信息科學(xué)與技術(shù)導(dǎo)論是信息處理第四講

1、第四講,信息處理,作業(yè),舉例說明信號與信息的概念與區(qū)別信息處理與信號處理的概念及二者的聯(lián)系與區(qū)別信息處理的模式舉例說明智能信息處理在文字識別、圖像檢索等方面的用途“信息處理無處不在”的含義是什么？,本講主要內(nèi)容：,一、概述二、信號的基本概念三、信號處理主要內(nèi)容與方法四、信息處理的基本概念五、信號處理與信息處理的區(qū)別與聯(lián)系六、信息處理的發(fā)展趨勢,獲取和傳輸信息的目的是為了應(yīng)用信息來解決問題。為達此目的通常需要對所獲取的信

2、息進行適當(dāng)?shù)靥幚怼?yīng)用的目的不同，處理的方式也不同。因此信息處理可理解為: 針對一定的目的對信息進行的加工、處理、操作、運算的過程。,信息處理的意義：,一、概述,1. 信號與信息信號是信息的載體。人們聽到的聲音，看到的圖像、表格、文本，問到的氣味，測量到的身高、血壓，地震儀記錄的波形等，都可稱為信號。它們是信息的表現(xiàn)形式、是傳感器的輸出、是探測到的物理量。如前所述，各種物理量都可通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號。因此信號處理主要是電

3、信號的處理。,,2. 信號處理與信息處理 信號是信息的載體和外殼。因此可分為兩種不同的處理層次：通過對信號處理達到對信息本身處理的目的；二是僅僅對信號（電信號）進行處理。前者是深層的處理，觸及信息本身，是真正意義上的“信息處理”；后者是淺層處理，只改變信號（原則上）而不會影響信息本身，因此稱為“信號處理”。,基于信號本身的處理稱為信號處理，,基于內(nèi)容并以獲得信息和知識的處理,為信息處理。,,3. 信息的主要媒介

4、 人類傳輸信息的主要媒介是語音和圖像。語音是人類發(fā)音器官發(fā)出的具有區(qū)別意義功能的聲音，它是最直接記錄思維活動的符號體系，是語言交流的聲音形式。圖像是能為人類視覺所感知的信息形式或人們心目中的有形想象。人們感知的信息大約80％是圖像形式的信息。,二、信號的基本概念,信號處理可分為模擬信號處理（ASP）和數(shù)字信號處理（DSP）。 所謂信號處理就是指對信號的各種參數(shù)進行的各種調(diào)整，如濾波、提取、變換、分析和綜合等運算或

5、加工的過程，在時域中是基于信號/波形的處理，頻域中是對頻譜的處理。 信號處理的目的包括以下幾個方面： 信號增強：特征抽取：編碼解碼：,問題:,1、如何描述信號---信號特性?2.2、Why signal processing?3、Why digital signal processing?4、What is signal processing,1.信號特性,信號通常是以電信號的形式反映信息的各種物理量。電信號通常是實踐變

6、量t的函數(shù)。信號隨時間變化的函數(shù)曲線稱為信號的波形。信號的特性可從三方面來描述： 時域特性 頻域特性 空域特性,時域特性,空域特性,頻域特性,,示例：時域特性常見人體生理信號:,EEG(腦電),ECG(心電),示例：時域特性火車鳴笛信號,示例：時域特性一段語音信號,信號時域與頻域描述示例,心電信號及其頻譜,語音信號時域波形及其頻譜,土星多光譜圖像及其2維頻譜,空域圖像,頻域描述,信號

7、時域與頻域描述示例,,2、Why signal processing,信號被淹沒在噪聲里；信號與干擾混合在一起；要從信號中提取有用特征（譜分析）；將信號構(gòu)建成易于有效傳輸?shù)男问健?3、Why digital signal processing?,（1）計算機操作的是二進制數(shù)碼信號,二進制數(shù)碼的信號波形,（2）只有數(shù)字信號才能精確表示物理量,模擬萬用表,模擬量根據(jù)表的指針讀數(shù)，一般只能精確到三位數(shù)。,數(shù)字萬用表,二進制數(shù)字可表示

