Στην παρούσα διπλωματική αναπτύχθηκε μια μέθοδος ψηφιακής επεξεργασίας σημάτων για ακουστικά σήματα συμβατή με πραγματικού χρόνου επεξεργασία. Αρχικά έγινε περίληψη των λειτουργιών των επεξεργαστών ειδικού σκοπου. Έγινε μελέτη της ανάλυσης στο πεδίο της συχνότητας καθώς και της συνάρτησης συνεκτικότητας. Για τους σκοπούς της διπλωματικής υλοποιήθηκε αλγόριθμος αφαίρεσης θορύβου από σήματα ομιλίας που αξιοποιεί την συνάρτηση συνεκτικότητας και χρησιμοποιεί είσοδο από δύο μικρόφωνα. Ο αλγόριθμος αυτός υλοποιήθηκε και δοκιμάστικε σε μη-πραγματικό χρόνο σε μαθηματικό λογισμικό , καθώς και σε πραγματικό χρόνο σε επεξεργαστή ειδικού σκοπού. / In this thesis, a method of digital signal processing for acoustic signals was developed, compatible with real-time processing. At first, a review of the operations that special purpose digital signal processors feature. We also studied the frequency domain analysis and the coherence function in depth. For the purposes of this thesis an algorithm of noise reduction from speech signals was implemented, that exploits the coherence function and takes two microphone signals as inputs. The algorithm was implemented offline in a mathematical software, as well as real time in a special purpose digital signal processor.

Ο ήχος είναι ένα αρκετά παλιό πεδίο έρευνας, όμως μέχρι και σήμερα πολλές πτυχές του παραμένουν ανεξερεύνητες. Έτσι ακόμη και στις μέρες μας, παραμένει ελκυστική ερευνητική περιοχή για αρκετούς επιστήμονες. Ορισμένα από τα σύγχρονα επιστημονικά πεδία της ακουστικής είναι: η ακουστική χώρων, η ψυχοακουστική, η μουσική ακουστική, η ανάλυση φωνής, η ηλετρoακουστική, η ψηφιακή επεξεργασία ακουστικού σήματος, η υποβρύχια ακουστική, η ακουστική οικολογία, η περιβαλλοντική ακουστική, η αρχιτεκτονική ακουστική και άλλα. Κύριο αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η μελέτη των συντονιστών Helmholtz. Για τον σκοπό της μελέτης αυτής υλοποιήθηκαν εξομοιώσεις σε περιβάλλον πεπερασμένων στοιχείων, μελετήθηκε η συμβολή των συντονιστών στην ακουστική των αρχαίων θεάτρων και υλοποιήθηκαν μοντέλα με τη βοήθεια ψηφιακών φίλτρων. Οι διαφορετικές προσεγγίσεις στη μελέτη των συντονιστών έχουν μεγάλο ενδιαφέρον, αφενός για την περαιτέρω γνώση των αρχών λειτουργίας τους, αφετέρου, για τη δημιουργία νέων υπολογιστικών εργαλείων, που χωρίς να απαιτούν μεγάλη υπολογιστική ισχύ προβλέπουν με σχετική ακρίβεια την συμπεριφορά τους στο ακουστικό πεδίο. / Sound is considered to be an old research field, but till now many of its aspects remain unexplored. Thus, it is found to be an attractive research area by several scientists. Some of the modern scientific fields of acoustics are: room acoustics, psychoacoustics, musical acoustics, speech analysis, electroacoustics, digital audio signal processing, underwater acoustics, acoustic ecology, environmental acoustics, architectural acoustics and other. The main object of this thesis is the study of Helmholtz resonators. In this study simulations in finite element environment were carried out and it was studied the contribution of the coordinators of the acoustics of ancient theaters as well as the implementation of complex models by using digital filters. The different approaches to the study of the resonators are of great interest both for further knowledge of the principles of their acoustic behavior and for creating new computational tools that they do not require large computational power to predict with fairly accuracy their behavior in the acoustic field.

