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    重庆时时彩现场直播: 基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法.pdf

    关 键 词:
    基于 二阶锥 规划 目标 方向 语音 检测 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201611202064.5

    申请日:

    2016.12.23

    公开号:

    CN106782618A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 专利申请权的转移IPC(主分类):G10L 25/78登记生效日:20170929变更事项:申请人变更前权利人:上海语知义信息技术有限公司变更后权利人:云知声(上海)智能科技有限公司变更事项:地址变更前权利人:200233 上海市徐汇区钦州北路1198号82幢2层变更后权利人:200233 上海市徐汇区桂箐路65号1幢702室03单元|||实质审查的生效IPC(主分类):G10L 25/78申请日:20161223|||公开
    IPC分类号: G10L25/78(2013.01)I; G10L25/84(2013.01)I; G10L21/0216(2013.01)I; G10L25/21(2013.01)I; G10L25/27(2013.01)I; G10L25/60(2013.01)I 主分类号: G10L25/78
    申请人: 上海语知义信息技术有限公司
    发明人: 曹裕行
    地址: 200233 上海市徐汇区钦州北路1198号82幢2层
    优先权:
    专利代理机构: 上海唯源专利代理有限公司 31229 代理人: 曾耀先
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611202064.5

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.10.24|||2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    专利申请权、专利权的转移|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及一种基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,包括如下步骤:针对目标方向设计最低旁瓣的波束形成,利用二阶锥规划计算所述最低旁瓣的波束形成的权重;构造噪声估计权重;估计目标信号和噪声信号;利用时域一阶递归平滑计算出目标信号和噪声信号的功率;利用目标信号的功率和噪声信号的功率计算出后验信噪比;对所述后验信噪比进行最小值跟踪,以得到所述后验信噪比的最小值;计算频段在281.25Hz至3437.5Hz范围内的后验信噪比之和与后验信噪比的最小值之和的比值;判断比值与设定阈值的大小以确定目标方向语音是否存在。本发明的检测方法具有步骤少,计算量少的优点,且通过频域求和能够避免某些频点不稳定的问题。

    权利要求书

    1.一种基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
    针对目标方向设计最低旁瓣的波束形成,利用二阶锥规划计算所述最低旁瓣的波束形
    成的权重;
    构造噪声估计权重;
    利用麦克风形成的输入信号、所述最低旁瓣的波束形成的权重以及所述噪声估计权重
    计算得出目标信号和噪声信号;
    利用时域一阶递归平滑计算出目标信号和噪声信号的功率;
    利用目标信号的功率和噪声信号的功率计算出后验信噪比;
    对所述后验信噪比进行最小值跟踪,以得到所述后验信噪比的最小值;
    计算频段在281.25Hz至3437.5Hz范围内的后验信噪比之和与后验信噪比的最小值之
    和的比值;
    判断计算得到的比值与设定阈值的大小以确定目标方向语音是否存在。
    2.如权利要求1所述的基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,其特征在于,针对目
    标方向设计最低旁瓣的波束形成,利用二阶锥规划计算所述最低旁瓣的波束形成的权重,
    包括:
    构造自相关矩阵:
    R(i,j)=sin c(2fd/c) (式一)
    式一中,f为频率,c为空气中的声音的传播速度,d为第i个麦克风和第j个麦克风之间
    的距离;
    对式一中的R做Cholesky分解:
    R=VHV (式二)
    利用二阶锥规划求解所述最低旁瓣的波束形成的权重:
    s.t.
    式三中,w为最低旁瓣的波束形成的权重,α(θ)为目标方向的导向矢量,μ0表示范数约束
    值其取值为0.3,μ1表示旁瓣响应约束其取值为0.1,θSL为旁瓣方向,θs为旁瓣方向角度参
    数,H为共轭转置操作。
    3.如权利要求2所述的基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,其特征在于,构造噪
    声估计权重,包括:
    设计约束使得主瓣方向增益为0以求解噪声估计权重:
    <mrow> <msub> <mi>min</mi> <msub> <mi>w</mi> <mi>n</mi> </msub> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>w</mi> <mi>H</mi> </msup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>w</mi> <mi>n</mi> <mi>H</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>V</mi> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <mo>,</mo> </mrow>
    s.t.
    式四中,wn为噪声估计权重,μ表示主瓣响应其取值为0.1,θML是主瓣方向,θ为目标方向
    角度,w为最低旁瓣的波束形成的权重,H为共轭转置操作。
    4.如权利要求3所述的基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,其特征在于,利用时
    域一阶递归平滑计算出目标信号和噪声信号的功率,包括:
    利用计算出的目标信号和噪声信号计算得出目标信号的功率和噪声信号的功率;
    基于目标信号的功率和噪声信号的功率利用时域平滑得到:
    T=wHX
    <mrow> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>w</mi> <mi>n</mi> <mi>H</mi> </msubsup> <mi>X</mi> </mrow>
    PT,K=λPT,K-1+(1-λ)(||T||2)
    PN,K=λPN,K-1+(1-λ)(||N||2) (式五)
    式五中,λ为平滑系数取值0.85,K为帧数,T为目标信号,N为噪声信号,X为麦克风形成
    的输入信号,wn为噪声估计权重,w为最低旁瓣的波束形成的权重,H为共轭转置操作。
    5.如权利要求4所述的基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,其特征在于,通过如
    下公式计算后验信噪比:

