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(shuō)明信號(hào)與信息的概念與區(qū)別信息處理與信號(hào)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(shuō)明智能信息處理在文字識(shí)別、圖像檢索等方面的用途“信息處理無(wú)處不在”的含義是什么？,本講主要內(nèi)容：,一、概述二、信號(hào)的基本概念三、信號(hào)處理主要內(nèi)容與方法四、信息處理的基本概念五、信號(hào)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(shì),獲取和傳輸信息的目的是為了應(yīng)用信息來(lái)解決問(wèn)題。為達(dá)此目的通常需要對(duì)所獲取的信

2、息進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚?。?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(duì)一定的目的對(duì)信息進(jìn)行的加工、處理、操作、運(yùn)算的過(guò)程。,信息處理的意義：,一、概述,1. 信號(hào)與信息信號(hào)是信息的載體。人們聽(tīng)到的聲音，看到的圖像、表格、文本，問(wèn)到的氣味，測(cè)量到的身高、血壓，地震儀記錄的波形等，都可稱(chēng)為信號(hào)。它們是信息的表現(xiàn)形式、是傳感器的輸出、是探測(cè)到的物理量。如前所述，各種物理量都可通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因此信號(hào)處理主要是電

3、信號(hào)的處理。,,2. 信號(hào)處理與信息處理 信號(hào)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(guò)對(duì)信號(hào)處理達(dá)到對(duì)信息本身處理的目的；二是僅僅對(duì)信號(hào)（電信號(hào)）進(jìn)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(hào)（原則上）而不會(huì)影響信息本身，因此稱(chēng)為“信號(hào)處理”。,基于信號(hào)本身的處理稱(chēng)為信號(hào)處理，,基于內(nèi)容并以獲得信息和知識(shí)的處理,為信息處理。,,3. 信息的主要媒介

4、 人類(lèi)傳輸信息的主要媒介是語(yǔ)音和圖像。語(yǔ)音是人類(lèi)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(dòng)的符號(hào)體系，是語(yǔ)言交流的聲音形式。圖像是能為人類(lèi)視覺(jué)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(hào)的基本概念,信號(hào)處理可分為模擬信號(hào)處理（ASP）和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）。 所謂信號(hào)處理就是指對(duì)信號(hào)的各種參數(shù)進(jìn)行的各種調(diào)整，如濾波、提取、變換、分析和綜合等運(yùn)算或

5、加工的過(guò)程，在時(shí)域中是基于信號(hào)/波形的處理，頻域中是對(duì)頻譜的處理。 信號(hào)處理的目的包括以下幾個(gè)方面： 信號(hào)增強(qiáng)：特征抽取：編碼解碼：,問(wèn)題:,1、如何描述信號(hào)---信號(hào)特性?2.2、Why signal processing?3、Why digital signal processing?4、What is signal processing,1.信號(hào)特性,信號(hào)通常是以電信號(hào)的形式反映信息的各種物理量。電信號(hào)通常是實(shí)踐變

6、量t的函數(shù)。信號(hào)隨時(shí)間變化的函數(shù)曲線稱(chēng)為信號(hào)的波形。信號(hào)的特性可從三方面來(lái)描述： 時(shí)域特性 頻域特性 空域特性,時(shí)域特性,空域特性,頻域特性,,示例：時(shí)域特性常見(jiàn)人體生理信號(hào):,EEG(腦電),ECG(心電),示例：時(shí)域特性火車(chē)?guó)Q笛信號(hào),示例：時(shí)域特性一段語(yǔ)音信號(hào),信號(hào)時(shí)域與頻域描述示例,心電信號(hào)及其頻譜,語(yǔ)音信號(hào)時(shí)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(hào)

7、時(shí)域與頻域描述示例,,2、Why signal processing,信號(hào)被淹沒(méi)在噪聲里；信號(hào)與干擾混合在一起；要從信號(hào)中提取有用特征（譜分析）；將信號(hào)構(gòu)建成易于有效傳輸?shù)男问健?3、Why digital signal processing?,（1）計(jì)算機(jī)操作的是二進(jìn)制數(shù)碼信號(hào),二進(jìn)制數(shù)碼的信號(hào)波形,（2）只有數(shù)字信號(hào)才能精確表示物理量,模擬萬(wàn)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(wàn)用表,二進(jìn)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(duì)應(yīng)采用32位二進(jìn)制數(shù)碼表示一個(gè)數(shù)值）。,邏輯電路有兩個(gè)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)“1”和“0”，計(jì)算機(jī)通過(guò)邏輯電路實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。,3、Why digital signal processing?（續(xù)1）,（3）數(shù)字信號(hào)受干擾后可以再生，消除干擾影響,受干擾后的信號(hào)經(jīng)再生定時(shí)判決可正確恢復(fù)。,3、Why digital signal processing?（續(xù)2）,（4）數(shù)字信號(hào)可采用時(shí)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(hào)的通道內(nèi)，可以同時(shí)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(huì)詳細(xì)講授）。,（5）數(shù)字電路性能穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)、維護(hù)、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(hào)示例1:,模擬與數(shù)字信號(hào)示例2:,模擬與數(shù)字信號(hào)示例3:,,,數(shù)字化優(yōu)點(diǎn),3、Why digital signal processing?（續(xù)3）,數(shù)字化的實(shí)現(xiàn) ---A/D、D/

