复杂网络声音同步演示系统及演示方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于教学仪器领域，尤其涉及一种复杂网络声音同步演示系统及演示方 法。
技术介绍
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、弓I人入胜。
技术实现思路
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，本专利技术提供了一种复杂网络 声音同步演示系统及演示方法。本专利技术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(I)、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⑷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(I)相连，把监控计算机系统(I)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(I)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(I)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(I)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(I)。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⑷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⑷选定N种水印载波频率fi(i=l，2，-·，Ν)。Β3.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fi(i=l， 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⑷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fi(i=l，2，···，N)的f0。B5.用第i个节点的待嵌入水印数据(40)对频率为fi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h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。h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⑷在既定时刻ti(i=l，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\的测量点就是所有音频水印的添加时刻B7.各智能鸣叫节点⑷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fi(i=l，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 \α=1，2，···，Ν)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\处的^由于所有的节点采用统一的 h，所以可以获得每个节点的鸣叫时刻t。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，实现复杂网络多个本文档来自技高网...

【技术保护点】
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）。...

【技术特征摘要】
1.一种复杂网络声音同步演示系统，其特征在于 Al.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⑶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(I)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fi(i=l,2,···,N)； B3.依次用中心阻带频率为Αα=1，2，···，Ν)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)； Β4.为每个智能鸣叫节点⑷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fi(i=l，2，…，N)的& ； B5.用第i个节点的待嵌入水印数据(40)对频率为&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h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ti(i=l，2，·，Ν)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘歌群，郝陈祥，郭东逸，朱春香，江琨，任冠琦，马小美，辛辰，李文惠，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：