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1、 . . . 第一章 绪 论1.1引 言数码相机，英文名“Digital Camera”，是一种利用光电传感器（CCD/CMOS SENSOR）把图像转换成电子数据的照片机1。数码相机，是现在通信、计算机产业、照相机产业高速发展的产物。随着电信、计算机的普与和家庭化，数码相机作为计算机的图像输入设备，不仅能采集静止图像，而且能采集视频图像和音频信号，便于计算机存储和处理，容易实现网络传输，其应用领域日益广泛。数码相机是以电子存储设备作为摄像记录载体，通过光学镜头在光圈和快门的控制下，实现在电子存储设备上的曝光，完成被摄影像的记录。数码相机是由镜头、CCD/CMOS光电传感器、ADC模数转换器、
2、DSP数字信号处理器、置存储器、LCD显示器、SD CARD可移动存储器以与相应的接口部分组成17。数码相机中只有镜头的作用与光学相机一样，它将光线会聚到感光器件上CCD/CMOS上。CCD/CMOS是半导体器件，它代替了光学相机中胶卷位置，它的功能是把光信号转变成电信号。这样，我们就得到了对应于拍摄景物的电子图像，但是它还不能马上被送去计算机处理，还需要按照计算机的要求进行从模拟信号到数字信号的转换，ADC器件用来执行这项工作。接下来DSP处理器对数字信号进行处理压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG格式。最后，图像文件被存储在置存储器或可移动存储器中。然后通过LCD查看拍摄到的照片。本文
3、应用凌阳公司开发生产的32位嵌入式系统SPCE3200为处理核心，进行数码相机的开发设计，并加入MP3或MP4播放器等当前流行的多媒体功能，使之具有更多娱乐性。利用凌阳公司生产的16位单片机加入了语音控制功能，使该数码相机更具有操作的灵活性。1.2智能声控数码相机的发展状况2现有传统相机市场为少数大厂家所占领，已经形成了很大的品牌效应，但很遗憾的是在此却很少看到中国自己的影子。而数码相机作为一个新型产品，市场前景十分诱人。因此成为国厂家要和这些大的传统相机厂家分一杯羹的最后赌注。上到国家政策，下到一些小厂措施，都积极备战。当然那些大厂家也不甘示弱，也在做着努力。可以预见，对这块领土的争夺战将十
4、分激烈。纵观商海浪潮神话永远有，但神话不是永久存在。市场有着太多不确定因素，充满着令神话覆灭的危机，但也不乏创造神话的机遇。面对这场充满看不见硝烟的中国数码相机保卫战，为企业服务的背后将有着更大更深远的历史意义想来让人激动和兴奋。 新款数码相机不断推出新的概念。一是它代表了一种全新的生活方式；二是数码相机本身就是一种区别于传统相机的新事物；三是数码相机有着其前瞻性、时尚性特点；四是它存在的基础就是最新的科技技术。 以此为出发点，我对传统相机和现有市场上的数码相机进行了调查研究。得出以下结论与相应设计取向： 121 总趋势 传统相机在光学上的技术优势，成像上的效果，数码相机在短时间还无法对其实现
5、替代，特别是对于专业选手，更是不可能。因此数码相机在设计考虑时，目前应着重与非专业选手的需求。 122 造型上 传统相机造型是以机械美、科技美为主要诉求卖点，在这些方面已达到极至。美的很，也十分具有诱惑力。因此数码相机造型在现阶段设计上就应避开这些，在吸取其这方面优点的同时把重点放在时尚、前卫与人性化等方面，况且这些也是与时代特征科技以人为本、感性营销策略等相一致的。就像美国航空把诉求点放在高科技上，获得成功。而法国则把诉求点放在服务上，同样在世界上也不甘落后。也就是说任何一种“产品”要获得成功有一个明确的市场定位是必须的。 123 产品功能上 在产品功能设置上，传统相机以其高科技的完善支持，
