基于CUDA架构的三维CPML-FDTD并行方法

为解决时域有限差分（FDTD）算法应用于电大尺寸目标仿真的巨大耗时问题,应用FDTD算法的并行特性和通用图形处理器（GPGPU）技术,实现了一种基于计算统一设备架构（CUDA）的三维FDTD并行计算方法,采用了时域卷积完全匹配层（CPML）吸收边界条件模拟开域空间,对不同网格数目标仿真计算。进一步结合FDTD算法和CUDA的特点进行了优化,当计算空间元胞数在十万数量级及以上时,优化前后GPU运算相对于同时期的CPU分别可获得10和25倍以上的加速,结果表明该方法较适合用于实际电磁问题的仿真。     

脉冲噪声环境下基于卡尔曼滤波的语音增强

语音增强的目标在于从含噪信号中提取纯净语音,纯净语音在某些环境下会被脉冲噪声所污染,但脉冲噪声的时域分布特征却给语音增强带来困难,使传统方法在脉冲噪声环境下难以取得满意效果。为在平稳脉冲噪声环境下进行语音增强,提出了一种新方法。该方法通过计算确定脉冲噪声样本的能量与含噪信号样本的能量之比最大的频段,利用该频段能量分布情况逐帧判别语音信号是否被脉冲噪声所污染。进一步地,该方法只在被脉冲噪声污染的帧应用卡尔曼滤波算法去噪,并改进了传统算法执行时的自回归(AR)模型参数估计过程。实验中,采用白色脉冲噪声以及有色脉冲噪声污染语音信号,并对低输入信噪比的信号进行语音增强,结果表明所提出的算法能显著地改善信噪比和抑制脉冲噪声。     

基于CUDA的汇流分析并行算法的研究与实现*

针对基于数字高程模型（DEM）生成流域等流时线的快速运算问题,提出了一种基于统一设备计算架构（CUDA）平台同时可发挥图形处理器（GPU）并行运算特性的汇流分析的快速并行算法。采用改进后的归并排序算法进行数据排序及新的内存分配策略和改进的并行算法进行汇流分析。用该并行算法和CPU上的串行算法, 对生成基于DEM的等流时线运算时间和矩阵乘法运算时间进行分析验证。实验结果表明,基于CUDA的汇流分析并行算法能提高系统的计算效率,具有较好的效果。     

基于时频联合损失函数的语音增强算法

在频域语音增强算法中,由于估计幅度谱与带噪相位谱的不匹配,其性能难以突破固有上限。在时域语音增强框架中,模型将时域波形作为输入,由网络直接学习时域波形之间的映射关系,有效地避免了无效短时傅里叶变换（STFT）问题。然而,常见的采用波形最小均方误差的时域语音增强算法对语音频域特征的建模并未达到最优。针对这个问题,提出一种基于时频联合损失函数的语音增强算法。首先将时频联合损失函数应用到Wave-U-Net时域语音增强网络,同时设计并分析了一阶范数形式和二阶范数形式的时频联合损失函数对增强网络的影响,最后得到了面向语音通信任务和语音识别任务的相对最佳损失函数选择方案。实验结果表明,相较于采用时域损失的增强网络,采用面向语音通信时最佳联合损失函数的增强网络在语音质量的感知评估（PESQ）和短时目标清晰度（STOI）分别实现了3.6%和2.30%的相对提升,采用面向语音识别时最佳联合损失函数的增强网络在字符错误率（CER）上实现了1.82%的相对降低。相较于Wave-U-Net时域语音增强网络,该算法有更好的噪声抑制效果,在后端语音识别任务中表现更为优秀。     

分批处理的K-means算法并行实现

为解决K-means 算法计算量大、收敛缓慢、运算耗时长等问题,给出一种新的K-means算法的并行实现方法。在通用计算图形处理器架构上,使用统一计算设备架构(CUDA)加速K-means算法。采用分批原则,更合理地运用CUDA提供的各种存储器,避免访问冲突,同时减少对数据集的访问次数,以提高算法效率。在大规模数据集中的实验结果表明,该算法具有较快的聚类速度。     

基于CUDA的塔台模拟机冲突检测算法

塔台模拟机冲突检测算法是一种耗时大的并行算法。针对其导致塔台模拟系统核心服务器CPU负担过重的缺点,在常用冲突检测算法的基础上,提出一种基于统一设备构架（CUDA）的塔台模拟机冲突检测实现方案。首先介绍GPU并行运算的体系结构基础,并将基于卡尔曼滤波的目标物体跟踪技术的分层冲突检测算法移植到GPU。然后利用相同价格的CPU和GPU对比运算效果。实验结果表明：与相同算法的CPU实现方案相比,GPU实现方案将计算效率提高10～50倍。使用此方案,极大地减轻了核心服务器的负担,使塔台模拟机的性能得到质的提高。     