Αντικείμενο της παρούσης διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη και μοντελοποίηση των φαινομένων επιτονισμού της Ελληνικής γλώσσας με εφαρμογές στην σύνθεση ομιλίας. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής αναπτύχθηκαν πόροι ομιλίας και εργαλεία για την επεξεργασία και μελέτη προσωδιακών παραγόντων οι οποίοι επηρεάζουν την πληροφορία που μεταφέρεται μέσω του προφορικού λόγου. Για την διαχείρηση και επεξεργασία των παραπάνω πόρων υλοποιήθηκε πλατφόρμα μετατροπής κειμένου σε ομιλία βασισμένη στην συνένωση δομικών μονάδων ομιλίας. Για την μελέτη και την δημιουργία των μοντέλων μηχανικής μάθησης χρησιμοποιήθηκε η γλωσσολογική αναπαράσταση GRToBI των φαινομένων επιτονισμού. / In this thesis we cope with the task of studying and modeling prosodic phenomena encountered in Greek language with applications to the task of speech synthesis from tex. Thus, spoken corpora with various levels of morphosyntactical and linguistic representation as well as tools for their processing, we constructed. For the task of coding the emerged prosodic phenomena of our recorded utterences we have utilized the GRToBI annotation of speech.

Ο ύπνος αποτελεί ένα από τα πιο μυστήρια φαινόμενα της ανθρώπινης ζωής. Η επεξεργασία και ανάλυση του εγκεφαλογραφήματος με τη χρήση υπολογιστικών μεθόδων και αλγορίθμων μπορεί να δώσει μεγάλη ώθηση στην διερεύνηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Στην παρούσα εργασία υλοποιήθηκε ένα γραφικό εργαλείο για την ανίχνευση ρυθμών και κυμάτων που εμφανίζονται στο εγκεφαλογράφημα ύπνου. Το εργαλείο συνδέεται με το πρόγραμμα καταγραφής Neuroscan του εργαστηρίου Νευροφυσιολογίας της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Το περιβάλλον περιλαμβάνει αλγορίθμους για την αυτόματη ανάλυση του σήματος και την ανίχνευση επιλεγμένων κυμάτων και ρυθμών. Σκοπός του εργαλείου είναι η αποστολή ακουστικού ερεθισμού στην περίπτωση ανίχνευσης του επιλεγμένου κύματος ή ρυθμού. Το εργαλείο περιλαμβάνει γραφικό περιβάλλον για την εύκολη χρήση και παραμετροποίηση των διαθέσιμων επιλογών. Το πρόγραμμα αναπτύχθηκε εξ ολοκλήρου πρωτότυπα με γνώμονα την ταχύτητα ανίχνευσης και επεξεργασίας του ΗΕΓ. Τελικός στόχος του προγράμματος είναι η χρήση του σε πειράματα διερεύνησης της απαντητικότητας του εγκεφάλου σε ερεθισμούς που συμβαίνουν σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές μετά από την στιγμή ανίχνευσης επιλεγμένου κύματος ή ρυθμού. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να εξερευνηθεί ο ρόλος διαφόρων καταστάσεων του εγκεφάλου (π.χ. αφυπνιστικός ή υπναγωγικός κατά τον ύπνο) χαρακτηριζόμενων από τα επιλεγόμενα ΗΕΓ κύματα και ρυθμούς. / One of the greatest human mysteries is the phenomenon of sleep. The use of computing methods and algorithms in the analysis and processing of electroencephalogram can boost the research of brain activity. The present work presents the graphical program that was developed and used at the Neurophysiology Unit of the University of Patras’ Medical School for the support of EEG studies. The program detects specific rythms and waves during the sleep EEG (online). The tool connects with the Neuroscan Systems that the lab uses for the sleep experiments. The program supports several algorithms for the automatic signal analysis and the specific rythms’ and waves’ detection. The target of the tool is to send sound stimulus in the case of rhythm or wave detection. The user-friendly graphical interface of the tool includes all the parameters for the experiments. The program was developed originally from scratch, aiming to make signal processing as fast as possible. The final goal of the program is to explore the nature of specific brain states i.e. in sleep, by probing brain reactivity at precise times after EEG signs characterizing this brain state.