8、物理量所要求的精度。目前可精確到10位數(shù)以上（對應(yīng)采用32位二進制數(shù)碼表示一個數(shù)值）。,邏輯電路有兩個狀態(tài)，分別對應(yīng)“1”和“0”，計算機通過邏輯電路實現(xiàn)運算。,3、Why digital signal processing?（續(xù)1）,（3）數(shù)字信號受干擾后可以再生，消除干擾影響,受干擾后的信號經(jīng)再生定時判決可正確恢復(fù)。,3、Why digital signal processing?（續(xù)2）,（4）數(shù)字信號可采用時間復(fù)用提高傳輸效率,

9、例如：在閉路電視電纜上，原傳一路模擬電視信號的通道內(nèi)，可以同時傳4~8路數(shù)字電視節(jié)目（由于這涉及較多概念，在《通信原理》課程中才會詳細講授）。,（5）數(shù)字電路性能穩(wěn)定可靠，設(shè)計、維護、生產(chǎn)方便，體積小，重量輕,數(shù)字電路,高頻模擬電路,模擬與數(shù)字信號示例1:,模擬與數(shù)字信號示例2:,模擬與數(shù)字信號示例3:,,,數(shù)字化優(yōu)點,3、Why digital signal processing?（續(xù)3）,數(shù)字化的實現(xiàn) ---A/D、D/

10、A簡介,（1）A/D轉(zhuǎn)換器原理,A/D的原理簡化框圖,A/D是專用集成電路成熟產(chǎn)品，以A/D的位數(shù)標(biāo)明它能達到的轉(zhuǎn)換精度。固定電話使用8位A/D，移動通信使用13位A/D。由A/D實現(xiàn)語音數(shù)字化。目前高精度A/D可達32位。,模擬量（信號）通過A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量（信號）。,,-- signal？信號是信息（Information)的載體。常見信號：電壓, 電流, 溫度, 壓力, 壓強, 磁通, 光, 機械振動, 人體生理信號

11、等等 非電信號 電信號,,,,傳感器,4、What is signal processing,,傳感器：將非電信號轉(zhuǎn)化為電信號轉(zhuǎn)化后的信號是連續(xù)時域模擬信號，可以用 表示。 產(chǎn)生、處理和傳輸模擬信號所使用的器件： R，L，C， OP(運算放大器) 缺點： 體積大，精度低，不靈活也可將轉(zhuǎn)換后的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號產(chǎn)生、處理和

12、傳輸數(shù)字信號所使用的器件： 乘法器、加法器、延時器、存儲器等,,4、What is signal processing（續(xù)1）,信號處理的目的是: 信號增強 特征提取 編碼解碼 信號處理是信息技術(shù)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)之一，它建立在數(shù)學(xué)理論與分析基礎(chǔ)上，主要依靠器件、電路、系統(tǒng)分析、合成以及計算機技術(shù)加以實現(xiàn)。根據(jù)所處理的信號類型可分為：語音信號處理、圖像信號處理、通信信號處理、

13、雷達信號處理、生物醫(yī)學(xué)信號處理、地球物理信號處理、光信號處理等。,4、What is signal processing（續(xù)2）,(c) 中值濾波(3×3)濾波輸出 (d) 中值濾波(5×5)濾波輸出 (e)自適應(yīng)算法濾波輸出,示例:從被噪聲污染的信號中檢測出信號,4、What is signal processing（續(xù)3）,示例:從混合信號中檢測出正弦信號,4、What is signal proce