一种基于时频域特征融合的语音增强方法

为充分利用含噪语音特征来提升深度神经网络的语音增强性能,提出一种融合时频域特征的语音增强方法。以含噪语音的波形和纯净语音的对数功率谱分别作为训练特征和训练目标,获取含噪语音时域特征到纯净语音频域特征的映射关系。将含噪语音的波形和对数功率谱共同作为训练特征,构建融合含噪语音时域和频域特征的深度神经网络实现语音增强。实验结果表明,与单纯使用频域特征的语音增强方法相比,该方法能够明显提升增强语音的质量和可懂度,具有更好的语音增强性能。     

一种改进的卡尔曼滤波语音增强法

提出一种基于谱减法和听觉掩蔽效应的改进的卡尔曼滤波语音增强算法.引入基于谱减法的AR参数估计使卡尔曼算法降低了复杂度和计算量从而易于实现.用卡尔曼滤波滤除噪声的同时结合人耳听觉掩蔽特性设计一个后置感知滤波器,使得从卡尔曼滤波获得的估计误差低于人耳掩蔽阈值,在去噪和语音失真之间取较好的折中.仿真结果表明所提方法优于传统的卡尔曼滤波增强法,能够有效地减少语音失真,并且更符合人耳听觉特性,特别是在低信噪比的情况下,语音具有更好的清晰度和可懂度.     

基于Tesla平台的快速反投影运算

反投影运算是锥束CT图像重建算法中运算量最大,最耗时的部分,是制约重建速度的瓶颈。为此,在计算统一设备架构模型下,应用体素驱动法实现基于Tesla平台的反投影(BP)并行运算,并对BP运算上的访存和数学指令进行优化。实际CT数据的重建结果表明,该方法的运算速度是CPU串行程序的198倍,效率高且易于实现。     

基于双阶段Conv-Transformer的时频域语音增强算法

频域语音增强算法通常存在相位失配问题，而相位信息对于语音增强任务非常重要。时域语音增强算法可以有效解决相位失配问题，但是噪声和语音在频域中更易分离。为了实现时域和频域语音增强算法的优势互补，提出一种基于双阶段Conv-Transformer的时频域语音增强算法。采用编解码结构，将带噪语音经过短时傅里叶变换得到的频域特征和一维卷积处理后得到的时域特征作为输入。考虑到Transformer擅长提取语音序列的全局依赖关系，卷积神经网络可以关注局部特征，为了更好地提取时域和频域中的局部信息和全局信息，设计一种Conv-Transformer模块。在此基础上，联合时域和频域损失函数对模型进行优化，使得模型可以同时学习语音在时域和频域中的分布规律。实验结果表明，与单一域的语音增强算法相比，该算法具有更好的降噪效果，增强后的语音感知质量、短时可懂度、信号失真测度、噪声失真测度、综合质量测度分别为3.04、0.953、4.34、3.55、3.69。     

基于GPU的H.264并行解码算法

针对并行处理H.264标准视频流解码问题,提出基于CPU/GPU的协同运算算法。以统一设备计算架构(CUDA)语言作为GPU编程模型,实现DCT逆变换与帧内预测在GPU中的加速运算。在保持较高计算精度的前提下,结合CUDA混合编程,提高系统的计算性能。利用NIVIDIA提供的CUDA语言,在解码过程中使DCT逆变换和帧内预测在GPU上并行实现,将并行算法与CPU单机实现进行比较,并用不同数量的视频流验证并行解码算法的加速效果。实验结果表明,该算法可大幅提高视频流的编解码效率,比CPU单机的平均计算加速比提高10倍。     

量化压缩感知在语音压缩编码中的应用

利用语音信号在离散余弦变换（ DCT）域的近似稀疏性和量化压缩感知理论,文中提出一种基于量化压缩感知的语音压缩编码方案。编码端利用压缩感知技术,将语音信号投影成数据量大大减少的观测序列,然后对观测序列采用Lloyd-Max量化得到量化后的观测样值;解码端直接利用量化后的观测样值,结合重构算法重构出原始语音信号的DCT系数,经过DCT反变换得到重构后的语音信号,并采用后置低通滤波器改善重构语音的听觉效果。该编码方案解码端不需要进行反量化,而是直接利用量化后的观测样值进行重构,有效降低了解码端的运算量及复杂度。仿真结果表明：采用量化迭代硬阈值（QIHT）算法重构效果优于迭代硬阈值算法（IHT）,重构语音的信噪比能达到20 dB以上,MOS分达到3.26。     

RSA算法的CUDA高效实现技术

CUDA（Compute Unified Device Architecture）作为一种支持GPU通用计算的新型计算架构,在大规模数据并行计算方面得到了广泛的应用。RSA算法是一种计算密集型的公钥密码算法,给出了基于CUDA的RSA算法并行化高效实现技术,其关键为引入大量独立并发的Montgomery模乘线程,并给出了具体的线程组织、数据存储结构以及基于共享内存的性能优化实现技术。根据RSA算法CUDA实现方法,在某款GPU上测试了RSA算法的运算性能和吞吐率。实验结果表明,与RSA算法的通用CPU实现方式相比,CUDA实现能够实现超过40倍的性能加速。     

