（计算机软件与理论专业论文）普适计算办公环境下信息表示方法的研究和实现.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t t h e p e o p l e - o r i e n t e d s o c i e t y n e e d s p e o p l e - o r i e n t e d c o m p u t i n g . s o p e r v a s i v e c o m p u t i n g w h i c h e m e r g e d a s t h e t im e s r e q u i re m u s t e n r i c h a n d f a c i l i t a t e p e o p l e s l i f e l a r g e l y . b y e m b e d d i n g t h e e q u i p m e n t o f p e rv a s i v e c o m p u t i n g i n t o t h e e n v i r o n m e n t o f o u r e v e ry d a y l i f e , w e c a n e n j o y t h e s e r v i c e o f c o m p u t i n g e v e ry m o m e n t . f r o m o f o l d , p e o p l e n e v e r s t o p e x p lo r in g t h e e x p r e s s i o n o f in f o r m a t i o n . t h e d e v e l o p m e n t a n d a d v a n c e m e n t o f h u m a n s o c i e t y h a v e b e e n p r o m o t i n g t h e i m p r o v e m e n t o f e x p r e s s i o n o f in f o r m a t i o n c o n s t a n t l y . e s p e c ia l ly a ft e r t h e n a i s s a n c e o f c o m p u t e r i n t h e m e t a p h a s e o f t w e n t i e t h c e n t u ry , t h e r e h a s b e e n r e v o l u t i o n a ry c h a n g e in t h e e x p r e s s i o n o f i n f o r m a t i o n a lo n g w i t h t h e a p p e a r a n c e a n d e s c a l a t i n g o f d a t a b a s e t e c h n o l o g y . f o l l o w in g t h e e x p re s s i o n a n d s t o r a g e i n d a t a b a s e o f a v a r ie t y o f i n f o r m a t i o n o f h u m a n s o c i e t y h a v e b e e n m o re c o m p l i c a t e d a n d d i v e r s i f o r m . h o w t o e x p re s s a l l s o r t s o f m i x e d d y n a m i c a n d s t a t i c i n f o r m a t i o n u n d e r p e rv a s i v e c o m p u t i n g a n d h o w t o s t o re t h e m i n d a t a b a s e , h a v e b e e n t h e p i v o t a n d n o d e s i n th e a r e a s o f p e rv a s i v e c o m p u t i n g s i n c e i t c a m e t o n a i s s a n c e . i n t h i s p a p e r , c o n s i d e r i n g t h e p r o j e c t s c o n d it i o n s f o r t h e m o m e n t , w e p u t f o r w a r d a c o m p l e t e s e t o f s c h e m e f o r w i re l e s s w o r k i n g i n p e r v a s i v e c o m p u t i n g e n v i r o n m e n t . a i m i n g a t t h e d e