14、ssing（續(xù)4）,示例：胎兒心電信號的提取,三、信號處理的主要內(nèi)容與方法,信號運算常規(guī)運算 （線性運算 乘除運算）數(shù)學(xué)運算 （微分運算 積分運算）波形變換 （反轉(zhuǎn)運算 時移運算 壓擴運算）關(guān)聯(lián)運算 （卷積運算 相關(guān)運算）信號變換信號濾波,四、信息處理的基本概念,信息處理的分類第一類 簡單的數(shù)據(jù)處理：對信息進行檢測、排序、分類；第二類 對信息進行分析、概括和綜合，目的是產(chǎn)生出能夠輔助

15、決策的信息。第三類 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過復(fù)雜的計算和推理之后產(chǎn)生決策信息。常用的數(shù)學(xué)模型：預(yù)測系統(tǒng)、決策模型、仿真模型。,,第四類 運用智能理論和技術(shù)。系統(tǒng)處理信息的能力能像人的眼睛一樣 “看見”周圍的事物,”看”懂文字和圖像。使它能像人的耳朵一樣，“聽見”聲音，“聽”動人的語言。像人一樣會“講話”。”,信息處理的應(yīng)用舉例,文字理解：手寫文字識別，機器翻譯；語音信息處理：語音識別，語

16、音控制打印機，機器主持；音樂信息處理：影視音樂編輯，音樂壓縮；視覺信息處理：機器視覺，戰(zhàn)場監(jiān)視；雷達信息處理：目標(biāo)檢測與目標(biāo)自動識別；多媒體信息處理：多媒體視、聽、觸機器人系統(tǒng)。,五、信號處理與信息處理的區(qū)別與聯(lián)系,信號處理著重對信息載體信號（而不是信息本身）在時間、空間和頻率域進行加工處理，其目的主要是增強信號中的感興趣部分或濾除信號中的其他部分。信號處理側(cè)重于信號采集、降噪、放大、增強、分離等處理。,信號處理與信息處理的區(qū)別

17、,信息處理無所不在,當(dāng)我們享受手機帶來的便捷、欣賞高清晰電視節(jié)目的舒暢、體驗汽車自動巡航的瀟灑、觀看神7載人飛船遨游太空的神秘畫面時，信息處理在默默地工作。信息處理無所不在，每一個電子產(chǎn)品都可以打上（information processing inside 內(nèi)置信息處理）。,,五、智能信息處理的應(yīng)用,智能識別,文字識別（OCR 手寫體和印刷體的識別） 語音識別（手機人名聲控撥號系統(tǒng)，聲控自動售票系統(tǒng)等） 圖

18、像識別： 從遙感圖像分辨農(nóng)作物、森林資源、礦產(chǎn)資源；從氣象云圖預(yù)報天氣；從醫(yī)學(xué)X光圖像分析各種病變；復(fù)雜背景下軍事目標(biāo)的自動識別；身份驗證系統(tǒng)中的人臉識別、指紋識別、虹膜識別；智能交通系統(tǒng)中的車牌識別等。,返回,智能信息交互,自然語言理解（句法分析、語意理解、語言生成等）機器翻譯（漢譯英、英譯漢等）語音合成（文語轉(zhuǎn)換技術(shù)）虛擬現(xiàn)實（利用計算機生成一種模擬環(huán)境如飛機座艙、操作環(huán)境、各種游戲軟件都有此功能）,返回,

19、智能決策與控制,智能控制系統(tǒng)智能決策專家系統(tǒng)（地質(zhì)勘探專家系統(tǒng)擁有15種礦藏知識，MYCIN專家系統(tǒng)能識別51種病菌。）,返回,六、信息處理的發(fā)展趨勢,信號與信息處理技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個階段：模擬信號處理簡單數(shù)字信號處理可編程信號處理小規(guī)模集成電路信號處理 中規(guī)模集成電路信號處理大規(guī)模集成電路信號處理模擬/數(shù)字混合信號處理并行信號處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息處理綜合智能信息處理,信號與信息處理技術(shù)的發(fā)展,信息處理技術(shù)主要特