6、可谓功能全面，因此造成了其复杂复杂到令人望而生畏的境界。傻瓜相机的诞生就是一种弥补市场的措施，但现在有了更好的选择数码相机。这也就告诉我们，我们的数码相机设计应该是易操作和易使用的，能够抓住最大群体的非专业用户，其成功就不得了了。毕竟专业用户又有多少，况且他们似乎对数码相机还不屑一顾的。目前许多数码相机只具有照相相关功能，而缺少一些相关功能，比如说MP3，MP4播放器，还有声控1等功能。加入声控功能可以给用户增加了很多的方便，用户只需用声音控制数码相机，使用简单方便。124 技术上可以说，技术是今天我们这个社会最重要的基础之一了。目前市场上大部分数码相场对数码相机的核心器件都CCD传感器6，尽
7、管像素很高，可达1000万以上，但是并没有太大的突破，如果想打破市场，只在提升数码相机其它的技术参数。比如说现在市场上绝大部分数码相机操作面板均采用传统的按钮模式，即然这样，我们为什么不用当前非常流行的触摸屏技术来取代按钮呢，这就一个技术上的突破，可以迅速占领市场。总结以上种种，对数码相机设计的总体思路和大体方向是简洁、美观、亲和、时尚、前卫，同时是易操作的，易用和个性化的。 随着多媒体与电子技术的发展，早期的多媒体播放器无论是从功能还是速度成本等方面越发显得捉襟见肘，嵌入式实时操作系统的出现将开发人员从繁琐的任务调度中解放出来，从而使开发人员有更多的精力进行上层应用软件的开发。 本方案基于
8、eCos 嵌入式实时操作系统平台，采用凌阳科技的 32位 RISC 处理器 SPCE3200，结合大容量存储单元 SD 卡与 TFT 液晶屏，实现 SD 卡文件浏览，MP3 音频文件、SP4 视频文件以与 JPEG 图片的播放与显示。并提出了一种在消费类电子中使用嵌入式操作系统进行设计的低成本解决方案。1.3论文主要研究的容 本文主要围绕着数码相机音视频系统展开全面的讨论和研究。本文的绪论部分，主要对课题的研究背景、当前数码相机的发展与关键技术进行了简要的介绍。介绍了整个数码相机的整体架构与系统组成，主要包括硬件平台结构。 集中介绍了数码相机中相关软件程序与驱动软件设计。介绍了系统的调试过程与
9、试验的数据结果进行分析。对现有的数码相机系统进行了功能测试和性能评估并对本文所研究的系统进行展望。 第二章 语音识别系统的基本原理2.1语音信号的产生模型语音信号的产生模型讨论语音识别系统实现前3，将语音信号的产生模型作为独立模块拿出。作为语音信号处理的基础之一，预加重、线性预测、信号处理等概念都依赖于语音信号产生模型。周期脉冲发生器声门脉冲模型G（Z）随机噪声发生器声管模型V（Z）辐射模型R（Z）基音频率AVAFx(n)图2.1语音信号产生线形模型语音按其激励形式的不同可以分为浊音和清音,信号是一种典型的时变信号，然而如果把观察时间缩短到十毫秒至几十毫秒，则可以得到一系列近似稳定的信号。人的
10、发音器官可以用若千段前后连接的声管进行模拟，这就是所谓的声管模型，音控控制系统的研究简单地说声管模型是指人从喉到嘴边这一段发音腔是用一序列截面积不同的均匀声管来模拟，根据声管的声学模型，利用物理知识，可以计算出这段声管模型与信号处理理论中的全极点模型相类似。因此，可以应用信号处理中已有的算法对语音信号进行处理。语音信号x(n)可以看作是激励信号激励一个线性系统而产生的输出。其中，语音中的浊音部分是由一连串的有规律的周期信号(此周期与浊音的基音周期吻合)来激励不同形状的声管模型而产生。为了使浊音的激励信号具有声门脉冲的实际波形，还需要使激励序列通过一个声门脉冲模型滤波器G(Z)。这个线性系统由声