m a n d o f i m p l e m e n t o f a u d i o - c o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n a n d t h e a c t i o n o f c o m p r e h e n s i o n o f n a t u re l a n g u a g e i n t h e i m p l e m e n t o f a u d i o - c o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n u n d e r t h e o f f i c i a l e n v i r o n m e n t o f p e r v a s i v e c o m p u t i n g , w e p r o b e i n t o s o m e d y n a m i c a n d s t a t i c in f o r m a t i o n w h ic h n e e d s t o b e d i s p o s e u n d e r t h e e n v i r o n m e n t o f p e rv a s i v e c o m p u t i n g a n d a n a l y z e h o w t o o r g a n i z e a n d a s s o c i a t e t h e m e ff e c t i v e l y . i n t h i s p a p e r , c o n s i d e r i n g t h e i n f o r m a t i o n - a c c e s s i n g d e m a n d o f s o m e a p p l i c a t i o n s i n t h i s e n v i r o n m e n t , w e e s t a b l i s h c o r r e s p o n d i n g ta b l e s t o s t o re t h e d y n a m i c a n d s t a t i c i n f o r m a t i o n i n o r a c l e d a t a b a s e u n d e r l i n u x o p e r a t i n g s y s t e m . t h e r e s e a r c h e m p h a s i s o f t h i s p a p e r i s h o w t o m o d e l t h e d y n a m i c a n d s t a t ic i n f o r m a t i o n , m a k e t h e s t r u c t u r e o f i n f o r m a t i o n s t o r a g e m u c h m o re r e a s o n a b l e a n d i m p r o v e t h e e ff i c i e n c y o f s o m e a p p l i c a t i o n s t o v i s i t t h e i n f o r m a t i o n . me a n w h i l e , w e p a y m u c h a tt e n t i o n t o t h e f a c i l i t y o f i n s e rt i n g , d e l e t i n g a n d u p d a t i n g o f d a t a i n d a ta b a s e u n d e r t h e p r e c o n d it i o n o f ab s t r a c t e l i m i n a t i n g a b n o r m i ty o f s t o r a g e a n d d a ta r e d u n d a n c y a s s m a l l a s p o s s i b l e . f o r t h e d y n a m i c in f o r m a t i o n , w e a im a t t h e d e m a n d o f t h e a p p l i c a t i o n s t o a c c e s s it a n d i t s r e a s o n a b l e s t o r a g e i n d a t a b a s e . i n o r d e r t o s t o r e t h e s ta t i c in f o r m a t i o n , t h e m a j o r i ty o f w h i c h i s c h i n e s e l a n g u a g e i n f o r m a t i o n , a i m i n g a t t h e d e m a n d o