基于CUDA架构的FFT并行计算研究

FFT（快速傅里叶变换）是基于提高DFT（离散傅里叶变换）计算的高效算法,它在众多科学和工程领域都得到了广泛的应用。自FFT算法出现以后,从早期的以降低复杂度到近年以来的大规模并行FFT计算,各种优化算法得到广泛的研究。在并行运算领域中,随着可编程的、并行化GPU的不断推广,特别是通用并行统一计算架构CUDA的出现,极大增强了GPU的计算能力,在编程和优化等方面都有显著地提升。鉴于此,本文在分析FFT算法实现的基础上,研究了一种适合GPU运算的FFT并行计算方法,并通过CUDA架构实现了FFT算法在GPU上的运算。该方法的引入在理论不计算数据传输的情况下,使一维FFT运算时间的复杂度由O（N logN2）可以降到O（N/rlogN2）。通过验证,本文提出的CUDA的并行FFT方法得到较好的加速效果,在精度计算上也符合实际的要求,从而证明了该方法的正确性和有效性。     

基于并行回火改进的GRBM的语音识别

为提高连续语音识别中的识别准确率,采用高斯伯努利受限玻尔兹曼机进行语音训练和识别。通过结合并行回火算法的思想,采样、交换不同的温度链下的重构数据,实现在全局范围内对整个分布进行采样,提出一种基于并行回火改进的高斯伯努利受限玻尔兹曼机（GRBM-PT）的建模方法。该方法通过对语音信号的连续数据进行预训练分析、建模,最后使用支持向量机作为语音识别的分类器。在TI-Digits数字语音训练和数字测试数据库上的实验结果表明,语音识别率能够达到83.14%,基于GRBM-PT模型下的语音识别率明显优于RBM,RBM-PT以及GRBM模型的性能。     

基于CUDA的SAR成像CS算法研究

针对通用计算平台下SAR成像算法效率低下的问题,提出了一种基于CUDA的SAR成像算法并行化实现方法。在分析CUDA工作原理及CS算法并行性特征的基础上,详细描述了算法每个步骤的CUDA实现。实验结果表明了该算法的高效性,优化后的CS算法提速比达到了10～20倍。     

基于Bark子波变换的MFCC特征提取

为提高低信噪比环境下语音的鲁棒性,提出一种改进的Mel频率倒谱系数(MFCC)特征提取方法。在传统MFCC特征提取的基础上,引入更适应人耳听觉系统的Bark子波变换,在快速傅里叶变换之前对语音进行预处理,并在MFCC提取方法中代替离散余弦变换;在语音预处理阶段,利用改进的Lanczos窗函数抑制旁瓣以提高语音鲁棒性。实验表明,与传统MFCC方法相比,在噪声环境下,改进方法具有更高的说话人识别率。     

维吾尔语情感语音韵律转换研究

面向维吾尔语情感语音转换,提出一种韵律建模转换方法。该方法结合了维吾尔语韵律特点及语言特点,首次利用离散余弦变换（DCT）分别参数化维吾尔语音节和韵律短语的情感基频。采用高斯混合模型（GMM）训练中性-情感基频联合特征,同时合成中性语速情感语音和情感语速情感语音,主观评测结果显示情感语速更有助于表达情感效果。主客观实验结果显示转换方法可有效进行维吾尔语情感韵律转换,三种情感下,音节和韵律短语的结果均达到75%以上,韵律短语的转换效果要稍优于音节。     

结合EMD和加权Mel倒谱的语音共振峰提取算法

提出了一种利用经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）和加权Mel倒谱（Weighted Mel-Cepstrum coefficients,WMCEP）提取语音信号共振峰的算法。对语音信号进行EMD分解,找出含有共振峰的固有模态函数（Intrinsic Mode Function,IMF）,并将其重构得到一个新的重构语音信号。对重构语音信号进行加权Mel倒谱分析,获得包含频谱主要成分的加权Mel倒谱系数;利用离散余弦平滑算法,从加权Mel倒谱系数获得谱包络,并从谱包络的峰值位置获得候选共振峰;根据共振峰的连续性约束条件和频率范围,从候选共振峰筛选得到共振峰的估计值。实验结果表明,该算法比单独使用WMCEP提取的共振峰误差更小,而且在信噪比小于20 dB时仍然能够准确提取出共振峰。     

基于GPU平台的二维离散余弦算法

本文介绍了GPU并行计算的优越性,并对基于GPU平台的开发框架和编程环境CUDA给予概述;在CUDA环境中开发DCT算法代码,实现了DCT算法代码从CPU平台向GPU平台的移植;并通过对比两个计算平台上DCT算法的计算耗时,分析了GPU计算平台的优越性。