CN103021204A - 复杂网络声音同步演示系统及演示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂网络声音同步演示系统及演示方法。该系统利用多个围成一圈的智能嵌入式系统表示网络节点，利用投影仪在节点之间投射出的线条表示网络连边，通过嵌入式系统鸣叫时刻的趋同演示网络的声音同步现象。本发明利用多频段音频水印嵌入与提取技术识别鸣叫节点的身份和鸣叫时刻，以此实现网络多个个体的独立聆听、判断与发声模拟，通过监控计算机的软件设定和节点软件的实时计算来演示网络上的声音同步过渡过程。作为一种教学仪器，本发明可同时显示网络拓扑结构和该拓扑结构下的声音同步过程，便于学生观察网络结构及参数对同步稳定性和过渡过程的影响，使复杂网络同步现象变得形象直观，使该知识妙趣横生、乐于接受。

Description

复杂网络声音同步演示系统及演示方法

技术领域

本发明属于教学仪器领域，尤其涉及一种复杂网络声音同步演示系统及演示方法。

背景技术

复杂网络是自然与社会的基本形态，复杂网络上的同步现象是重要的科学知识，许多学校开设了包含同步内容的复杂网络课程。复杂网络同步知识的教学内容主要包括同步行为的解释、同步行为稳定性、同步过渡过程分析、网络结构及参数对同步性能的影响等等。目前网络同步知识的教学手段主要有数学公式表达、图片展示、曲线说明和少量的软件模拟，这些仅有的教学手段使得本来精彩纷呈的网络同步现象变得枯燥和乏味，因此需要一种实物系统，对复杂网络上的同步现象进行生动地演示，并能够展示网络结构及参数对同步稳定性和过渡过程的影响。声音同步是一类典型的网络同步现象，如青蛙、蟋蟀叫声的同步以及观众掌声的同步，这些例子常用作复杂网络同步行为的解释和说明。目前，声音同步现象主要通过一个独立的计算机软件进行演示，这种方法既不便于展示网络拓扑结构对同步过程的影响，也与自然界声音同步现象中多个个体独立进行聆听、判断、发声的物理机制不同。如果有一种可以同时展示网络拓扑结构和声音同步过渡过程的实物演示系统，而且这种系统拥有多个独立的个体可以进行聆听、判断与发声，那么复杂网络声音同步的知识演示将会变得生动活泼、引人入胜。

发明内容

为了生动地演示复杂网络的声音同步现象，同时展示网络拓扑结构和声音同步的过渡过程，并模拟多个个体独立聆听、判断、发声的物理机制，本发明提供了一种复杂网络声音同步演示系统及演示方法。