f w o r d - s p l i tt i n g a p p l i c a t i o n a n d v o i c e - c o m p o s i n g a p p l i c a t i o n , w e c r e a t e in d a ta b a s e a d a t a d i c t i o n a ry , w h i c h a c c o r d s t o t h e d e m a n d o f 3 n f d e s i g n i n g . k e y w o r d s : p e r v a s i v e c o m p u ti n g , d y n a m i c i n f o r m a t i o n , s t a t i c i n f o r m a t i o n , d a ta d i c t i o n a ry 内容目录 图 目 录 图1 . 1物理空间和信息空间的融合_2 图1 .2上下文的种类_5 图 1 3 计划重要组成部分_7 图1 a i n f o r m e d i a 数字图书馆系统视频分析过程_8 图3 . 1动态信息之间的联系3 4 图3 .2单词切分程序访问电子词典完成切词的算法流程图_4 8 图4 . 1 t o a d 操作界面_5 3 内容目录 表 目 录 表3 . 1 用户命 令 表 ( u s e r - c o m m - t a b le ) . 3 6 表3 .2移 动 手持设 备表( u m d t a b l e ) 3 9 表3 3公 有设备 表 ( p u b l i c d e v _ t a b l e ) 4 0 表3 .4私有设 备 表 ( p r iv a t e d e v 加 b l e ) 4 1 表3 5单字表( s i u _ w d t b ) ( wo r d p r o n ) 4 4 表3 . 6词语表( w d es t b ) 4 5 表3 .7辅助数据表(au: t b ) 4 6 表3 .8发音表( v o i ce t b ) 4 6 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内 容: 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学 位论文的印 刷本和电子版， 并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存 论文;学校有权提供目 录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校 有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印 件和电子版; 在 不以 赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术 活动。 学 位 论 “ 作 者 签 “ : 溥 fs lp 01 年、 月 州 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部 5 年 ( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长 1 0年，可少于 1 0 年) 机密 2 0 妹 ( 最长2 0 年 ， 可 少 于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 l a y 叫年 月 日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 问题的提出 1 . 1 . 1普适计算的提出与定义 普适计算( p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) 是已故的前 x e r o x p a r c首席科学家 m a r k w e i s e r 于1 9 9 1 年在 s c i e n t i fi c a m e r i c a 提出的未来计算模式的构想，他 主张计算机的应用应迎合人的习性，强调将计算机融入到人类环境或日常工具 中去，让计算机本身从人们的视线中消失，使人的注意力重新回归到要完成的 任务 上 0 1 。 这 一思 想 从2 0 世纪9 0 年 代后 期开 始得到 广泛关 注和接受， 许多 相关 的研究计划纷纷启动，目前己成为国际上一个蓬勃发展的研究热点。 普适计算目 前尚并未有明确而又权威的中文定义为大家所广泛接受，但普 适计算的最终目 标都是 “ 要建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个 环境与人们逐渐地融合在一起，o 清华大学徐光佑教授等曾经对普适计算这样定义: “ 普适计算是信息空间与 物理空间的融合，在这个融合的空间中人们可以随时随地，透明地获得数字化 的 服务。 ” 2 : “ 随时随地” 指人们可以 在工作， 生活的 现场就可以获得 服务， 而 不需离开这个现场而去端坐在一个专门的计算机面前，即服务像空气一样无所 不在。 “ 透明”指获得这种服务时不需要花费很多注意力，即这种服务的访问方 式是十分自 然的甚至是用户本身注意不到的，即所谓蕴涵式的交互( i m p l ic it i n t e r a c t i o n ) . 普适计 算也 可 称为 无处不 在计算 ( u b i q u it o u s c o m p u t i n g ) ， 它作为一 种新 兴 计 算模式正在迅速崛起。普适计算集移动通信、计算技术、小型计算设备制造技 术、中间件等多种关键技术于一体，通过将普适计算设备嵌入到人们生活的各 种环境中，使得通信服务以及其它基于网络的各种 “ 以人为中心”的计算和信 息 访问 服务 在 任 何时 候、 任 何 地点 都 成 为 可能 3 1 普适计算作为一种计算模式，其深远影响在于改变了 人与计算的关系，对 人们享用计算和信息的方式带来一场新的变革。 当人们沉浸在虚拟游戏空间中 第 1页 第一章 绪论 不能自 拔时，普适计算的倡导者反其道而行之，认为普适计算是虚拟计算的反 面。虚拟计算这种理念致力于把人置于计算机所创造的虚拟世界里，而普适计 算则是使计算机融入人的生活空间，形成一个 “ 无时不在、无处不在而又不可 见”的计算环境。在这样的环境中， 计算不再局限于桌面， 用户可以通过手持 设备、可穿戴设备或其它常规、非常规的计算设备无障碍地享用计算能力和信 息资源。 普适计算当然也包括移动计算，但普适计算更强调环境驱动性。这要 求普适计算对环境信息具有高度的可感知性，人机交互更自 然化，设备和网络 的自 动配置和自 适应能力更强。 1 . 1 . 2普适计算环境下的空间融合及其实现 普适计算环境下存在着两个联系着的空间，分别是物理空间和信息空间。 普适计算的最终目的就是通过一定的方式实现物理空间和信息空间的融合， 而 实 现 方 式 具 体 有 绑 定 和自 发 性的 交 互 两 种 14 1 ， 如图1 . 1 所 示: 普适计算 图 i . 1物理空间和信息空间的融合 绑定是利用信息空间中的对象与物理空间中的物体建立相互的对应，使物 理空间的这个物体成为访问信息空间中 服务的直接入口。有两种途径可以实现 绑定: . 直接在物体上或物体内部嵌入一定的感知、 计算、 通信能力， 使其同时 具有物理空间和信息空间中的用途。 . 每个物体添加可以被计算机自 动识别的标签， 标签可以是基于条码、 红 第 2页 第一章绪论 外和 r f i d的。 绑定的实现主要是基于近些年来硬件技术的突破，并非本论文所探讨的内 容。 自发的交互是指物理空间和信息空间之间无需人的干预的交互，即其中任 一个空间状态的改变可以引起另一个空间的状态的相应改变。从两个相对的方 向看，分为信息空间的状态改变引起物理空间的状态改变和物理空间的状态改 变引起信息空间的状态改变。 信息空间的状态改变可以映射到物理空间中，其中最主要的形式是数字化 信息可以 无缝地叠加在物理空间中 或者物理空间上，例如己 经广泛采用的各种 电器上的显示屏。 信息 空间 也可以自 动地 觉察 物理空间中 状态的改变，从而改变相 应对象的 状态或触发某些事件。这种特性称为觉察上下文的计算，或者称为上下文感知 计算，是普适计算的重要特征。当你抵达一个场所，当你拿起一个公用设备， 当你发出一个音频命令，普适计算的信息空间都能对你的行为甚至表情进 行自动理解并做出相应的反应，这就是所谓的蕴涵式的人机交互。本论文所研 究的重点之一就是普适计算办公环境下的基于上下文感知计算的动态信息的表 示与存储。 3 信息的表示 信息的表示伴随着人类社会的诞生和进化。有人以来，就有信息.在二十 世纪中 期计算机出现之前， 人类社 会的绝大部分的有价值信息都由 文字记 载着。 计算机诞生后，随着数据库技术的发展和逐渐成熟，人类越来越倾向于利用数 据库技术来存储大批量的形形色色的各类信息。 当 今社会正享受着计算机各类技术突飞猛进发展所带来的便利， 信息也早 己 经成为人 们工 作和娱乐的基础， 人们几乎每天都享受着 信息 提供的各种 服务。 而数据库就是信息的集合，用于将所有的信息分门别类的加以存储以实现同类 信息的集合化，便于人们迅速有效的进行访问。如今，如何把人类工作与生活 的各 个领域的具有价值的 信息卓有成效的存储在数据库中，已 成为 各自 领域的 人们所研究的重点和难点。 普适计算环境下物理空间的多样性致使普适环境下的信息表示异常的复 第 3页 第一章 绪论 杂，现阶段暂时还找不到一种合适的表示方法，能够同时表示出普适计算所有 环境中的所有信息。即便将普适计算限定于我们实验室项目 中 所指的办公环境， 仍有数量不菲的庞杂的各种动态信息和静态信息需要表示。将普适计算办公环 境下的这些信息根据该环境下的应用程序访问信息的需求，分成若干种不同的 类别，并按照项目 推荐的关系数据库设计模式，将已 经分类的动态信息和静态 信息组织成o r a c l e数据库中 合适的表结构形式加以 存储，就是本论文最主要的 内容。 第二节 问题的现状 当今科技的发展日新月异。