Υλοποίηση ενός επεξεργαστή διακριτών ηχητικών σημάτων, με χρήση μεθόδων STFT. Ο επεξεργαστής έχει την ικανότητα να διαχωρίζει τα μεταβατικά φαινόμενα και εφαρμόζει διαφορετικού τύπου επεξεργασία σε αυτά, από ότι στον υπόλοιπο όγκο του σήματος εισόδου. / Implementation of a processor of discrete audio signals, using STFT (overlap-add) methods. This processor can successfully detect transients in the input signal and apply a separate filter to them.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται μελέτη της ανάλυσης και σύνθεσης ήχου με τη βοήθεια ημιτονοειδών. Ειδικότερα, εξετάζονται οι παράμετροι της ανάλυσης και σύνθεσης και πως αυτες επηρεάζουν την τελική ανακατασκευή του σήματος. Στη συνέχεια γίνεται διερεύνηση της ανάλυσης και σύνθεσης μόνο στις χαμηλές συχνότητες. Με βάση ένα περιορισμένο εύρος ζώνης, γίνεται ανίχνευση των τονικών υψών. Αναπτύσσονται τρεις μέθοδοι κατηγοριοποίησης τους και στη συνέχεια γίνεται μία αξιολόγηση των μεθόδων αυτών μέσω των μέτρων NMR και PEAQ. / In this degree thesis sound analysis and synthesis using sinusoidals is studied. More specifically, parameters of analysis and synthesis are examined and how they affect the final reconstruction of a signal. Further research is conducted for analysis and synthesis at low sound frequencies. Based on a limited bandwidth, pitch detection is taking place on the input signal. Three methods of categorizing frequencies are developed and they are evaluated using the metrics of NMR (Noise to Mask Ratio) and PEAQ (Perceptual Evaluation of Audio Quality).

Αντικείμενο της παρούσας Ειδικής Επιστημονικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη φίλτρων στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας με τη μέθοδο του γραμμικού μετασχηματισμού (Linear Transformation). Ως παράδειγμα, δίνεται η σχεδίαση, η εξομοίωση και τέλος η φυσική σχεδίαση ενός ελλειπτικού βαθυπερατού φίλτρου 3ης τάξης στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας (Square-Root Domain). Για λόγους σύγκρισης, η σχεδίαση του φίλτρου γίνεται με τέσσερις διαφορετικές μεθόδους εξομοίωσης παθητικών φίλτρων (Leapfrog, Topologic, Wave και Linear Trasformation method) και η ανάλυση κάθε μεθόδου παρουσιάζεται σε αντίστοιχο κεφάλαιο. / The subject of this master thesis is the design of analog filters in square root domain utilizing the method of Linear Transformation. As a design example a third order elliptic lowpass filter transfer function will be realized. For comparison results we are using four different design methods (Leapfrog, Topologic, Wave and Linear Trasformation)in order to realize such filter. Each synthesis method is demonstrated in different chapter.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία συστήματος που θα διευρύνει τις δυνατότητες των εξ’ αποστάσεως εργαστηρίων προσανατολισμένα σε θέματα ψηφιακής επεξεργασίας σήματος και εικόνας. Η υλοποίηση πραγματοποιήθηκε με το LabVIEW v 8.6 και ονομάστηκε R-DSP Server. Αξιοποιώντας τις δυνατότητες που προσφέρει ο R-DSP Server οι χρήστες μπορούν να αναπτύξουν τα δικά τους γραφικά περιβάλλοντα (Graphical User Interfaces -GUIs) τα οποία ονομάζονται προσαρμοζόμενα γραφικά περιβάλλοντα (Customized GUIs,) για τον απομακρυσμένο έλεγχο DSP εφαρμογών. Για την εύκολη και γρήγορη ανάπτυξη τέτοιων γραφικών εφαρμογών στο περιβάλλων του LabVIEW, αναπτύχθηκε μια σειρά εργαλείων που ονομάστηκε R-DSP LabVIEW Toolkit. Η εργασία ολοκληρώνεται με την παρουσίαση της λειτουργιάς του R-DSP Server αλλά και της χρήσης του R-DSP Toolkit. / The purpose of this work is to present an approach which could expand the features of Remote Laboratories focused on