    将式五所求得的结果代入式六中即可计算得出后验信噪比。
    6.如权利要求1所述的基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,其特征在于,对所述
    后验信噪比进行最小值跟踪包括:
    利用改进型最小控制递归平均方法跟踪后验信噪比得到后验信噪比的最小值:
    γmin=IMCRA(γ) (式七)
    7.如权利要求1所述的基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,其特征在于,计算频
    段在281.25Hz至3437.5Hz范围内的后验信噪比之和与后验信噪比的最小值之和的比值,包
    括:
    采用16KHz采样频率,512采样长度的快速傅氏变换计算比值:

    式八中,γ为后验信噪比,γmin为后验信噪比的最小值。
    8.如权利要求1所述的基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,其特征在于,若判断
    得出比值大于等于设定阈值,则目标方向语音存在,若判断得出比值小于设定阈值,则目标
    方向语音不存在。
    9.如权利要求8所述的基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,其特征在于,所述设
    定阈值在1.5至2.0之间。

    说明书

    基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法

    技术领域

    本发明涉及目标方向语音检测技术领域,特指一种基于二阶锥规划的目标方向语
    音检测方法。

    背景技术

    目标方向语音检测是一种能够判断出目标方向语音在当前时间是否存在的技术,
    它在人机交互、语音增强、远场语音识别等方面扮演了重要的角色。

    传统的方法常用统计模型的VAD(Voice Activity Detection,语音活动检测器),
    这种方法可以区分出当前时间是否存在语音,但是需要的限制条件是在单个发声源、稳定
    噪声、高信噪比的情况下起效,而且没有办法利用空间信息判断出当前的语音来自哪个方
    向。而且在远场环境中,语音叠加上环境噪声,相干噪声以及混响后,会使得VAD的效果大大
    折扣。近年来研发了启发式的基于信噪比的方法,参见引文(O.Hoshuyama A real time
    robust adaptive microphone and controlled by an SNR estimate,InProc.ICASSP
    1998,pp.3605-3608),该启发式的基于信噪比的方法是用延迟求和的方法估计出目标方向
    语音,用自适应阻塞矩阵的方法估计出噪声,然后用两者的比值估计出信噪比,再利用一个
    估计的阈值来对信噪比做判决。其存在如下的问题:一、很难找到一个鲁棒的阈值来判断当
    前的信噪比应该归类为语音还是噪声;二、对于噪声和目标方向语音的估计不够准确;三、
    当存在不稳定噪声时,虽然估计出低信噪比,但是实际上语音是存在的。即在不稳定噪声情
    况下很容易失效。