虽然上世纪九十年代初才提出普适计算的概念， x e r o x p a r c也实 现了 普 适计 算的 一 个原型 15 1 ， 但当 时的 硬 件技术 基 础实际 上并 不存在，然而随着十多年来技术的进步，普适计算的许多关键元件已有了商业 产品，例如手持移动设备、可穿戴计算机、无线局域网、传感和控制家用电器 的器件等等。这些技术成熟的普适计算产品已有不少投入到当今社会的生产和 生活中，在很大程度上丰富和便利化了人们的生活。同时， 普适计算也在计算 机技术的各个层次上衍生出相对自 完备的研究领域。 1 .2 . 1普适计算的相关研究领域 普适计算作为新兴的计算模式，通过向用户提供透明的计算服务使其注意 力回归到任务本身。当今社会的计算模式正处在以“ 计算”为主的桌面计算向 “ 以人为本”的普适计算转变的潮流中，这种转变在许多层次上都面临着新的 要求和技术挑战。这些层次主要有: . 硬件或接入层次 . 网络层次 . 系统软件层次 . 中间件层次 . 人机交互层次 在上述的层次上，经过近十年来的研究，己经衍生出以下一些相对自 完备 的研究领域: 第 a页 第一章 绪论 . 智能空间 ( s m a rt s p a c e ) . 可穿戴计算( w e a r a b l e c o m p u t i n g ) . 系统软件( s o ft w a r e i n fr a s tr u c t u r e ) . 觉察上下文计算( c o n t e x t - a w a r e c o m p u t i n g ) . 游牧计算( n o m a d i c c o m p u t i n g ) 1 . 1 .2节中己经提到，本论文的研究重点之一是普适计算办公环境下基于上 下文感知计算的动态信息的表示和存储。所谓的 “ 上下文” ，是指任何可用于表 征实体状态的信息。实体可以是个人、位置、物理空间或信息空间中的对象。 而上下文感知计算是指每当用户需要时，利用上下文向用户提供适合于当时任 务、地点、时间和人物的信息或服务。 上下文的种类如图1 .2 所示， 可以清楚看出， 时间与其它信息相比， 处在一 个相对特殊的位置。这是因为，时间本身是不断变化的一维信息，任何事物都 不能脱离时间单独存在和发展，所以，除时间外的任何上下文信息都要受到时 间的约束，时间本身也是重要的上下文信息。后续的3 . 1 . 1 小节中有对本项目中 的时间信息的深入细致的分析。 用户 社会环境 任务 条件 物理环境 结构 位置 图1 .2上下文的种类 要进行上下文感知计算，必须先感知上下文，感知上下文也就是获取上下 文，当前上下文的获取方式主要有以下几种: . 从各种传感器 . 从已有的信息 . 从用户和任务模块获取 第 5页 第一章 绪论 通过计算设备间的交互 由用户直接设定 : 本论文的上下文感知计算是普适计算办公环境下的整个系统由于要完成用 户发出的音频命令而引起的一系列的用户状态和设备状态的变化。由于实验条 件的限制，项目 暂时设计没有给各类设备安装传感器，因此项目中获取上下文 信息主要是通过上述上下文获取方式的后四种来实现的。 1 .2 .2 普适计算国内外发展现状 国际上的许多著名大学和著名公司都有针对普适计算领域的大型项目，并 取得了显著的研究成果。 其中比 较有代表性的有麻省理工大学( m i t ) 的氧计划 ( o.y g m ) 16 1 ， 佐治 亚 理工 大 学的 智能家政系 统a h r i ( a w a r e h o m e r e s e a r c h i n it ia t i v e ) 171 , c a r n e g ie m e l lo n 大 学的i n f o r m e d i a 数 字 图 书 馆 系 统 u ， 微 软 公 司 的 e a s y l iv in g ( 居 家 和 工 作 的 智 能 空 间 ) 19 1 , i b m的t r a n s c o d in g 服 务 体 系 to . 下 面 结 合信息处理对这些项目 进行简单的介绍。 氧计 划( oxy g e r t) 主 要目 的 是 研发新一代以 人为 本的 人 性化电 脑， 使信息服务 像氧气一样，成为人们生活的必需，天衣无缝地融入到人们的日 常生活中去。 o x y g e n 计划的研究在智慧 空间、 移动计算、 通讯和语音识别 等多方面全面展开， 主要包括如图 1 . 3所示的 三个要素: n 2 1 伽e t w o r k 2 1 ) , e 2 1 ( e m b e d d e d 2 l ) 和 h 2 1 ( h a n d y 2 1 ) 。 通过 这 三 个 要素， o x y g e n 计 划在 计算机系 统 和 用 户之间 建立自 然、紧密和全方位的联系。信息处理在其中起着至关重要的枢纽作用，没有了 信息的表示、 传递和处理， 一切将成为空谈。 但在信息处理方面， o x y g e n 计划 暂时并未提出突破性的变革，仍然基于上下文感知计算。只是因为普适计算环 境下人、资源和服务的分布性和移动性，导致信息处理面对的是一个动态的世 界，因此在涉及e 2 1 和h 2 1 的信息处理方面偏重于实时性和自 适应性，以期使 信息处理能够自 适应各种动态变化。 