embedded Digital Signal Processing (DSP) systems. The proposed approach is based on a system which is designed and developed with LabVIEW and is called R-DSP Server. Exploiting this system, users are able to develop their own Graphical User Interfaces (GUIs), named Customized GUIs, for the remote control and validation of real-time DSP applications. These GUIs are tailored to the needs of each DSP application and can be implemented in any programming language. The rapid design of Customized GUIs using LabVIEW for the communication with the R-DSP Server is achieved using an implemented set of functions, called R-DSP LabVIEW Toolkit.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός καινοτόμου μετατροπέα σήματος (D/A converter ή DAC) με τη δυνατότητα εξωτερικής ρύθμισης (offline calibration) για μετατροπή υψηλής ακρίβειας, η οποία εξασφαλίζει υψηλή γραμμικότητα ανεξαρτήτως της ανοχής των στοιχείων που τον απαρτίζουν. Μόλις ο μετατροπέας ρυθμιστεί κατάλληλα, λειτουργεί αντίστοιχα με ένα DAC, όπου όλα τα στοιχεία του έχουν υποστεί επεξεργασία με λέιζερ (laser trimmed DAC), αλλά χωρίς το υψηλό κόστος κατασκευής που συνεπάγεται η παραπάνω διαδικασία, με αποτέλεσμα να αποτελεί μία ιδανική οικονομική λύση για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ακρίβεια μετατροπής. / This diploma thesis presents the design and implementation of an innovative Digital to Analog Converter (DAC) with the capability of offline external calibration for accurate measurements, which guarantees high linearity regardless of the mismatch of its components. Once the converter has been configured, it can attain the same linearity performance as a laser trimmed DAC, but without the high manufacturing costs involved in the laser etching process, making it an ideal low-cost solution for high accuracy applications.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αφορά στην ανάπτυξη μιας ευέλικτης και επεκτάσιμης αρχιτεκτονικής που θα αξιοποιηθεί στον σχεδιασμό συστημάτων για την διεξαγωγή πειραμάτων από απόσταση. Τα συστήματα αυτά αναφέρονται ως RLs (Remote Laboratories) και επιτρέπουν στους χρήστες να χειρίζονται απομακρυσμένα τον διαθέσιμο εργαστηριακό εξοπλισμό με σκοπό την διεξαγωγή πειραμάτων. Στην διεθνή βιβλιογραφία έχουν καταγραφεί σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες που σχετίζονται με την ανάπτυξη RLs σε διάφορα γνωστικά αντικείμενα. Όμως ακόμη και σήμερα δεν έχει υιοθετηθεί από την επιστημονική κοινότητα κάποια κοινά αποδεκτή αρχιτεκτονική για την ανάπτυξη RLs. Αρχικά προτείνεται μια αρχιτεκτονική για την ανάπτυξη RLs η οποία ονομάζεται ARIAL (Architecture of Internet Accessible Laboratories) η οποία είναι ανεξάρτητη από το γνωστικό αντικείμενο των υποστηριζόμενων από απόσταση πειραμάτων. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική είναι επίσης ανεξάρτητη τόσο από το υλικό (hardware) όσο και από το λογισμικό (software) που θα αξιοποιηθεί για την ανάπτυξη ενός RL. Η ARIAL αποτελείται από δύο δομικά στοιχεία, τον MWS (Main Web Server) και το WS (WorkStation). Ο MWS αναλαμβάνει κυρίως την διαχείριση των χρηστών και των διαθέσιμων WSs. Ενώ τα WSs που συνήθως βρίσκονται σε πολλαπλότητα, αναλαμβάνουν αποκλειστικά την διεξαγωγή των υποστηριζόμενων από απόσταση πειραμάτων. Η επικοινωνία μεταξύ του MWS και των WSs επιτυγχάνεται μέσω μιας βάσης δεδομένων που επιτρέπει την πρόσβαση μέσω διαδικτύου. Επομένως, τα WSs μπορούν να εγκατασταθούν σε οποιαδήποτε γεωγραφική τοποθεσία επιτρέποντας την ανάπτυξη ομοσπονδιακών RLs. Όμως το σημαντικότερο χαρακτηριστικό της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής το οποίο συμβάλει αποφασιστικά στην