[工程科技]信息科学与技术导论是信息处理第四讲课件.ppt

1、第四讲第四讲信息处理信息处理作业t举例说明信号与信息的概念与区别t信息处理与信号处理的概念及二者的联系与区别t信息处理的模式t举例说明智能信息处理在文字识别、图像检索等方面的用途t“信息处理无处不在”的含义是什么？本讲主要内容：t一、概述一、概述t二、信号的基本概念二、信号的基本概念t三、信号处理主要内容与方法三、信号处理主要内容与方法t四、信息处理的基本概念四、信息处理的基本概念t五、信号处理与信息处理的区别与联系五、信号处理与信息处理的区别与联系t六、信息处理的发展趋势六、信息处理的发展趋势t获取和传输信息的目的是为了应用信息获取和传输信息的目的是为了应用信息来解决问题。为达此目的通常需要

2、对所来解决问题。为达此目的通常需要对所获取的信息进行适当地处理。应用的目获取的信息进行适当地处理。应用的目的不同，处理的方式也不同。因此信息的不同，处理的方式也不同。因此信息处理可理解为处理可理解为:针对一定的目的对信息进行的加工、处针对一定的目的对信息进行的加工、处理、操作、运算的过程。理、操作、运算的过程。信息处理的意义：信息处理的意义：一、概述1.信号与信息信号与信息t信号是信息的载体。人们听到的声音，看到的信号是信息的载体。人们听到的声音，看到的图像、表格、文本，问到的气味，测量到的身图像、表格、文本，问到的气味，测量到的身高、血压，地震仪记录的波形等，都可称为信高、血压，地震仪记录的

3、波形等，都可称为信号。它们是信息的表现形式、是传感器的输出、号。它们是信息的表现形式、是传感器的输出、是探测到的物理量。如前所述，各种物理量都是探测到的物理量。如前所述，各种物理量都可通过传感器转换成电信号。可通过传感器转换成电信号。因此信号处理主因此信号处理主要是电信号的处理。要是电信号的处理。2.信号处理与信息处理信号处理与信息处理 信号是信息的载体和外壳。因此可分为两种信号是信息的载体和外壳。因此可分为两种不同的处理层次：通过对信号处理达到对信息本不同的处理层次：通过对信号处理达到对信息本身处理的目的；二是仅仅对信号（电信号）进行身处理的目的；二是仅仅对信号（电信号）进行处理。前者是深层

4、的处理，触及信息本身，是真处理。前者是深层的处理，触及信息本身，是真正意义上的正意义上的“信息处理信息处理”；后者是浅层处理，只；后者是浅层处理，只改变信号（原则上）而不会影响信息本身，因此改变信号（原则上）而不会影响信息本身，因此称为称为“信号处理信号处理”。3.信息的主要媒介信息的主要媒介 人类传输信息的主要媒介是人类传输信息的主要媒介是语音和图像语音和图像。语音语音是人类发音器官发出的具有区别意义功能是人类发音器官发出的具有区别意义功能的声音，它是最直接记录思维活动的符号体系，的声音，它是最直接记录思维活动的符号体系，是语言交流的声音形式。是语言交流的声音形式。图像图像是能为人类是能为人

5、类视觉视觉所感知的信息形式或人们心目中的有形想象。所感知的信息形式或人们心目中的有形想象。人们感知的信息大约人们感知的信息大约80是图像形式的信息。是图像形式的信息。二、信号的基本概念t信号处理可分为模拟信号处理（ASP）和数字信号处理（DSP）。t所谓信号处理就是指对信号的各种参数进行的各种调整，如滤波、提取、变换、分析和综合等运算或加工的过程，在时域中是基于信号/波形的处理，频域中是对频谱的处理。t信号处理的目的包括以下几个方面：信号增强：信号增强：特征抽取：特征抽取：编码解码：编码解码：问题:t4、What is signal processing1.1.信号特性信号特性 信号通常是以电