    发明内容

    本发明的目的在于克服现有技术的缺陷,提供一种基于二阶锥规划的目标方向语
    音检测方法,解决传统方法中的VAD仅区分当前时间是否存在语音而缺少空间判断,且在远
    场环境中效果较差的问题,还解决启发式的基于信噪比的方法中存在的目标方向估计不准
    确和在不稳定噪声情况下容易失效的问题。

    实现上述目的的技术方案是:

    本发明提供了一种基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,包括如下步骤:

    针对目标方向设计最低旁瓣的波束形成,利用二阶锥规划计算所述最低旁瓣的波
    束形成的权重;

    构造噪声估计权重;

    利用麦克风形成的输入信号、所述最低旁瓣的波束形成的权重以及所述噪声估计
    权重计算得出目标信号和噪声信号;

    利用时域一阶递归平滑计算出目标信号和噪声信号的功率;

    利用目标信号的功率和噪声信号的功率计算出后验信噪比;

    对所述后验信噪比进行最小值跟踪,以得到所述后验信噪比的最小值;

    计算频段在281.25Hz至3437.5Hz范围内的后验信噪比之和与后验信噪比的最小
    值之和的比值;

    判断比值与设定阈值的大小以确定目标方向语音是否存在。

    本发明利用二阶锥规划针对目标方向设计最低旁瓣的波束形成,所获得的最低旁
    瓣的波束形成的权重计算准确,解决了启发式的基于信噪比方法中对于噪声和目标方法语
    音的估计不够准确的问题。本发明的检测方法设计有对后验信噪比的最小值追踪,设计该
    追踪过程使得本发明的检测方法能够适用于不稳定的噪声情况下,解决了现有检测方法中
    在不稳定噪声情况下容易失效的问题。且本发明的检测方法判断的比值为频段内的后验信
    噪比之和与追踪的最小值之和的比值,通过频域求和的方法,能够避免后验信噪比及追踪
    的最小值的单个频点不稳定所带来的影响,进而提高了判断结果的准确率。本发明的目标
    方向语音检测方法利用了空间信息判断语音是否存在,相对于传统的VAD仅考虑当前时间
    语音是否存在,避免了限制条件的影响,且能够适用于远场环境的语音检测。本发明的检测
    方法具有步骤少,计算量少的优点。

    本发明基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法的进一步改进在于,针对目标方
    向设计最低旁瓣的波束形成,利用二阶锥规划计算所述最低旁瓣的波束形成的权重,包括:

    构造自相关矩阵:

    R(i,j)=sinc(2fd/c) (式一)

    式一中,f为频率,c为空气中的声音的传播速度,d为第i个麦克风和第j个麦克风
    之间的距离;

    对式一中的R做Cholesky分解:

    R=VHV (式二)

    利用二阶锥规划求解所述最低旁瓣的波束形成的权重:


    s.t.wHα(θ)=1



    式三中,w为最低旁瓣的波束形成的权重,α(θ)为目标方向的导向矢量,μ0表示范
    数约束值其取值为0.3,μ1表示旁瓣响应约束其取值为0.1,θSL为旁瓣方向,θs为旁瓣方向角
    度参数,H为共轭转置操作。

    本发明基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法的进一步改进在于,构造噪声估
    计权重,包括:

    设计约束使得主瓣方向增益为0以求解噪声估计权重:



    式四中,wn为噪声估计权重,μ表示主瓣响应其取值为0.1,θML是主瓣方向,θ为目标
    方向角度,w为最低旁瓣的波束形成的权重,H为共轭转置操作。

    本发明基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法的进一步改进在于,利用一阶递
    归时域平滑计算出目标信号和噪声信号的功率,包括:

    利用计算出的目标信号和噪声信号计算得出目标信号的功率和噪声信号的功率;

    基于目标信号的功率和噪声信号的功率利用时域平滑得到:

    T=wHX



    式五中,λ为平滑系数取值0.85,K为帧数,T为目标信号,N为噪声信号,X为麦克风
    形成的输入信号,wn为噪声估计权重,w为最低旁瓣的波束形成的权重,H为共轭转置操作。