本发明实现该目的的技术方案由三部分组成：一个复杂网络声音同步演示系统、一种多节点音频身份识别与鸣叫时刻确认方法、一套复杂网络声音同步演示方法。

复杂网络声音同步演示系统包括监控计算机系统(1)、投影仪(2)、网络拓扑结构投影板(3)、通讯总线（12）和若干个智能鸣叫节点(4)。每个智能鸣叫节点(4)表示一个网络节点，也就是一个独立的个体。所有的智能鸣叫节点(4)围成一圈安装在网络拓扑结构投影板(3)上，智能鸣叫节点(4)所围绕的区域用于显示网络拓扑结构。网络拓扑结构由投影仪(2)投射显示，投影仪(2)与监控计算机系统(1)相连，把监控计算机系统(1)传来的网络拓扑结构图像投射到网络拓扑结构投影板(3)上智能鸣叫节点(4)围成的区域。当两个节点之间有边相连时，对应的两个智能鸣叫节点之间会投射出一条连线(11)，所投射的连线(11)可以区分节点之间的有向或者无向连接关系。所有智能鸣叫节点之间的连线(11)就显示了整个网络的拓扑结构（30）。演示过程的进行与设定通过监控计算机系统(1)安装的演示监控软件(6)完成。演示监控软件(6)包含网络拓扑结构设定与显示子模块(7)、声音同步参数设定子模块(8)和监控通讯子模块(10)。监控计算机系统(1)通过通讯总线（12）与所有的智能鸣叫节点(4)相连，通过通讯总线（12）把同步演示命令和所设定的参数下传给所有的节点。智能鸣叫节点(4)是一个嵌入式计算机系统，包含嵌入式最小系统(13)、扬声器驱动电路(14)、扬声器(15)、声音采集电路(16)、麦克风(17)、时钟电路（19）和通讯接口(18)。通讯接口(18)与通讯总线（12）相连，用于获得监控计算机系统(1)下传的各种信息，并把节点(4)的各种信息上传给监控计算机系统(1)。麦克风(17)连接到声音采集电路(16)，用于聆听其他节点的鸣叫声。扬声器(15)连接到扬声器驱动电路(14)，用于发声鸣叫。嵌入式最小系统(13)是包含CPU在内的计算机核心系统，是存储与执行程序、驱动外围模块、实现节点功能的核心部件。时钟电路（19）用于定时，为本节点的鸣叫时刻确定和其他节点的鸣叫时刻确认提供时间基准。智能鸣叫节点(4)的功能由节点智能软件（21）实现。节点智能软件（21）包含节点通讯子模块（22）、声音检测子模块（24）、其他节点鸣叫时刻识别子模块（36）、耦合关系模拟子模块（23）、鸣叫时刻计算子模块（25）和鸣叫输出子模块（26）

多节点音频身份识别与鸣叫时刻确认方法用于解决多个节点同时鸣叫时每一个节点鸣叫时刻的确认。在自然界中，以青蛙为例，每个青蛙能够听出其他青蛙叫声之间的细微差别，从而确定其他青蛙的鸣叫时刻。但是对于声音同步演示系统，由于不能让人听出个节点鸣叫声的差别，所有节点应该使用同一种声音进行鸣叫。当所有节点都发声时，相同的叫声此起彼伏相互叠加，某一个节点是否鸣叫与何时则很难判断与提取。为了模拟个体之前的声音耦合关系，节点应当具有判断其他节点是否鸣叫以及何时鸣叫的方法。只有这样，每个节点才能根据与自己有耦合关系的节点的鸣叫时刻来确定自己的鸣叫时刻，从而实现节点的声音同步动力学行为，演示整个网络的同步过程。多节点音频身份识别与鸣叫时刻确认方法就是这样的方法，该方法的基本思路是给每个节点的鸣叫声嵌入身份ID音频水印，这些水印处于不同的频段，节点共同发声时互不干扰。监测时通过水印提取，就可以获得各个节点的鸣叫时刻。该方法的步骤包括：

B1.选定一种动物的鸣叫声作为原始基音(37)，这种鸣叫声就是演示系统要同步的声音。

B2.假设演示系统有N个智能鸣叫节点，则在原始基音(37)的频带范围之外为N个智能鸣叫节点(4)选定N种水印载波频率f_i(i=1,2,…,N)。

B3.为了剔除同频段噪声对水印载波的干扰，依次用中心阻带频率为f_i(i=1，2,…,N)的N个带阻滤波器(44)对原始基音(37)进行滤波得到基音信号(38)。

B4.为每个智能鸣叫节点(4)指定一个身份识别ID号(39)，把ID号的二进制数据(40)作为待嵌入水印数据，其频率选为远小于f_i(i=1,2,…,N)的f₀。

B5.用第i个节点的待嵌入水印数据(40)对频率为f_i的正弦波载波(41)进行调制，把调制后的信号幅值调整到基音信号平均幅值数倍以下然后加到基音信号(38)中，添加时刻统一为基音信号的t₀时刻，由此得到各个节点的鸣叫音频信号(42)。加到基音信号(38)中的调制信号的幅值大小要确保人耳不能听到，且便于滤波检出。t₀时刻为人为选定的一个时刻，用于保证所有的音频水印与基音信号有相同的时间偏移量。