6、信号的形式反映信息的各种物理量。电信号通常是实践变量t的函数。信号随时间变化的函数曲线称为信号的波形。信号的特性可从三方面来描述：时域特性 频域特性 空域特性时域特性时域特性信号的形式持续时间的长短随时间变化的快慢和大小重复周期空域特性空域特性:信号幅度、相位在空间位置的分布范围边界轮廓形态频域特性频域特性频率结构频谱的宽度频率成分的强度分度示例：时域特性常见人体生理信号:EEG(脑电)ECG(心电)示例：时域特性火车鸣笛信号示例：时域特性一段语音信号信号时域与频域描述示例心电信号及其频谱心电信号及其频谱 语音信号时域波形及其频谱语音信号时域波形及其频谱 土星多光谱图像及其土星多光谱图像及其2

7、 2维频谱维频谱 空域图像频域描述信号时域与频域描述示例t信号被淹没在噪声里；信号被淹没在噪声里；t信号与干扰混合在一起；信号与干扰混合在一起；t要从信号中提取有用特征（谱分析）；要从信号中提取有用特征（谱分析）；t将信号构建成易于有效传输的形将信号构建成易于有效传输的形式式3、Why digital signal processing?（1）计算机操作的是二进制数码信号）计算机操作的是二进制数码信号二进制数码的信号波形二进制数码的信号波形（2）只有数字信号才能精确表示物理量）只有数字信号才能精确表示物理量模拟万用表模拟万用表模拟量根模拟量根据表的指据表的指针读数，针读数，一般只能一般只能精确

8、到三精确到三位数位数。数字万用表数字万用表二进制数字可表二进制数字可表示物理量所要求示物理量所要求的精度。目前可的精度。目前可精确到精确到10位数以位数以上（对应采用上（对应采用32位二进制数码表位二进制数码表示一个数值）。示一个数值）。逻辑电路有两个状态，分别对应逻辑电路有两个状态，分别对应“1”和和“0”，计算机通过逻辑电路实现运算，计算机通过逻辑电路实现运算。二进数二进数码波形码波形实际信号波形实际信号波形受干扰后受干扰后的波形的波形定时信号定时信号再生信号再生信号3、Why digital signal processing?（续1）（3）数字信号受干扰后可以再生，消除干扰影响）数字信

9、号受干扰后可以再生，消除干扰影响受干扰后的信号经再生受干扰后的信号经再生定时判决可正确恢复。定时判决可正确恢复。3、Why digital signal processing?（续2）（4）数字信号可采用时间复用提高传输效率）数字信号可采用时间复用提高传输效率例如：在闭路电视电缆上，原传一路模拟电视信号的通道内，可以同时例如：在闭路电视电缆上，原传一路模拟电视信号的通道内，可以同时传传48路数字电视节目（由于这涉及较多概念，在路数字电视节目（由于这涉及较多概念，在通信原理通信原理课程中课程中才会详细讲授）。才会详细讲授）。（5）数字电路性能稳定可靠，设计、维护、生产方便，体积小，）数字电路性能

10、稳定可靠，设计、维护、生产方便，体积小，重量轻重量轻数字电路数字电路高频模拟电路高频模拟电路模拟与数字信号示例1:模拟与数字信号示例2:模拟与数字信号示例3:数字化优点数字化优点性能稳定性能稳定、生产方便生产方便（五）（五）便于计算机便于计算机操作操作（一）（一）传输效率传输效率高高（四）（四）抗干扰抗干扰能力强能力强（三）（三）精确表示精确表示物理量物理量（二）（二）3、Why digital signal processing?（续3）数字化的实现 -A/D、D/A简介（1）A/D转换器原理转换器原理A/D的原理简化框图的原理简化框图A/D是专用集成电路成熟产品，以是专用集成电路成熟产品，

11、以A/D的位数标明它能达到的转换精度。的位数标明它能达到的转换精度。固定电话使用固定电话使用8位位A/D，移动通信使用，移动通信使用13位位A/D。由。由A/D实现语音数字化。实现语音数字化。目前高精度目前高精度A/D可达可达32位。位。模拟量（信号）通过模拟量（信号）通过A/D转换器变为数字量（信号）。转换器变为数字量（信号）。-signal？t信号是信息（Information)的载体。t常见信号：电压,电流,温度,压力,压强,磁通,光,机械振动,人体生理信号等等 非电信号 电信号 传感器4、What is signal processingt传感器：将非电信号转化为电信号传感器：将非电信

