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基于语音识别的游戏系统设计

作 者: 李瑜
导 师: 何伟
学 校: 重庆大学
专 业: 信号与信息处理
关键词: 语音识别 游戏系统 SOPC技术 μC/GUI
分类号: TN912.34
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 42次
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内容摘要


近年来,语音识别作为人机交互方式之一,受到广泛关注。课题所设计的语音识别游戏系统,结合这一趋势,将其应用在游戏系统中,为用户带来传统游戏模式之外更多的娱乐体验,具有良好的发展前景。课题以Altera公司的DE2-70FPGA开发套件为核心,结合FPGA强大的并行处理能力和Nios II软核处理器灵活性的特点,进行SOPC系统硬件设计。分析研究了语音识别算法,并对μC/GUI图形库进行移植以构建出友好的人机交互界面。最后实现一个性能稳定、界面友好、成本较低、升级方便的语音识别游戏系统。课题主要工作包含了硬件设计和软件设计两个部分:硬件设计的主要工作是根据Avalon总线规范,构建基于Nios II软核处理器的SOPC系统。具体工作包括:①利用WM8731和乒乓操作原理,设计语音采集模块完成模拟语音数字化;②编写PS/2自定义模块,并采用软件译码方式实现键盘与FPGA通信,方便录入用户姓名等信息;③根据LTM触摸屏时序,结合IP核构建触摸屏硬件模块,为系统人机交互中游戏界面设计提供硬件基础。此外,还添加如存储器、定时器等其他外设组件,并通过Quartus II工具进行集成综合到SOPC系统中,完成硬件部分设计。软件设计主要是根据搭建完成的SOPC系统,结合课题的功能规划进行各个模块软件实现。其主要工作包括3个方面:①分析研究语音识别算法,选取基于短时能量和平均过零率的双门限算法进行有效语音提取、利用MFCC特征参数算法提取能表征语音的特征信息、采用基于遗传算法的矢量量化识别算法进行模板生成和识别判决,并结合FPGA并行处理能力强的特点,利用硬件资源实现加速;②移植μC/GUI图形库,通过对μC/GUI图形库下对中文字体、窗口控件、图片以及对话框的应用,为系统的三种工作模式(用户创建模式、语音登陆游戏模式和用户删除模式)提供了一个友好的人机交互界面;③游戏设计,系统游戏包含嵌入式平台游戏与由平台控制的PC机游戏。嵌入式平台游戏包含推箱子和贪吃蛇两款游戏,通过游戏算法结合μC/GUI图形库来实现;PC游戏是嵌入式平台接收语音指令后通过串口控制PC机上自带的游戏。从实验结果可以看出,该系统具有识别率高、交互界面友好、操作简单、使用方便等优点,并且系统成本低、体积小、软硬件可升级,具有良好的应用前景。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-13
  1.1 课题研究背景及意义  9
  1.2 国内外研究现状  9-10
  1.3 论文主要工作及章节安排  10-13
    1.3.1 论文主要工作  10-11
    1.3.2 章节安排  11-13
2 相关技术与理论  13-17
  2.1 Nios II 处理器及 SOPC 技术简介  13-14
    2.1.1 Nios II 处理器系统  13-14
    2.1.2 SOPC 技术简介  14
  2.2 语音信号简介  14-15
    2.2.1 听觉机理和语音基础  14-15
    2.2.2 语音识别算法评估指标  15
  2.3 本章小结  15-17
3 语音识别算法分析  17-31
  3.1 语音信号时域分析处理  17-21
    3.1.1 语音信号数字化  17-18
    3.1.2 语音信号预加重  18
    3.1.3 语音信号加窗分帧  18-19
    3.1.4 有效语音端点检测  19-21
  3.2 语音信号频域分析处理  21-25
    3.2.1 LPC 线性预测系数  21-23
    3.2.2 LPCC 线性预测倒谱系数  23-24
    3.2.3 Mel 频率倒谱系数  24-25
  3.3 语音识别算法分析处理  25-30
    3.3.1 DTW 动态时间归正识别技术  25-26
    3.3.2 HMM 隐马尔可夫模型  26-27
    3.3.3 基于矢量量化的识别技术  27-30
  3.4 本章小结  30-31
4 系统总体方案设计  31-37
  4.1 系统功能分析  31
  4.2 系统设计要求  31-32
  4.3 系统总体方案设计  32-36
    4.3.1 系统硬件方案设计  35-36
    4.3.2 系统软件方案设计  36
  4.4 本章小结  36-37
5 系统硬件设计  37-49
  5.1 语音采集模块  37-39
  5.2 PS/2 键盘模块  39-41
    5.2.1 PS/2 概述  39-41
    5.2.2 PS/2 模块设计  41
  5.3 LTM 触摸屏模块  41-47
    5.3.1 LTM 简介  41-43
    5.3.2 LTM 触摸面板接口配置  43-44
    5.3.3 LCD 图像显示设计  44-46
    5.3.4 LCD 触摸操作设计  46-47
  5.4 SOPC 硬件系统设计与实现  47-48
  5.5 本章小结  48-49
6 系统软件设计  49-65
  6.1 人机交互界面设计  49-54
    6.1.1 人机交互界面需求分析  49
    6.1.2 μC/GUI 图形库移植  49-52
    6.1.3 μC/GUI 图形库在界面设计中的应用  52-54
  6.2 语音识别算法实现  54-59
    6.2.1 预处理  54-55
    6.2.2 MFCC 特征参数提取  55-56
    6.2.3 模板建立  56-58
    6.2.4 模板匹配  58-59
  6.3 游戏设计  59-62
  6.4 实验结果  62-64
  6.5 本章小结  64-65
7 工作总结与展望  65-67
  7.1 工作总结  65
  7.2 下一步研究方向  65-67
致谢  67-69
参考文献  69-71
附录  71
  A. 作者在攻读硕士学位期间参与课题及成果  71

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 电声技术和语音信号处理 > 语音信号处理 > 语音识别与设备
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