B6.各智能鸣叫节点(4)在既定时刻t_i(i=1，2,…,N)输出一次自己的鸣叫音频信号(42)，所有节点的鸣叫声此起彼伏相互叠加组成合鸣音(43)。时刻t_i的测量点就是所有音频水印的添加时刻t₀。

B7.各智能鸣叫节点(4)对合鸣音(43)进行采样检测。

B8.各节点依次先用中心通带频率为f_i(i=1,2,…,N)的带通滤波器(45)对合鸣音信号(43)进行滤波，滤波后得到调制了水印数据的正弦波载波信号，再用通带频率为f₀的低通滤波器(46)进行滤波，得到ID号的二进制数据(40)。由于对所有的载波频率f_i(i=1，2,…,N)都进行了一次同样的操作，所以可以得到所有节点的ID水印数据(40)。每个节点ID水印数据(40)的起始时刻，就是在时刻t_i处的t₀，由于所有的节点采用统一的t₀，所以可以获得每个节点的鸣叫时刻t_i。

所提供的复杂网络声音同步演示方法，基于上述的复杂网络声音同步演示系统和多节点音频身份识别与鸣叫时刻确认方法，主要通过多个步骤的操作和演示系统及节点软硬件的执行，实现复杂网络多个个体独立聆听、判断、发声模拟，以及网络拓扑结构和声音同步过渡过程的同时显示。演示方法的步骤包括：

S1.通过网络拓扑结构设定与显示子模块(7)设定网络拓扑结构（30）；

S2.网络拓扑结构设定与显示子模块(7)通过投影仪(2)将网络拓扑结构投射到网络拓扑结构投影板(3)上，所投射的拓扑结构反映以智能鸣叫节点(4)为代表的网络节点之间的连接关系；

S3.通过声音同步参数设定子模块(8)设定节点动力学特性（31）、节点初始鸣叫时刻（33）、网络内耦合关系和网络耦合强度；

S4.演示监控软件(6)通过监控通讯子模块(10)将所设定的网络拓扑结构（30）和声音同步参数发送给所有智能鸣叫节点(4)；

S5.每个智能鸣叫节点(4)通过节点通讯子模块（22）获得所设定的网络拓扑结构（30）和声音同步参数；

S6.每个智能鸣叫节点(4)根据所设定的节点初始鸣叫时刻（33），利用鸣叫输出子模块（26）通过扬声器驱动电路(14)输出步骤B5中得到的本节点鸣叫音频信号(42)；

S7.所有智能鸣叫节点(4)按控制节拍循环反复执行以下步骤（S71-S75）：

S71.利用声音采集电路(16)和麦克风(17)通过声音检测子模块（24）执行步骤B7，对本控制节拍中的合鸣音(43)进行采样检测；

S72.利用其他节点鸣叫时刻识别子模块（36）执行步骤B8，获得其他节点在本节拍的鸣叫时刻t_i；

S73.根据所设定的网络拓扑结构（30）和声音同步参数利用耦合关系模拟子模块（23）计算耦合作用输入值（29）；

S74.根据本节点在本节拍的鸣叫时刻、所计算的耦合作用输入值（29）和所设定的节点动力学特性（31）利用鸣叫时刻计算子模块（25）计算本节点下一节拍应鸣叫的时刻t_i；