    本发明基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法的进一步改进在于,通过如下公
    式计算后验信噪比:


    将式五所求得的结果代入式六中即可计算得出后验信噪比。

    本发明基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法的进一步改进在于,对所述后验
    信噪比进行最小值跟踪包括:

    利用改进型最小控制递归平均方法跟踪后验信噪比得到后验信噪比的最小值:

    γmin=IMCRA(γ) (式七)

    本发明基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法的进一步改进在于,计算频段在
    281.25Hz至3437.5Hz范围内的后验信噪比之和与后验信噪比的最小值之和的比值,包括:

    采用16KHz采样频率,512采样长度的快速傅氏变换计算比值:


    式八中,γ为后验信噪比,γmin为后验信噪比的最小值。

    本发明基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法的进一步改进在于,若判断得出
    比值大于等于设定阈值,则目标方向语音存在,若判断得出比值小于设定阈值,则目标方向
    语音不存在。

    本发明基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法的进一步改进在于,所述设定阈
    值在1.5至2.0之间。

    具体实施方式

    下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

    本发明提供了一种基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,检测目标方向是否
    有语音存在。目标方向语音检测可以用于判断目标方向语音的开始结束端点,在LMS
    (Least-mean square,最小均方误差)类的自适应麦克风阵列降噪系统中,也可以用于判断
    何时更新权值。在人机交互时,也可以判断哪些是语音哪些是噪声,从而可以方便去做AGC
    (Automatic Gain Control,自动增益控制)来增强语音的音量。该目标方向语音检测的应
    用范围广,具有较高的实用价值。下面对本发明基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法
    进行说明。

    首先需要说明的是:信噪比(SNR,Signal Noise Ratio),又称讯噪比,是指一个电
    子设备或电子系统中信号与噪声的比例。本发明中所用到的后验信噪比是指带噪语音的能
    量与噪声能量的比值。

    本发明提供了一种基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法,包括如下步骤:

    针对目标方向设计最低旁瓣的波束形成,利用二阶锥规划计算最低旁瓣的波束形
    成的权重;在设计波束形成时,对应目标方向的是主瓣方向,除了主瓣方向以外的均是旁瓣
    方向。针对目标方向设计最低旁瓣的波束形成,利用二阶锥规划计算最低旁瓣的波束形成
    的权重,包括:

    构造自相关矩阵:

    R(i,j)=sinc(2fd/c) (式一)

    式一中,f为频率,c为空气中的声音的传播速度,d为第i个麦克风和第j个麦克风
    之间的距离;

    对式一中的R做Cholesky分解(平方根法分解):

    R=VHV (式二)

    利用二阶锥规划求解最低旁瓣的波束形成的权重:


    s.t.wHα(θ)=1



    式三中,w为最低旁瓣的波束形成的权重,α(θ)为目标方向的导向矢量,μ0表示范
    数约束值其取值为0.3,μ1表示旁瓣响应约束其取值为0.1,θSL为旁瓣方向,θs为旁瓣方向角
    度参数,H为共轭转置操作。根据所求解的最低旁瓣的波束形成的权重形成最低旁瓣的波
    束。使得权重的估计更加准确,进而使得目标语音的估计比较准确,能够适用于不稳定噪声
    情况,确保在不稳定噪声情况下也很稳定,并提高目标方向语音检测判断的准确性。

    构造噪声估计权重,包括:

    设计约束使得主瓣方向增益为0以求解噪声估计权重:


    式四中,wn为噪声估计权重,μ表示主瓣响应其取值为0.1,θML是主瓣方向,w为最低
    旁瓣的波束形成的权重,H为共轭转置操作,θ为目标方向角度。上述构造噪声估计权重的方
    式比较准确,能够适用于不稳定噪声情况,确保在不稳定噪声情况下也很稳定,并提高目标
    方向语音检测判断的准确性。

    利用麦克风形成的输入信号、最低旁瓣的波束形成的权重以及噪声估计权重计算
    得出目标信号和噪声信号;