βιωσιμότητα ενός RL, είναι η υποστήριξη από απόσταση πειραμάτων που έχουν σχεδιαστεί και υλοποιηθεί από τους χρήστες. Με στόχο την επιβεβαίωση της ARIAL προτείνεται ένα RL στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος με DSPs που ονομάζεται R-DSP Lab (Remote Digital Signal Processors Laboratory). Το R-DSP Lab παρέχει στους χρήστες την δυνατότητα είτε να διεξάγουν ένα από τα προκαθορισμένα από απόσταση πειράματα είτε να επιβεβαιώσουν την ορθή λειτουργία μιας DSP εφαρμογής που ανέπτυξαν οι ίδιοι. Το συγκεκριμένο RL επιτρέπει επίσης την ανάπτυξη από απόσταση πειραμάτων από τους χρήστες. Στην περίπτωση αυτή οι χρήστες εκτός από την DSP εφαρμογή που επιθυμούν, θα πρέπει να υλοποιήσουν και το GUI (Graphical User Interface) που αναλαμβάνει τον απομακρυσμένο έλεγχο της παραπάνω DSP εφαρμογής. Κατά την διεξαγωγή οποιουδήποτε από τα παραπάνω απόσταση πειράματα οι χρήστες μέσω μιας κατάλληλα σχεδιασμένης ιστοσελίδας έχουν την δυνατότητα να ελέγχουν απομακρυσμένα τα διαθέσιμα εργαστηριακά όργανα. Στην συνέχεια προτείνεται ένα RL στην ψηφιακή επεξεργασία εικόνας με DSPs που ονομάζεται R-DImPr Lab (Remote Digital Image Processing Laboratory). Το συγκεκριμένο RL επιτρέπει την επιβεβαίωση μιας DSP εφαρμογής που αναπτύχθηκε από τον χρήστη αξιοποιώντας το API (Application Program Interface) του R-DImPr Lab. Η DSP εφαρμογή αναλαμβάνει την ψηφιακή επεξεργασία εικόνων που λαμβάνονται από τον διαθέσιμο αισθητήρα εικόνας. Κατά την διεξαγωγή του από απόσταση πειράματος ο χρήστης μέσω της ιστοσελίδας του RL αφού επιλέξει τις ρυθμίσεις του αισθητήρα εικόνας, έχει την δυνατότητα να παρατηρήσει τόσο στην αρχική όσο και στην επεξεργασμένη εικόνα. Με σκοπό την διεύρυνση των δυνατοτήτων του R-DimPr Lab σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένα σύστημα επεξεργασίας εικόνας με DSPs το οποίο παρέχει στους χρήστες την δυνατότητα να διεξάγουν από απόσταση πειράματα ελέγχοντας απομακρυσμένα, τόσο την λειτουργία της αντίστοιχης DSP εφαρμογής όσο και την θέση του αισθητήρα εικόνας. Ο έλεγχος της θέσης του αισθητήρα εικόνας επιτυγχάνεται μέσω ενός μηχανισμού κίνησης που βασίζεται σε δύο βηματικούς κινητήρες και επιτρέπει την περιστροφή του αισθητήρα εικόνας σε δύο άξονες. Επιπρόσθετα, διερευνείται η δυνατότητα ανάπτυξης από απόσταση πειραμάτων στην ψηφιακή επεξεργασία εικόνας με DSPs από τους χρήστες αξιοποιώντας το R-DSP Lab. Τέλος, προτείνεται ένα RL στην αρχιτεκτονική των υπολογιστών που επιτρέπει στους χρήστες να προγραμματίσουν σε assembly μια από τις δύο διαθέσιμες CPUs (Central Processing Units). Κατά την διαδικασία επιβεβαίωσης, αρχικά φορτώνεται στο FPGA (Field Programmable Gate Array) της διαθέσιμης αναπτυξιακής πλατφόρμας η υλοποίηση του συστήματος που βασίζεται στην επιλεγμένη CPU. Στην συνέχεια μέσω του GUI της ιστοσελίδας του προτεινόμενου RL, οι χρήστες έχουν την δυνατότητα να παρατηρήσουν βήμα προς βήμα τις μικρο-λειτουργίες που λαμβάνουν χώρα στην επιλεγμένη CPU κατά την εκτέλεση του προγράμματος. / The subject of this Ph.D. dissertation deals with the development of a flexible and expandable architecture which will be exploited in the design of systems for the conduction of remote experiments. These systems are referred as RLs (Remote Laboratories) and allow the users to handle remotely the available laboratory equipment in order to perform remote experiments. Significant scientific efforts which deal with the development of RLs in several cognitive fields, have been documented in the international literature. However, even today a commonly accepted architecture for the development of RLs has not been adopted by the scientific community. At the beginning, an