S75.根据所计算的本节点下一节拍应鸣叫时刻t_i，利用鸣叫输出子模块（26）通过扬声器驱动电路(14)输出步骤B5中得到的本节点鸣叫音频信号(42)。

复杂网络的拓扑结构、内耦合关系、耦合强度和节点动态特性对同步过程有着显著的影响，在一次同步现象演示之前，要先对这些方面进行设定。在步骤S1中，利用网络拓扑结构设定与显示子模块(7)设定网络拓扑结构（30），所设定的拓扑结构在步骤S2中通过投影仪(2)投射到网络拓扑结构投影板(3)上，操作人员从网络拓扑结构投影板(3)上可以清晰地看到节点之间的连接关系。在步骤S3中，利用声音同步参数设定子模块(8)对网络内耦合关系、网络耦合强度、节点动力学特性（31）及各节点的节点初始鸣叫时刻（33）进行设定。至此，一次同步现象演示之前的所有设定工作全部完毕，操作人员可以启动同步演示过程。在同步演示的第一节拍，每个节点的鸣叫时刻为所设定的节点初始鸣叫时刻（33），此后各节点根据节点动力学特性（31）、网络拓扑结构（30）、网络内耦合关系、网络耦合强度以及所检测到的其他节点本节拍的鸣叫时刻t_i计算自己的下一节拍鸣叫时刻。随着节拍的持续，各节点不断地调整自己的鸣叫时刻。整个检测、识别、计算与输出的过程（步骤S71-S75）每个节点每个节拍进行一遍。当所有节点的鸣叫时刻趋同后，网络取得同步，人耳可以听到所有节点异口同声地鸣叫。由于同步行为需要一定的时间才能达到，所以步骤S7会反复进行多个节拍。在整个过渡过程期间，投影仪始终在投射网络的拓扑结构，操作人员就观察到了该拓扑结构下的网络同步过程。当在步骤S1和步骤S3对网络参数重新设定时，由于步骤S2的投影显示和步骤S7的重新计算，操作人员就可以观察新情况下的同步过程。当网络其他参数设定值不变，仅有一个参数如耦合强度发生变化时，由于步骤S7的计算，系统会演示出新的同步过渡过程，因此本系统可以用来观察网络参数对同步性能如同步速度和同步稳定性的影响。

本发明的有益效果是提供了一种复杂网络声音同步演示系统及演示方法，演示系统可以模拟多个个体独立聆听、判断、发声的物理机制,并可同时显示网络拓扑结构和该拓扑结构下的声音同步过程，演示方法可以使操作人员观察网络结构及参数对同步稳定性和过渡过程的影响。本发明利用实物系统把复杂网络的声音同步现象变得形象直观、令人印象深刻，使同步知识变得妙趣横生、乐于接受。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例所述演示系统结构示意图；

图2是本发明实施例所述监控软件功能模块图；

图3是本发明实施例所述智能鸣叫节点功能模块示意图；

图4是本发明实施例所述节点智能软件功能模块图；

图5是本发明实施例所述多节点音频身份识别与鸣叫时刻确认方法步骤图；

图6是本发明实施例所述演示方法流程图。

以上各图中，1：监控计算机系统；2：投影仪；3：网络拓扑结构投影板；4：智能鸣叫节点；6：演示监控软件；7：网络拓扑结构设定与显示子模块；8：声音同步参数设定子模块；10：监控通讯子模块；11：投射的连线；12：通讯总线；13：嵌入式最小系统；14：扬声器驱动电路；15：扬声器；16：声音采集电路；17：麦克风；18：通讯接口；19：时钟电路；21：节点智能软件；22：节点通讯子模块；23：耦合关系模拟子模块；24：声音检测子模块；25：鸣叫时刻计算子模块；26：鸣叫输出子模块；29：耦合作用输入值；30：网络拓扑结构；31：节点动力学特性；33：节点初始鸣叫时刻；36：其他节点鸣叫时刻识别子模块；37：原始基音；38：基音信号；39：身份识别ID号；40：ID号的二进制数据；41：正弦波载波；42：各个节点的鸣叫音频信号；43：合鸣音；44：中心阻带频率为f_i的带阻滤波器；45：中心通带频率为f_i的带通滤波器；46：通带频率为f₀的低通滤波器。

