演示系統及演示方法。本專利技術實現該目的的技術方案由三部分組成一個復雜網絡聲音同步演示系統、 一種多節點音頻身份識別與鳴叫時刻確認方法、一套復雜網絡聲音同步演示方法。復雜網絡聲音同步演示系統包括監控計算機系統(I)、投影儀(2)、網絡拓撲結構 投影板(3)、通訊總線(12)和若干個智能鳴叫節點(4)。每個智能鳴叫節點⑷表示一個 網絡節點，也就是一個獨立的個體。所有的智能鳴叫節點(4)圍成一圈安裝在網絡拓撲結 構投影板(3)上，智能鳴叫節點(4)所圍繞的區域用于顯示網絡拓撲結構。網絡拓撲結構 由投影儀(2)投射顯示，投影儀(2)與監控計算機系統(I)相連，把監控計算機系統(I)傳 來的網絡拓撲結構圖像投射到網絡拓撲結構投影板(3)上智能鳴叫節點(4)圍成的區域。 當兩個節點之間有邊相連時，對應的兩個智能鳴叫節點之間會投射出一條連線(11)，所投 射的連線(11)可以區分節點之間的有向或者無向連接關系。所有智能鳴叫節點之間的連 線(11)就顯示了整個網絡的拓撲結構(30)。演示過程的進行與設定通過監控計算機系統(I)安裝的演示監控軟件(6)完成。演示監控軟件(6)包含網絡拓撲結構設定與顯示子模 塊(7)、聲音同步參數設定子模塊(8)和監控通訊子模塊(10)。監控計算機系統(I)通過通訊總線(12)與所有的智能鳴叫節點(4)相連，通過通訊總線(12)把同步演示命令和所設定的參數下傳給所有的節點。智能鳴叫節點(4)是一個嵌入式計算機系統，包含嵌入式最小系統(13)、揚聲器驅動電路(14)、揚聲器(15)、聲音采集電路(16)、麥克風(17)、時鐘電路(19)和通訊接口(18)。通訊接口(18)與通訊總線(12)相連，用于獲得監控計算機系統(I)下傳的各種信息，并把節點(4)的各種信息上傳給監控計算機系統(I)。麥克風(17)連接到聲音采集電路(16)，用于聆聽其他節點的鳴叫聲。揚聲器(15)連接到揚聲器驅動電路(14)，用于發聲鳴叫。嵌入式最小系統(13)是包含CPU在內的計算機核心系統，是存儲與執行程序、驅動外圍模塊、實現節點功能的核心部件。時鐘電路(19)用于定時，為本節點的鳴叫時刻確定和其他節點的鳴叫時刻確認提供時間基準。智能鳴叫節點⑷的功能由節點智能軟件(21)實現。節點智能軟件(21)包含節點通訊子模塊(22)、聲音檢測子模塊(24)、 其他節點鳴叫時刻識別子模塊(36)、耦合關系模擬子模塊(23)、鳴叫時刻計算子模塊(25) 和鳴叫輸出子模塊(26)多節點音頻身份識別與鳴叫時刻確認方法用于解決多個節點同時鳴叫時每一個節點鳴叫時刻的確認。在自然界中，以青蛙為例，每個青蛙能夠聽出其他青蛙叫聲之間的細微差別，從而確定其他青蛙的鳴叫時刻。但是對于聲音同步演示系統，由于不能讓人聽出個節點鳴叫聲的差別，所有節點應該使用同一種聲音進行鳴叫。當所有節點都發聲時，相同的叫聲此起彼伏相互疊加，某一個節點是否鳴叫與何時則很難判斷與提取。為了模擬個體之前的聲音耦合關系，節點應當具有判斷其他節點是否鳴叫以及何時鳴叫的方法。只有這樣， 每個節點才能根據與自己有耦合關系的節點的鳴叫時刻來確定自己的鳴叫時刻，從而實現節點的聲音同步動力學行為，演示整個網絡的同步過程。多節點音頻身份識別與鳴叫時刻確認方法就是這樣的方法，該方法的基本思路是給 每個節點的鳴叫聲嵌入身份ID音頻水印，這些水印處于不同的頻段，節點共同發聲時互不干擾。監測時通過水印提取，就可以獲得各個節點的鳴叫時刻。該方法的步驟包括B1.選定一種動物的鳴叫聲作為原始基音(37)，這種鳴叫聲就是演示系統要同步的聲音。B2.假設演示系統有N個智能鳴叫節點，則在原始基音(37)的頻帶范圍之外為N 個智能鳴叫節點⑷選定N種水印載波頻率fi(i=l，2，-·，Ν)。Β3.為了剔除同頻段噪聲對水印載波的干擾，依次用中心阻帶頻率為fi(i=l， 2，···，N)的N個帶阻濾波器(44)對原始基音(37)進行濾波得到基音信號(38)。B4.為每個智能鳴叫節點⑷指定一個身份識別ID號(39)，把ID號的二進制數據(40)作為待嵌入水印數據，其頻率選為遠小于fi(i=l，2，···，N)的f0。B5.用第i個節點的待嵌入水印數據(40)對頻率為fi的正弦波載波(41)進行調制，把調制后的信號幅值調整到基音信號平均幅值數倍以下然后加到基音信號(38)中，添加時刻統一為基音信號的h時刻，由此得到各個節點的鳴叫音頻信號(42)。加到基音信號(38)中的調制信號的幅值大小要確保人耳不能聽到，且便于濾波檢出。h時刻為人為選定的一個時刻，用于保證所有的音頻水印與基音信號有相同的時間偏移量。B6.各智能鳴叫節點⑷在既定時刻ti(i=l，2，…，N)輸出一次自己的鳴叫音頻信號(42)，所有節點的鳴叫聲此起彼伏相互疊加組成合鳴音(43)。時刻\的測量點就是所有音頻水印的添加時刻B7.