同时， o x y g e n 也有信息处 理个性化的要求， 以确保用户的隐私、数据的安全，并为用户提供个性化的交互方式。 第 6页 第一章 绪论 序与普适计算无线办公系统中的应用服务器( 内置无线网卡) 进行连接， 同时 将自 身的身份信息( 现在暂指移动手持设备预先分配的rn地址) 发 送到置于应用服务器上的身份认证程序。 3 )应用服务器上的身份认证程序通过查 询置于数据库服务器上的移动手 持设备表 ( u m d ta b le ， 见后文3 .3 .2 小节) ， 进行该移动手持设备的身份 认证.如果通过身份认证，则下载数据库服务器上关于该移动手持设备 的可控设备列表 ( 包括公用设备表和私有设备表，见后文 3 .3 . 3 和3 .3 .4 小节) 信息，通过无线网络将用户可控设备列表传送到用户的移动手持 设备上， 该用户可控设备列表应包括各种可控设备名和对应可控设备现 时开关和运行状态。 4 )用户 通 过 移动手持设备的 液晶 屏查 看 到自 己 有 权限 控制的 各种设 备。 同 时，用户打开安装于移动手持设备上的音频通讯程序，向u m d上的 拾 音器对自 己 有权控制的设备发出 音频命令， 例如: “ 启动我的电 脑” ，“ 现 在启动1 号打印机” ， “ 下午5 点关闭3 号投影仪” ， “ 晚上7 点打开我的 台灯”等等。 5 ) u m d 上的 音 频 捕捉设 备 ( 拾音器) 捕 捉到 用 户的 语音，由 安 装在u m d 上的语音识别程序将用户的语音命令信息转换成为文字描述的命令信 息。 6 ) u m d通 过无线网 络将文字 化的 用 户命 令 信息 传到 应用服务器上的 命 令 备份程序，命令备份程序将自 动递增生成的 用户命令号和用户文字命令 存 储到 数 据库服务器上的 用 户命 令表 ( u s e r c o m m - t a b l e ， 见 后文3 .3 . 1 ) 中的用户命令号字段和用户文字命令字段。 7 )命令备份程序备份完用户文字命令后将用户命令号和用户文字命令传 送到应用服务器上的单词切分程序， 单词切分程序基于对自 然语言的 理解对用户文字命令进行分析，将其切分成数据库服务器中的电子词典 里所存储的单词，并对这些单词进行语义分析后适当组合，做出相应的 标记 ( 时间状语，操作动作，操作对象) ，然后根据标记将这些处理结 果存入数据库服务器中的用户命令表中的同一用户命令号的后续相应 字段。 8 )单词切分程序完成乃 中 所述动作后将用户命令号传送至事件处理程 序， 事件处理程序通过用户命令号读取数据库服务器的用户命令表中的时 第 1 0页 第一章 绪论 (9 j 状语，操作动作和操作对象字段，在时间状语指定的时间根据操作动 作激活动作处理函数。 9 )动作处理函数将操作对象作为自 己 的参数， 并通过操作对象去查询数据 库服务器上的设备信息表，得到操作对象的地址，进行寻址操作，找到 需要处理的设备，并驱动设备实现用户命令所要求的功能。 以上的9个步骤除了第 1 步外，几乎都涉及到信息的产生、传递和处理. 而这些信息的产生、传递和处理正是本论文要探讨的主要内容。尽管这些步骤 中所提到的诸多程序尚未实现，但整个普适计算无线办公系统的框架大致已定， 论文也会在后续的第三章详细探讨这些随己 定的整个框架和流程而确定的各种 动态信息、静态信息及其处理方式。 1 .2 .4 普适计算办公环境中的信息表示和处理 从1 .2 .2 小节对普适计算国外研究项目 的介绍中可以看出，信息表示和处理 对这些项目的重要性是不言而喻的。i n f o n n e d i a数字图书馆系统，i b m 的 t r a n s c o d i n g 服务 体系本身就是专门的 信息处理系统。 i n f o r m e d i a 数字图 书馆系统 注重信息输入的多态性， 而i b m的t r a n s c o d i n g 服务体系注重信息输出的选择性 和多 样性。 对于o x y g e n 计划， a h r i , e a s y l i v i n g 这些项目 ， 信息更是他们的 枢 纽和灵魂。没有了信息的表示、传递和处理，这些项目 就是一个个毫无用处的 空壳.事实上，信息处理是任何项目 都不能回避的一个关键所在，只是由于普 适 计算的 特性， o x y g e n 计划， a r m, e a s y l i v i n g 这些项目 更注重于上下文 感知 计算以 及视频和音频信息的采集、分析、比照和处理。 在1 .2 .3 小节中，我们详述了普适计算无线办公解决方案的整个功能实现流 程.可以看出，在功能实现流程中，几乎每时每刻都伴随着信息的产生、表示、 传递和处理。在输入端，我们采用了语音输入方式，让用户从键盘输入的侄桔 中解放出来，能够更加轻松的享受计算服务所带来的乐趣，这就涉及到音频信 息的采集、转化和存储，语音识别技术是其中的关键:在用户命令信息的传递 过程中，如何筛选有效的用户命令信息，并对有效的用户命令信息进行分析和 理解是其中的关键，在这里，基于自 然语言理解的单词切分程序起着承上启下 的重要作用;在信息存储过程中，如何将单词切分程序的结果和整个功能实现 流程所产生的其它重要信息进行有效的存储，以便于将来的一系列应用程序调 第 1 1页 第一章 绪论 用是其中的关键，在这里，我们要利用现己成熟的数据库技术和自己合理的设 计。 