具体实施方式

实施例

监控计算机系统(1)为工业控制计算机，网络拓扑结构投影板(3)为圆形绝缘板，16个智能鸣叫节点(4)围成一圈安装在网络拓扑结构投影板(3)的边沿，投影仪(2)与工业控制计算机相连，安装在天花板上，投影仪(2)的画面投射到网络拓扑结构投影板(3)中央的圆形区域，通讯总线（12）为RS485总线，扬声器(15)为陶瓷扬声器,见图1。演示监控软件(6)利用VC编写，包括网络拓扑结构设定与显示子模块(7)、声音同步参数设定子模块(8)和监控通讯子模块(10)，见图2。智能鸣叫节点(4)的嵌入式最小系统(13)为ARMS3C44B0X核心板，扬声器驱动电路(14)为基于MAX9788扬声器驱动器电路，声音采集电路(16)为基于MAX4477的声音采集电路，麦克风(17)为XF-18D麦克风，时钟电路（19）为基于DS1302的时钟电路，通讯接口(18)为基于MAX1487的485接口电路，见图3。节点智能软件（21）包含节点通讯子模块（22）、声音检测子模块（24）、其他节点鸣叫时刻识别子模块（36）、耦合关系模拟子模块（23）、鸣叫时刻计算子模块（25）和鸣叫输出子模块（26），见图4。原始基音(37)选为持续3秒的青蛙叫声，N=16，水印载波频率f_i(i=1,2,…,N)选为30KHz-40KHz之间，身份识别ID号(39)选为二进制数1010XXXX，其中XXXX为8421码，f₀选为35Hz，t₀选为0.1秒，多节点音频身份识别与鸣叫时刻确认方法实施步骤见图5。一次演示操作中，操作人员先通过由VC编写的网络拓扑结构设定与显示子模块(7)选定网络的节点数（不多于16个）和拓扑结构（30），投影仪(2)将网络拓扑结构（30）投射到圆形绝缘板上，显示出所选节点之间的连接关系。有连边的节点之间，会投射出一条虚线(11)，线条的两端与对应的智能鸣叫节点(4)重合。然后操作人员通过声音同步参数设定子模块(8)设定节点动力学特性（31）、节点初始鸣叫时刻（33）、网络内耦合关系和网络耦合强度。之后操作人员启动同步过程，监控通讯子模块(10)将所设定的网络拓扑结构（30）和声音同步参数发送给所有智能鸣叫节点(4)，智能鸣叫节点(4)根据所设定的节点初始鸣叫时刻（33），利用鸣叫输出子模块（26）通过扬声器驱动电路(14)输出步骤B5中得到的本节点鸣叫音频信号(42)。随后各节点按节拍不断地检测合鸣音(43)、识别其他节点的鸣叫时刻、计算自己下一节拍的鸣叫时刻、按计算时刻输出自己的音频信号(42)。整个检测、计算与输出过程持续到一定的时间结束，一次同步现象演示完成，演示方法步骤见图6。

Claims (3)

1.一种复杂网络声音同步演示系统，其特征在于：

A1.包括监控计算机系统(1)、投影仪(2)、网络拓扑结构投影板(3)、通讯总线（12）和若干个智能鸣叫节点(4)；

A2.监控计算机系统(1)与所有的智能鸣叫节点(4)通过通讯总线（12）相连；

A3.投影仪(2)连接到监控计算机系统(1)，投影仪(2)的画面投射到网络拓扑结构投影板(3)上；

A4.所有的智能鸣叫节点(4)呈单绕环状安装在网络拓扑结构投影板(3)上，绕环所包围的区域为投影仪(2)的投射区域；

A5.监控计算机系统(1)安装有演示监控软件(6)，演示监控软件(6)包含网络拓扑结构设定与显示子模块(7)、声音同步参数设定子模块(8)和监控通讯子模块(10)；

A6.智能鸣叫节点(4)包含嵌入式最小系统(13)、扬声器驱动电路(14)、扬声器(15)、声音采集电路(16)、麦克风(17)、时钟电路（19）和通讯接口(18)；

A7.智能鸣叫节点(4)中安装有节点智能软件（21），节点智能软件（21）包含节点通讯子模块（22）、声音检测子模块（24）、其他节点鸣叫时刻识别子模块（36）、耦合关系模拟子模块（23）、鸣叫时刻计算子模块（25）和鸣叫输出子模块（26）。