12、号转化为电信号t转化后的信号是连续时域模拟信号，可以用转化后的信号是连续时域模拟信号，可以用 表示。表示。t产生、处理和传输模拟信号所使用的器件：产生、处理和传输模拟信号所使用的器件：R，L，C，OP(运算放大器运算放大器)缺点：缺点：体积大，精度低，不灵活体积大，精度低，不灵活也可将转换后的信号转变为数字信号也可将转换后的信号转变为数字信号t产生、处理和传输数字信号所使用的器件：产生、处理和传输数字信号所使用的器件：乘法器、加法器、延时器、存储器等乘法器、加法器、延时器、存储器等 )(txt信号处理的目的是信号处理的目的是:信号增强信号增强 特征提取特征提取 编码解码编码解码 信号处理是信息

13、技术的基础理论和技术之一，它建信号处理是信息技术的基础理论和技术之一，它建立在数学理论与分析基础上，主要依靠器件、电路、立在数学理论与分析基础上，主要依靠器件、电路、系统分析、合成以及计算机技术加以实现。根据所处系统分析、合成以及计算机技术加以实现。根据所处理的信号类型可分为：语音信号处理、图像信号处理、理的信号类型可分为：语音信号处理、图像信号处理、通信信号处理、雷达信号处理、生物医学信号处理、通信信号处理、雷达信号处理、生物医学信号处理、地球物理信号处理、光信号处理等。地球物理信号处理、光信号处理等。(c)中值滤波(33)滤波输出 (d)中值滤波(55)滤波输出 (e)自适应算法滤波输出示

14、例示例:从被噪声污染的信号中检测出信号从被噪声污染的信号中检测出信号示例示例:从混合信号中检测出正弦信号从混合信号中检测出正弦信号示例：胎儿心电信号的提取示例：胎儿心电信号的提取三、信号处理的主要内容与方法t信号运算信号运算常规运算常规运算 （线性运算（线性运算 乘除运算）乘除运算）数学运算数学运算 （微分运算（微分运算 积分运算）积分运算）波形变换波形变换 （反转运算（反转运算 时移运算时移运算 压扩运算）压扩运算）关联运算关联运算 （卷积运算（卷积运算 相关运算）相关运算）t信号变换信号变换t信号滤波信号滤波四、信息处理的基本概念信息处理的分类信息处理的分类t第一类第一类 简单的数据处理：

15、对信息进行检测、排序、简单的数据处理：对信息进行检测、排序、分类；分类；t第二类第二类 对信息进行分析、概括和综合，目的是产对信息进行分析、概括和综合，目的是产生出能够辅助决策的信息。生出能够辅助决策的信息。t第三类第三类 应用数学模型，经过复杂的计算和推理之应用数学模型，经过复杂的计算和推理之后产生决策信息。常用的数学模型：预测系统、后产生决策信息。常用的数学模型：预测系统、决策模型、仿真模型。决策模型、仿真模型。t第四类第四类 运用智能理论和技术。系统处理信运用智能理论和技术。系统处理信息的能力能像人的眼睛一样息的能力能像人的眼睛一样“看见看见”周周围的事物围的事物,”看看”懂文字和图像。

16、使它能懂文字和图像。使它能像人的耳朵一样，像人的耳朵一样，“听见听见”声音，声音，“听听”动人的语言。像人一样会动人的语言。像人一样会“讲话讲话”。”信息处理的应用举例t文字理解：手写文字识别，机器翻译；文字理解：手写文字识别，机器翻译；t语音信息处理：语音识别，语音控制打印机，语音信息处理：语音识别，语音控制打印机，机器主持；机器主持；t音乐信息处理：影视音乐编辑，音乐压缩；音乐信息处理：影视音乐编辑，音乐压缩；t视觉信息处理：机器视觉，战场监视；视觉信息处理：机器视觉，战场监视；t雷达信息处理：目标检测与目标自动识别；雷达信息处理：目标检测与目标自动识别；t多媒体信息处理：多媒体视、听、触

17、机器人系多媒体信息处理：多媒体视、听、触机器人系统。统。五、信号处理与信息处理的区别与联系 信号处理着重对信息载体信号（而信号处理着重对信息载体信号（而不是信息本身）在时间、空间和频率域不是信息本身）在时间、空间和频率域进行加工处理，其目的主要是增强信号进行加工处理，其目的主要是增强信号中的感兴趣部分或滤除信号中的其他部中的感兴趣部分或滤除信号中的其他部分。信号处理侧重于信号采集、降噪、分。信号处理侧重于信号采集、降噪、放大、增强、分离等处理。放大、增强、分离等处理。信号处理与信息处理的区别操作对象操作对象 侧重侧重处理方式处理方式 目的目的信号处理信号处理 基于波形基于波形对信号操作对信号操