信息处理的成功己否直接关系到整个普适计算无线办公系统的成败.到目 前为止，语音识别市场上已有了较为成熟的技术和产品，我们可以直接购买后 投入使用。基于自 然语言理解的单词切分程序主要由温小艳同学负责开发。本 人则主要负责项目中功能实现流程所需要的和所产生的若干动态和静态信息的 表示和存储。 如果要考虑普适计算办公环境下的方方面面的所有动态和静态信息加起来 所组成的数据量集合，我在前文用 “ 数量不菲”来形容可能有些低估这一数据 量之巨大了。即便仅仅要实现1 .2 . 3 小节中的9 个步骤所描述的功能，也要涉及 到许多瞬间才能确定下来并需要在数据库中加以存储的动态信息。同时为了满 足基于自 然语言理解的单词切分程序的需求，关于普适计算办公环境下的为数 不少的常用汉语言文字的静态信息也需要分析研究后加于存储. 结合1 .2 .3 小节中的功能实现流程， 我们目 前所考虑到的动态信息主要包括 时间、移动手持设备的入网与离网、用户命令信息、各类可控设备的位置、各 类可控设备的开关状态和工作状态。对这些动态信息，我们主要从应用程序访 问的角度加以分析，并构造出合理的表结构加以存储。后续的第三章的第一节 对这些动态信息会有深入细致的研究。 普适计算办公环境下的静态信息从广义上讲也有较大的包涵面，但本论文 所研讨的静态信息仅限于普适计算办公环境下的常用汉语言文字信息，主要对 这些常用的汉语言文字信息进行适度的分析和限制并组织成符合本项目 所推荐 的关系数据库设计模式要求的表结构形式，以最大限度地支持基于自 然语言理 解的单词切分程序的各种需求，同时兼顾一下将来开发语音合成程序的需求。 第三节 本文内容组织 首先，本论文在第一章简述了普适计算的提出和定义，描述了普适计算环 境下物理空间和信息空间的融合及其实现，简单介绍了普适计算的现今相关研 究领域和国内外发展现状，详细描述了在普适计算办公环境下，本项目中的普 适计算无线办公系统所要实现的无线通讯功能，并提炼出了普适计算办公环境 下需要表示和处理的若干动态和静态信息。 第 1 2页 第一章 mi 仑 其次卜 沐 论文在第二章探讨了 信息表示和处 理的一些技术，主要介绍了 现 今音频信息处理、 文字信息处理和中 文电子词典的根关 技术。另 外， 本章还对 关系数据库和关系设计模式，做了略为详细的探讨，在此基础上推荐了适合本 项目的关系设计模式。 然后，本论文在第三章重点研究了普适计算办公环境下的若干动态信息和 静态信息。对于动态信息，主要探讨如何将这些动态信息结合相关程序访问的 需要，组织成合适的表结构形式，在 o r a c l e 数据库中加以存储。对于中文电子 词典这样的静态信息，则主要探讨如何在数据库中建立符合推荐关系设计模式 要求的表结构以存储办公环境下的汉语言文字信息，最大限度的满足基于自 然 语言 理解的单词切分的要求. 在后，本论文在第四章简单介绍了在普适计算办公环境下运行的主要应用 程序，探讨了不适合存储在 o r a c l e数据库中的数据和这些数据的处理方式，并 对已 经实现的程序给出了详尽的代码。 最后，第五章对本论文做了一个总结，同时展望了项目的前景。 第 1 3页 第二章 信息表示和处理技术 第二章 信息表示和处理技术 信息处理技术是信息处理的方式、方法和手段。信息处理技术可按所处理 信息对象的不同分为文字处理技术、表格处理技术、图形、图像处理技术、声 音处理技术、电子词典技术等等11 4 1 本项目 中的信息处理技术暂时包括声音处理技术、文字处理技术和电 子词 典技术。具体来讲，声音处理技术主要涉及到语音识别，音频信息的存储和语 音合成。文字处理技术主要涉及的是中文信息处理技术中的汉语自 动分词。电 子词典技术则主要指将普适计算办公环境下的常用汉语言文字组织成利于单词 切分程序和语音合成程序等访问的词典形式。项目 中所有这些信息处理技术处 理信息的过程都是与存储信息的数据库紧密相联的。 第一节 音频信息处理 音频信息的处理主要涉及到语音识别，音频信息的存储和语音合成。下面 分小节对相关技术进行介绍。 2 . 1 . 1语音识别技术 语音识别技术就是让机器通过识别和理解过程把语音信号转变为相应的文 本或者命令的技术。与机器进行语音交流，让机器明白 你说什么，这是人们长 期以来的梦想。近十年来技术的发展使这个梦想正成为现实。如今，已 有许多 相对完善的语音识别产品投入到社会生活和生产中。 目 前主流的语音识别技术是基于统计模式识别的基本理论。一个完整的语 音识别系统可大致分为三部分: . 语音特征提取: 其目的是从语音波形中提取出随时间变化的语音特征序 列。 . 声学模型与模式匹配 ( 识别算法) :声学模型通常将获取的语音特征通 过学习算法产生。 在识别时将输入的语音特征同声学模型 ( 模式) 进行 匹配与比较，得到最佳的识别结果。 第 1 5页 第二章 信息表示和处理技术 . 语言模型与语言处理: 语言模型包括由识别语音命令构成的语法网络或 由统计方法构成的语言模型， 语言处理可以 进行语法、 语义分析。 对小 词表语音识别系统，往往不需要语言处理部分。 