10、A簡(jiǎn)介,（1）A/D轉(zhuǎn)換器原理,A/D的原理簡(jiǎn)化框圖,A/D是專(zhuān)用集成電路成熟產(chǎn)品，以A/D的位數(shù)標(biāo)明它能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。固定電話(huà)使用8位A/D，移動(dòng)通信使用13位A/D。由A/D實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)字化。目前高精度A/D可達(dá)32位。,模擬量（信號(hào)）通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字量（信號(hào)）。,,-- signal？信號(hào)是信息（Information)的載體。常見(jiàn)信號(hào)：電壓, 電流, 溫度, 壓力, 壓強(qiáng), 磁通, 光, 機(jī)械振動(dòng), 人體生理信號(hào)

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

12、傳輸數(shù)字信號(hào)所使用的器件： 乘法器、加法器、延時(shí)器、存儲(chǔ)器等,,4、What is signal processing（續(xù)1）,信號(hào)處理的目的是: 信號(hào)增強(qiáng) 特征提取 編碼解碼 信號(hào)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(jì)算機(jī)技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)所處理的信號(hào)類(lèi)型可分為：語(yǔ)音信號(hào)處理、圖像信號(hào)處理、通信信號(hào)處理、

13、雷達(dá)信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、地球物理信號(hào)處理、光信號(hào)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(hào)中檢測(cè)出信號(hào),4、What is signal processing（續(xù)3）,示例:從混合信號(hào)中檢測(cè)出正弦信號(hào),4、What is signal proce

14、ssing（續(xù)4）,示例：胎兒心電信號(hào)的提取,三、信號(hào)處理的主要內(nèi)容與方法,信號(hào)運(yùn)算常規(guī)運(yùn)算 （線性運(yùn)算 乘除運(yùn)算）數(shù)學(xué)運(yùn)算 （微分運(yùn)算 積分運(yùn)算）波形變換 （反轉(zhuǎn)運(yùn)算 時(shí)移運(yùn)算 壓擴(kuò)運(yùn)算）關(guān)聯(lián)運(yùn)算 （卷積運(yùn)算 相關(guān)運(yùn)算）信號(hào)變換信號(hào)濾波,四、信息處理的基本概念,信息處理的分類(lèi)第一類(lèi) 簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理：對(duì)信息進(jìn)行檢測(cè)、排序、分類(lèi)；第二類(lèi) 對(duì)信息進(jìn)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(lèi) 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)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(cè)系統(tǒng)、決策模型、仿真模型。,,第四類(lèi) 運(yùn)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(jiàn)”周?chē)氖挛?”看”懂文字和圖像。使它能像人的耳朵一樣，“聽(tīng)見(jiàn)”聲音，“聽(tīng)”動(dòng)人的語(yǔ)言。像人一樣會(huì)“講話(huà)”?！?信息處理的應(yīng)用舉例,文字理解：手寫(xiě)文字識(shí)別，機(jī)器翻譯；語(yǔ)音信息處理：語(yǔ)音識(shí)別，語(yǔ)

16、音控制打印機(jī)，機(jī)器主持；音樂(lè)信息處理：影視音樂(lè)編輯，音樂(lè)壓縮；視覺(jué)信息處理：機(jī)器視覺(jué)，戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視；雷達(dá)信息處理：目標(biāo)檢測(cè)與目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別；多媒體信息處理：多媒體視、聽(tīng)、觸機(jī)器人系統(tǒng)。,五、信號(hào)處理與信息處理的區(qū)別與聯(lián)系,信號(hào)處理著重對(duì)信息載體信號(hào)（而不是信息本身）在時(shí)間、空間和頻率域進(jìn)行加工處理，其目的主要是增強(qiáng)信號(hào)中的感興趣部分或?yàn)V除信號(hào)中的其他部分。信號(hào)處理側(cè)重于信號(hào)采集、降噪、放大、增強(qiáng)、分離等處理。,信號(hào)處理與信息處理的區(qū)別

17、,信息處理無(wú)所不在,當(dāng)我們享受手機(jī)帶來(lái)的便捷、欣賞高清晰電視節(jié)目的舒暢、體驗(yàn)汽車(chē)自動(dòng)巡航的瀟灑、觀看神7載人飛船遨游太空的神秘畫(huà)面時(shí)，信息處理在默默地工作。信息處理無(wú)所不在，每一個(gè)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(shí)別,文字識(shí)別（OCR 手寫(xiě)體和印刷體的識(shí)別） 語(yǔ)音識(shí)別（手機(jī)人名聲控?fù)芴?hào)系統(tǒng)，聲控自動(dòng)售票系統(tǒng)等） 圖

18、像識(shí)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(bào)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(dòng)識(shí)別；身份驗(yàn)證系統(tǒng)中的人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、虹膜識(shí)別；智能交通系統(tǒng)中的車(chē)牌識(shí)別等。,返回,智能信息交互,自然語(yǔ)言理解（句法分析、語(yǔ)意理解、語(yǔ)言生成等）機(jī)器翻譯（漢譯英、英譯漢等）語(yǔ)音合成（文語(yǔ)轉(zhuǎn)換技術(shù)）虛擬現(xiàn)實(shí)（利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境如飛機(jī)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(zhuān)家系統(tǒng)（地質(zhì)勘探專(zhuān)家系統(tǒng)擁有15種礦藏知識(shí)，MYCIN專(zhuān)家系統(tǒng)能識(shí)別51種病菌。）,返回,六、信息處理的發(fā)展趨勢(shì),信號(hào)與信息處理技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段：模擬信號(hào)處理簡(jiǎn)單數(shù)字信號(hào)處理可編程信號(hào)處理小規(guī)模集成電路信號(hào)處理 中規(guī)模集成電路信號(hào)處理大規(guī)模集成電路信號(hào)處理模擬/數(shù)字混合信號(hào)處理并行信號(hào)處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息處理綜合智能信息處理,信號(hào)與信息處理技術(shù)的發(fā)展,信息處理技術(shù)主要特