architecture for the development of RLs which is called ARIAL (ARchitecture of Internet Accessible Laboratories) and is independent of the cognitive field of the supported remote experiments, is proposed. This architecture is also independent of both the hardware and the software which will be utilized for the development of the corresponding RL. The ARIAL consists of two structural elements, the MWS (Main Web Server) and the WS (WorkStation). The MWS undertakes the management of the users and the available WSs. Each one of the multiple WSs is exclusively responsible for the conduction of the supported remote experiments. The communication between the MWS and the WSs is achieved through an internet accessible database. Therefore, the WSs can be installed in any geographic location allowing the development of federal RLs. However, the most important feature of the proposed architecture which contributes decisively to the sustainability of a RL, is the support of remote experiments designed and implemented by the users. In order to confirm the ARIAL, this Ph.D. dissertation also proposes a RL in digital signal processing with DSPs which is called R-DSP Lab (Remote Digital Signal Processors Laboratory). The R-DSP Lab provides the users with the ability either to perform one of the predefined remote experiments or to confirm the operation of a DSP application which is developed by them. In addition, the proposed RL allows the development of remote experiments by the users. In this case, the users implement offline both the desired DSP application and the GUI (Graphical User Interface) which undertakes the remote control of the above DSP application. During the conduction of the above remote experiments, the users are able to remote control the available laboratory instruments through a carefully designed web page. Subsequently, a RL in digital image processing with DSPs which is called R-DImPr Lab (Remote Digital Image Processing Laboratory), is also proposed. This RL allows the verification of a DSP application developed by the user utilizing the API (Application Program Interface) of R-DImPr Lab. The DSP application undertakes the digital process of images which are captured by the available image sensor. During the conduction of the remote experiment, the user through the web page of the proposed RL, selects the parameters of the image sensor and observes both the original and the processed image. In order to expand the features of the R-DImPr Lab, a digital image processing system based on DSPs was designed and developed. This system allows the users to perform remote experiments by controlling remotely both the DSP application and the position of the image sensor. The control of the image sensor’s position is achieved through a motion actuator which is based on two stepper motors and allows the rotation of the image sensor in two axes. In addition, this Ph.D. dissertation explores the possibility of the development of remote experiments in digital image processing with DSPs by the users utilizing the features of the R-DSP Lab. Finally, a RL in computer architecture which allows the users to program in assembly language one of the two available CPUs (Central Processing Units), is proposed. During the verification process, the implementation of the system which is based on the selected CPU, is loaded into the FPGA (Field Programmable Gate Array) of the available development platform. The users through the GUI of the proposed RL’s web page, are able to observe the micro-operations which take place in the selected CPU during the step by step program execution.