11、门脉冲模型、声道模型、辐射模型级联而成。系数AV的作用是调节浊音信号的幅度。系统传输函数为: （2.1）激励信号是一个周期性的脉冲串:，那么浊音信号就是两者的卷积结果，即: (2.2)而清音信号是由白噪声序列激励一个线性系统而产生。这个线性系统仅由声道模型和辐射模型级联而成。系数 AF的 作用是调节清音信号的幅度。系统传输函数为:(2.3)激励信号u(n)假定为白噪声序列，于是有:(2.4)语音信号是一种典型非平稳信号，特性是随时间变化的。但是在5ms-50ms这样的短时，其频谱和某些物理特征量可以看作是不变的，这就是语音信号处理短时平稳统计特性的基础。我们将语音信号分割为一些短段(分析帧)，
12、这些短段就好像来自一个固定特性的持续音片断，对该短段进行处理就相当于对固定特性的持续音进行处理。通常帧间有一些叠接，使得帧与帧之间平滑过渡，保持语音信号的连续性。对每一帧的处理结果是一个数或是一组数，经过处理以后产生一个新的依赖于时间的序列，用于描述语音信号。2.2 语音信号的数字化和预处理3语音信号的数字化包括采样、预滤波。语音信号预处理是负责语音特征参数提取前的准备工作，一般包括预加重、加窗和分帧等。2.2.1 语音采样计算机分析人的语音，需将话简传来的语音信号转换成计算机所能处理的数字信号。在PC机上，只需外接一个话筒就可以实现模拟语音信号采集成数字信号进入到计算机。根据Nyquist采
13、样定理，信号的采样频率只需大于信号带宽两倍以上()即可保证信号的采集不会丢失信息。语音信号的音频围在20Hz到20kHz之间，其中绝大部分能量是集中在5.7kHz以，一般语音信号的采样频率为10kHz或16kHz，这样作对语音信号的清晰度有损害，但只是少数辅音损失，语音信号本身有较大的冗余度，少数辅音清晰度下降并不影响语音的理解。例如ITU 数字G.711协议，采样频率为8kHz，只利用了3.4kHz以的语音信号3。2.2.2预滤波预滤波的目的有两个:高通滤波器抑制50Hz 电源噪声千扰；低通滤波器滤除语音信号中频率分量超过采样频率一半的部分，防止采样信号混叠。如果频率干扰(50或60HZ)不
14、严重干扰或另有抗干扰措施，则不必用带通滤波器而只用低通滤波器即可。低通滤波器的截止频率由语音信号带宽决定，用以滤除高于1/2采样频率的信号成分或噪声，并且希望其带波动和带外衰减特性尽可能好。A/D转换后采用低通滤波器作为平滑滤波器，对重构的语音波形的高次谐波起平滑作用，以去除高次谐波失真。对于这种低通滤波器的特性和A/D转换频率，也要求与采样时具有一样的关系。2.2.2预加重语音信号经过采样和量化过程后，一般需要对语音信号进行预加重。由于语音信号的平均功率受声门激励和口鼻辐射的影响，所以高频端大约在8OOHz以上按6dB/倍频程跌落(这就意味着频率每增加一倍语音信号功率将减少为1/4，或信号幅
15、度减小为1/16)，为此要在预处理中进行预加重。其目的就是提升高频部分，使信号的频谱变得平坦，便于进行频谱分析或声道参数的分析。预加重可以在A/D变换前，在防混叠滤波之前进行，这样不仅能够进行预加重，而且可以压缩信号的动态围，有效地提高信噪比。预加重也可以在A/D变换之后进行，用具有6dB/倍频程提升高频特性的预加重数字滤波器实现。预加重滤波器一般是一阶的，形式如下: （2.5）式中， u为预加重系数，其值接近于1，典型的取值在0.49一0.79之间。预加重后的信号在分析处理之后，需要进行去加重处理，即加上一个6dB/倍频程下降的频率特性来还原成原来的特性。2.3 语音信号的时域分析语音信号的时域分析就是分析和提取语音的时域参数。语音信号的时域参数主要有短时平均能量和短时平均幅度、短时平均过零率、短时自相关函数和短时平均幅度差函数等。2.4.1短时能量和幅度4短时能量的主要意义在于给出了区分清音段和浊音段的基础，清音比浊音的幅度要小得多，清音段的能量值明显小于浊音段，因此能量函数可用来大致定浊音语音和清音语音的变化时刻.对于高信噪比的条件下，可以用能量来区分有无语音。由于其对高信号电平非常敏感(幅度的平方)，需要