2.一种基于权利要求1所述复杂网络声音同步演示系统的多节点音频身份识别与鸣叫时刻确认方法，其特征在于包括以下步骤：

B1.选定一种动物的鸣叫声作为原始基音(37)；

B2.在原始基音(37)的频带范围之外为N个智能鸣叫节点(4)选定N种水印载波频率f_i(i=1，2,…,N)；

B3.依次用中心阻带频率为f_i(i=1，2,…,N)的N个带阻滤波器(44)对原始基音(37)进行滤波得到基音信号(38)；

B4.为每个智能鸣叫节点(4)指定一个身份识别ID号(39)，把ID号的二进制数据(40)作为待嵌入水印数据，其频率选为远小于f_i(i=1,2,…,N)的f₀；

B5.用第i个节点的待嵌入水印数据(40)对频率为f_i的正弦波载波(41)进行调制，把调制后的信号幅值调整到基音信号平均幅值数倍以下然后加到基音信号(38)中，添加时刻统一为基音信号的t₀时刻，由此得到各个节点的鸣叫音频信号(42)；

B6.各智能鸣叫节点(4)在既定时刻t_i(i=1,2,…,N)输出一次自己的鸣叫音频信号(42)，所有节点的鸣叫声此起彼伏相互叠加组成合鸣音(43)；

B7.各智能鸣叫节点(4)对合鸣音(43)进行采样检测；

B8.各节点依次先用中心通带频率为f_i(i=1,2,…,N)的带通滤波器(45)对合鸣音信号(43)进行滤波，再用通带频率为f₀的低通滤波器(46)进行滤波，由此得到其他所有节点的ID水印数据(40)及鸣叫时刻t_i。

3.一种基于权利要求1所述复杂网络声音同步演示系统和权力要求2所述多节点音频身份识别与鸣叫时刻确认方法的复杂网络声音同步演示方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.通过网络拓扑结构设定与显示子模块(7)设定网络拓扑结构（30）；

S2.网络拓扑结构设定与显示子模块(7)通过投影仪(2)将网络拓扑结构投射到网络拓扑结构投影板(3)上，所投射的拓扑结构反映以智能鸣叫节点(4)为代表的网络节点之间的连接关系；

S3.通过声音同步参数设定子模块(8)设定节点动力学特性（31）、节点初始鸣叫时刻（33）、网络内耦合关系和网络耦合强度；

S4.演示监控软件(6)通过监控通讯子模块(10)将所设定的网络拓扑结构（30）和声音同步参数发送给所有智能鸣叫节点(4)；

S5.每个智能鸣叫节点(4)通过节点通讯子模块（22）获得所设定的网络拓扑结构（30）和声音同步参数；

S6.每个智能鸣叫节点(4)根据所设定的节点初始鸣叫时刻（33），利用鸣叫输出子模块（26）通过扬声器驱动电路(14)输出步骤B5中得到的本节点鸣叫音频信号(42)；

S7.所有智能鸣叫节点(4)按控制节拍循环反复执行以下步骤（S71-S75）：

S71.利用声音采集电路(16)和麦克风(17)通过声音检测子模块（24）执行步骤B7，对本控制节拍中的合鸣音(43)进行采样检测；

S72.利用其他节点鸣叫时刻识别子模块（36）执行步骤B8，获得其他节点在本节拍的鸣叫时刻t_i；

S73.根据所设定的网络拓扑结构（30）和声音同步参数利用耦合关系模拟子模块（23）计算耦合作用输入值（29）；

S74.根据本节点在本节拍的鸣叫时刻、所计算的耦合作用输入值（29）和所设定的节点动力学特性（31）利用鸣叫时刻计算子模块（25）计算本节点下一节拍应鸣叫的时刻t_i；

S75.根据所计算的本节点下一节拍应鸣叫时刻t_i，利用鸣叫输出子模块（26）通过扬声器驱动电路(14)输出步骤B5中得到的本节点鸣叫音频信号(42)。

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