本项目 并不另起炉灶开发新的语音识别技术，而准备直接购买市场上的中 文语音识别技术集成到系统中。故在此不再对语音识别技术多加叙述。 2 . 1 .2 音频信息的存储 音频信息的存储主要是指中文电子词典中语音的存储。在数据库中，我们 专设语音表来存储语音。需要说明的是语音表中存储的是语音的全拼和该语音 的m p 3 和w a v 文件存取 路 径， 并 没 有 直接存 储发音的m p 3 和w a v 文件 本身。 后 文的3 .4 .2 小节中有对语音表的详尽解释。 2 . 1 . 3语音合成技术 语音合成技术与语音识别技术是实现人机语音通信，建立一个有听和讲能 力的口语系统所必需的两项关键技术。使电脑具有类似于人一样的说话和听懂 人说话的能力，是9 0 年代信息产业的重要竞争市场。 和语言识别相比，语言合 成的技术相对说来要成熟一些，是该领域中近期最有希望产生突破并形成产业 化的一项技术。 当前， 语音合成的研究己 经进入文字一语音转换 ( tts ) 阶段， 其功能模块 可分 为 文 本 分 析、 韵 律 建 模 和 语 音 合 成 三 大模 块 1 5 。 其中 ， 语 音 合成 是tts 系 统中最基本、最重要的模块。 概括起来说，语音合成的主要功能是:根据韵律 建模的结果，从原始语音库中取出 相应的语音基元， 利用特定的语音合成技术 对语音基元进行韵律特性的调整和修改，最终合成出符合要求的语音。 语音合成技术经历了一个逐步发展的过程，从参数合成到拼接合成，再到 两者的逐步结合， 其不断发展的动力是人们认知水平和需求的 提高。目 前，常 用的语音合成技术主要有: 共振峰合成、 l p c合成、 p s o l a拼接合成l m a声 道模型技术。它们各有优缺点，人们在应用过程中往往将多种技术有机地结合 在一起， 或将一种技术的优点应用到另一种技术上， 以克服另一种技术的不 足。 本项目中曾有同学进行过语音合成的初步探讨，但只限于将两段或者多段 m p 3 或w a v 文件无损的 合为一 段，尚不能达到项目 中 的需求。 更智能化的语音 第 1 6页 第二章 信息表示和处理技术 合成程序有赖于将来的开发。 第二节 文字信息处理 这里的文字信息处理主要是指中文信息处理。中文信息处理是指用计算机 对中文的音、形、义等信息进行处理和加工。中文信息处理是自 然语言信息处 理的一个分支，是一门与计算机科学、语言学、数学、 信息学、声学等多种学 科相关联的综合性学科。 2 .2 . 1中文信息处理技术 中文信息处理分为汉字信息处理与汉语信息处理两部分，具体内容包括对 字、词、句、篇章的输入、存储、传输、输出、识别、转换、压缩、检索、分 析、理解和生成等方面的处理技术。经过二十多年的发展，如此之多的研究内 容衍生出了许许多多的研究领域，大体上分为以下几类: . 基础研究:汉字字频统计、词频统计、汉语自 动分词、 句法属性研究、 汉字编码字符集、通用汉字样本库、汉字属性字典、语料库等 . 输入技术:中 文输入法、中文手写输入、中文语音输入、文字识别等 . 输出 技术:汉字字模技术 ( 字型库) 、 汉字激光照排、汉语语音合成等 . 存储技术:汉字库标准等 . 转换技术:繁简转换等 . 信息处理:中文情报检索、中文文本校对、机器翻译、自 然语言理解、 中文人机界面等 本项目 中涉及的中文信息处理技术主要是自 然语言理解、 汉语自 动分词、 中文电子词典.对这些技术的研究都是围绕着温小艳同学开发单词切分程序的 需求展开的。 2 .2 .2 单词切分程序 单词切分程序在用户命令信息的传递中起着承上启下的关键作用。没有了 基于自 然语言理解的单词切分程序的存在，系统根本无法理解用户发出的命令 的具体含义。它通过对用户命令的分析，结合电子词典中的已存字词，切分出 第 1 7页 第二章 信息表示和处理技术 符合最接近用户本来用意的单词，并对这些单词适当组合后做出相应的标记， 然后将结果存入数据库中供后续程序调用.后续的3 .4 . 1 小节有对单词切分程序 的进一步描述。 第三节 中文电子词典 中文电子词典的研究是中文信息处理中基础性的工作，它在中文文本自 动 分词、文本检索、文本校对、语音输出、语音识别、机器翻译及汉语的机器理 解等诸多领域都有重要的应用价值。 2 .3 . 1中文电子词典的数据组织方式 国内自8 0 年代中 后期开始进行中文电子词典的研制，现有的中文电子词典 的数据组织方式主要有以 下三种: 1 )直接用纯文本方式组织电子词典的词条数据 2 )采用b + 树 ( 或其变种)作为电子词典的索引数据结构 3 )利用现成的关系数据库技术组织电子词典的数据 采用纯文本方式构建电子词典一般只限于电子词典的词汇量不是很大的情 况，由 于数据没有经过 有效组织，内 部查找时的计算复杂度为o ( n ) ( n为词表 中的词条数) ，这在词汇量少的时候还可以 忍受， 在词汇量繁多时这种访问效率 是无法满足和词典相关的 一系列程序的访问的;采用b + 树 ( 或其变种)作为电 子词典的索引数据结构，主要是由 于在早期计算机主存容量不足和操作系统存 贮管理方式存在缺陷的情况下， 采用这种结构可以有效地降低v 0次数， 提高词 表的访问性能， 但随着硬件技术的不断提高， 主