各智能鳴叫節點⑷對合鳴音(43)進行采樣檢測。B8.各節點依次先用中心通帶頻率為fi(i=l，2，…，N)的帶通濾波器(45)對合鳴音信號(43)進行濾波，濾波后得到調制了水印數據的正弦波載波信號，再用通帶頻率為 f0的低通濾波器(46)進行濾波，得到ID號的二進制數據(40)。由于對所有的載波頻率 \α=1，2，···，Ν)都進行了一次同樣的操作，所以可以得到所有節點的ID水印數據(40)。每個節點ID水印數據(40)的起始時刻，就是在時刻\處的^由于所有的節點采用統一的 h，所以可以獲得每個節點的鳴叫時刻t。所提供的復雜網絡聲音同步演示方法，基于上述的復雜網絡聲音同步演示系統和多節點音頻身份識別與鳴叫時刻確認方法，主要通過多個步驟的操作和演示系統及節點軟硬件的執行，實現復雜網絡多個本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種復雜網絡聲音同步演示系統，其特征在于：A1.包括監控計算機系統(1)、投影儀(2)、網絡拓撲結構投影板(3)、通訊總線（12）和若干個智能鳴叫節點(4)；A2.監控計算機系統(1)與所有的智能鳴叫節點(4)通過通訊總線（12）相連；A3.投影儀(2)連接到監控計算機系統(1)，投影儀(2)的畫面投射到網絡拓撲結構投影板(3)上；A4.所有的智能鳴叫節點(4)呈單繞環狀安裝在網絡拓撲結構投影板(3)上，繞環所包圍的區域為投影儀(2)的投射區域；A5.監控計算機系統(1)安裝有演示監控軟件(6)，演示監控軟件(6)包含網絡拓撲結構設定與顯示子模塊(7)、聲音同步參數設定子模塊(8)和監控通訊子模塊(10)；A6.智能鳴叫節點(4)包含嵌入式最小系統(13)、揚聲器驅動電路(14)、揚聲器(15)、聲音采集電路(16)、麥克風(17)、時鐘電路（19）和通訊接口(18)；A7.智能鳴叫節點(4)中安裝有節點智能軟件（21），節點智能軟件（21）包含節點通訊子模塊（22）、聲音檢測子模塊（24）、其他節點鳴叫時刻識別子模塊（36）、耦合關系模擬子模塊（23）、鳴叫時刻計算子模塊（25）和鳴叫輸出子模塊（26）。...

【技術特征摘要】
1.一種復雜網絡聲音同步演示系統，其特征在于 Al.包括監控計算機系統(1)、投影儀(2)、網絡拓撲結構投影板(3)、通訊總線(12)和若干個智能鳴叫節點(4)； A2.監控計算機系統(1)與所有的智能鳴叫節點(4)通過通訊總線(12)相連； A3.投影儀(2)連接到監控計算機系統(1)，投影儀(2)的畫面投射到網絡拓撲結構投影板⑶上； A4.所有的智能鳴叫節點(4)呈單繞環狀安裝在網絡拓撲結構投影板(3)上，繞環所包圍的區域為投影儀(2)的投射區域； A5.監控計算機系統(I)安裝有演示監控軟件(6)，演示監控軟件(6)包含網絡拓撲結構設定與顯示子模塊(7)、聲音同步參數設定子模塊(8)和監控通訊子模塊(10)； A6.智能鳴叫節點(4)包含嵌入式最小系統(13)、揚聲器驅動電路(14)、揚聲器(15)、聲音采集電路(16)、麥克風(17)、時鐘電路(19)和通訊接口(18)； A7.智能鳴叫節點(4)中安裝有節點智能軟件(21)，節點智能軟件(21)包含節點通訊子模塊(22 )、聲音檢測子模塊(24 )、其他節點鳴叫時刻識別子模塊(36 )、耦合關系模擬子模塊(23)、鳴叫時刻計算子模塊(25)和鳴叫輸出子模塊(26)。2.一種基于權利要求1所述復雜網絡聲音同步演示系統的多節點音頻身份識別與鳴叫時刻確認方法，其特征在于包括以下步驟 B1.選定一種動物的鳴叫聲作為原始基音(37)； B2.在原始基音(37)的頻帶范圍之外為N個智能鳴叫節點(4)選定N種水印載波頻率fi(i=l,2,···,N)； B3.依次用中心阻帶頻率為Αα=1，2，···，Ν)的N個帶阻濾波器(44)對原始基音(37)進行濾波得到基音信號(38)； Β4.為每個智能鳴叫節點⑷指定一個身份識別ID號(39)，把ID號的二進制數據(40)作為待嵌入水印數據，其頻率選為遠小于fi(i=l，2，…，N)的& ； B5.用第i個節點的待嵌入水印數據(40)對頻率為&的正弦波載波(41)進行調制，把調制后的信號幅值調整到基音信號平均幅值數倍以下然后加到基音信號(38)中，添加時刻統一為基音信號的h時刻，由此得到各個節點的鳴叫音頻信號(42)； B6.各智能鳴叫節點(4)在既定時刻ti(i=l，2，·，Ν)輸出一次自己的鳴叫音頻信號(42)，所有節點的鳴叫聲此起彼伏相...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉歌群，郝陳祥，郭東逸，朱春香，江琨，任冠琦，馬小美，辛辰，李文惠，
申請(專利權)人：上海理工大學，
類型：發明
國別省市：