    利用时域一阶递归平滑计算出目标信号和噪声信号的功率;先估计出目标信号T
    和噪声信号N计算得出目标信号的功率和噪声信号的功率;

    基于目标信号T的功率和噪声信号N的功率利用时域平滑得到:

    T=wHX



    式五中,λ为平滑系数取值0.85,K为帧数,T为目标信号,N为噪声信号,X为麦克风
    形成的输入信号,wn为噪声估计权重,w为最低旁瓣的波束形成的权重,H为共轭转置操作,
    PT,K-1为k-1帧对应的目标信号的功率,PT,K为k帧对应的目标信号的功率,PN,K-1为k-1帧对应
    的噪声信号的功率,PN,K为k帧对应的噪声信号的功率。

    利用目标信号的功率和噪声信号的功率计算出后验信噪比;

    通过如下公式计算后验信噪比:


    将式五所求得的结果代入式六中即可计算得出后验信噪比。

    对后验信噪比进行最小值跟踪,以得到后验信噪比的最小值;

    利用改进型最小控制递归平均方法跟踪后验信噪比得到后验信噪比的最小值:

    γmin=IMCRA(γ) (式七)

    后验信噪比的最小值表示当前频率下语音信号最小而噪声信号最大,也就相当于
    在当前的频率下的噪声信号。该信噪比的最小值跟踪,适用于噪声估计不利环境、非稳定噪
    声、和弱语音成分。利用的改进型最小控制递归平均方法(IMCRA,Improved minima
    controlled recursive averaging)参见引文(Israel Cohen,Noise Spectrum
    Estimation in Adverse Environments:Improved Minima Controlled Recursive
    Averaging,IEEE TRANSCTIONS ON SPEECH AND AUDIO PROCESSING,VOL.11,NO.5,
    SEPTEMBER 2003),该引文中提出了一种改进型最小控制递归平均方法,用于在不利环境中
    的噪声频谱估计,其是用于对噪声信号的估计。而本发明的检测方法利用该改进型最小控
    制递归方法对信噪比进行最小值跟踪。

    计算频段在281.25Hz至3437.5Hz范围内的后验信噪比之和与后验信噪比的最小
    值之和的比值;包括:

    采用16KHz采样频率,512采样长度的快速傅氏变换(FFT,Fast Fourier
    Transformation)计算比值:


    式八中,γ为后验信噪比,γmin为后验信噪比的最小值。本发明所设计的最低旁瓣
    波束形成在该281.25Hz至3437.5Hz频段对目标方向增益明显,故而只需计算该频段的比
    值,利用16KHz采样频率,512采样点的采样长度,将281.25Hz至3437.5Hz频段对应转换为9
    至110采样点,将9至110采样点对应的后验信噪比之和与后验信噪比最小值之和相除得到
    比值,利用加和求比值的方法,能够弥补单个频点存在的不稳定问题,提高检测结果的准
    确。

    判断比值与设定阈值的大小以确定目标方向语音是否存在。若判断得出比值大于
    等于设定阈值,则目标方向语音存在,若判断得出比值小于设定阈值,则目标方向语音不存
    在。该设定阈值在1.5至2.0之间,较佳地,该设定阈值为1.5。即当计算得到的比值大于等于
    1.5时,则判定目标方向语音存储,当计算得到的比值小于1.5时,则判定目标方向语音不存
    在。

    本发明基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法的有益效果为:

    本发明在不稳定噪声的情况下也很稳定,因为目标语音和噪声的估计比较准确,
    同时通过最小值跟踪算法可以跟踪出不稳定噪声情况下的信噪比的最小值,最后通过频域
    求和的方法避免了某些频点不稳定的问题。

    以上结合实施例对本发明进行了详细说明,本领域中普通技术人员可根据上述说
    明对本发明做出种种变化例。因而,实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定,本发明
    将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的?;し段?。

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    本文标题:基于二阶锥规划的目标方向语音检测方法.pdf
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