18、作 形式形式 波形波形常规处理常规处理提高效率，提高效率，提高信躁提高信躁比等性能比等性能信息处理信息处理 基于内容基于内容对信息操作对信息操作内容内容意义意义智能处理智能处理学习功能学习功能获取知识获取知识获得智能获得智能信息处理无所不在t当我们享受手机带来的便捷、欣赏高清当我们享受手机带来的便捷、欣赏高清晰电视节目的舒畅、体验汽车自动巡航晰电视节目的舒畅、体验汽车自动巡航的潇洒、观看神的潇洒、观看神7载人飞船遨游太空的神载人飞船遨游太空的神秘画面时，信息处理在默默地工作。信秘画面时，信息处理在默默地工作。信息处理无所不在，每一个电子产品都可息处理无所不在，每一个电子产品都可以打上（以打上（

19、information processing inside 内置信息处理）。内置信息处理）。广播电视生物医学雷达机器人工业控制气象出版航空航天信号与信息处理技术五、智能信息处理的应用智能智能信息信息处理处理的的应用应用智能智能机器人机器人智能智能识别识别智能智能信息交互信息交互智能智能决策与决策与控制控制智能网智能网技术技术智能识别 文字识别（文字识别（OCR 手写体和印刷体的识别）手写体和印刷体的识别）语音识别（手机人名声控拨号系统，声控自动售票系语音识别（手机人名声控拨号系统，声控自动售票系统等）统等）图像识别：图像识别：从遥感图像分辨农作物、森林资源、矿产资源；从从遥感图像分辨农作物、森

20、林资源、矿产资源；从气象云图预报天气；从医学气象云图预报天气；从医学X光图像分析各种病变；光图像分析各种病变；复杂背景下军事目标的自动识别；身份验证系统中的复杂背景下军事目标的自动识别；身份验证系统中的人脸识别、指纹识别、虹膜识别；智能交通系统中的人脸识别、指纹识别、虹膜识别；智能交通系统中的车牌识别等。车牌识别等。返回智能信息交互t自然语言理解（句法分析、语意理解、语言生自然语言理解（句法分析、语意理解、语言生成等）成等）t机器翻译（汉译英、英译汉等）机器翻译（汉译英、英译汉等）t语音合成（文语转换技术）语音合成（文语转换技术）t虚拟现实（利用计算机生成一种模拟环境如飞虚拟现实（利用计算机生

21、成一种模拟环境如飞机座舱、操作环境、各种游戏软件都有此功能）机座舱、操作环境、各种游戏软件都有此功能）返回智能决策与控制t智能控制系统t智能决策专家系统（地质勘探专家系统拥有15种矿藏知识，MYCIN专家系统能识别51种病菌。）返回 六、信息处理的发展趋势六、信息处理的发展趋势 信号与信息处理技术发展经历了如下几个阶段：信号与信息处理技术发展经历了如下几个阶段：t模拟信号处理模拟信号处理t简单数字信号处理简单数字信号处理t可编程信号处理可编程信号处理t小规模集成电路信号处理小规模集成电路信号处理 t中规模集成电路信号处理中规模集成电路信号处理t大规模集成电路信号处理大规模集成电路信号处理t模拟模拟/数字混合信号处理数字混合信号处理t并行信号处理并行信号处理t神经网络信息处理神经网络信息处理t综合智能信息处理综合智能信息处理信号与信息处理技术的发展信号与信息处理技术的发展 信息处理技术主要特点与发展趋势：信息处理技术主要特点与发展趋势：实时实时化化（高速算法）、综合化（综合化（多媒体、多种技术）、网络化（网络化（信息高速公路）、智能智能化。化。信息处理所涉及的后续课程t信号与系统信号与系统t数字信号处理数字信号处理t数字图像处理数字图像处理t神经网络原理与应用神经网络原理与应用t信号检测与估计信号检测与估计t人工智能人工智能t模式识别模式识别