大学精品课件:第十三讲 信息处理.ppt
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- 大学精品课件:第十三讲 信息处理 大学 精品 课件 第十 三讲
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1、电气与信息工程学院电气与信息工程学院第第1313讲讲 信息处理信息处理2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论213.1 13.1 概述概述信号与信息信号与信息信号是用来表示信息的形式和用来携载信息的载体。信号信号是用来表示信息的形式和用来携载信息的载体。信号和信息的关系,是形式和内容的关系。正因为如此,对信和信息的关系,是形式和内容的关系。正因为如此,对信息的处理往往需要通过对信号的处理来实现。息的处理往往需要通过对信号的处理来实现。在各种信号形式之中,电信号容易产生、存储、处理、变在各种信号形式之中,电信号容易产生、存储、处理、变换、传输、控制与显示,
2、因此最常用来表示信息。换、传输、控制与显示,因此最常用来表示信息。信息处理的两种层次:一是通过对信号进行处理达到对信信息处理的两种层次:一是通过对信号进行处理达到对信息本身进行处理的目的,一是仅仅对信号进行处理。前者息本身进行处理的目的,一是仅仅对信号进行处理。前者是深层的处理,触及信息本身,是真正意义的是深层的处理,触及信息本身,是真正意义的“信息处信息处理理”,后者是浅层处理,只改变信号而(原则上)不会影,后者是浅层处理,只改变信号而(原则上)不会影响信息本身,因此称为响信息本身,因此称为“信号处理信号处理”。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论3
3、13.1 13.1 概述概述 信号处理的概念信号处理的概念信号的特性可从两方面来描述,即时域特性与频域特性。信号的特性可从两方面来描述,即时域特性与频域特性。信号的时域特性指的是信号随时间而变化的形式,出现时信号的时域特性指的是信号随时间而变化的形式,出现时间的先后,持续时间的长短,随时间变化的快慢和大小,间的先后,持续时间的长短,随时间变化的快慢和大小,重复周期的大小等。重复周期的大小等。频域特性则指它的频率结构:频谱的宽度,各个频率成分频域特性则指它的频率结构:频谱的宽度,各个频率成分的强度分布等。的强度分布等。信号处理可分为模拟信号处理(信号处理可分为模拟信号处理(ASP)和数字信号处理
4、)和数字信号处理(DSP)。由于数字技术的灵活性和高稳健性以及超大规)。由于数字技术的灵活性和高稳健性以及超大规模集成电路(模集成电路(VLSI)技术的飞速发展,)技术的飞速发展,DSP已成为信号已成为信号处理的主要发展方向。处理的主要发展方向。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论413.1 13.1 概述概述 信号处理的概念信号处理的概念所谓信号处理就是指对信号的各种参数进行的各种调整,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。如滤波、提取、变换、分析和综合等运算或加工的过程。常见的信号处理包
5、括以下几个方面:常见的信号处理包括以下几个方面:(1)信号纯化:去除信号中冗余的和次要的成分,包括噪)信号纯化:去除信号中冗余的和次要的成分,包括噪声,也就是提高信噪比。声,也就是提高信噪比。(2)特征抽取:把信号的表征性特征提取出来。)特征抽取:把信号的表征性特征提取出来。(3)编码解码:把信号变成适于传输、交换与存储的形式)编码解码:把信号变成适于传输、交换与存储的形式(编码),或从编码信号中恢复出原始信号(解码)。(编码),或从编码信号中恢复出原始信号(解码)。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论513.1 13.1 概述概述 信息处理的概念信息
6、处理的概念信息处理由浅入深大致可以分为四类。信息处理由浅入深大致可以分为四类。(1)简单的数据处理。处理这类信息包括过滤掉信息中的干扰成简单的数据处理。处理这类信息包括过滤掉信息中的干扰成分,找出信息中的主要成分,或挑选表示主题的重要的语句。分,找出信息中的主要成分,或挑选表示主题的重要的语句。(2)是对信息进行分析、概括和综合,目的是可以产生出能够辅是对信息进行分析、概括和综合,目的是可以产生出能够辅助决策的有用信息。助决策的有用信息。(3)是通过应用数学模型,经过复杂的计算和推理之后,产生出是通过应用数学模型,经过复杂的计算和推理之后,产生出决策信息。常用的数学模型有预测模型、决策模型和模
7、拟模型。决策信息。常用的数学模型有预测模型、决策模型和模拟模型。(4)使用智能理论和技术。使系统能像人的眼睛一样使用智能理论和技术。使系统能像人的眼睛一样“看见看见“周周围的事物,围的事物,“看看”懂文字和图像。使它能像人的耳朵一样,懂文字和图像。使它能像人的耳朵一样,“听见听见”声音,声音,“听听”懂人的语言。使它能像人一样,用语言懂人的语言。使它能像人一样,用语言输出信息,表达信息。最终使系统能像人的大脑一样会思考问输出信息,表达信息。最终使系统能像人的大脑一样会思考问题,会学习新的知识,适应外界环境的变化,等等。题,会学习新的知识,适应外界环境的变化,等等。2电气与信息工程学院电气与信息
8、工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论613.1 13.1 概述概述 信号处理与信息处理的区别与联系信号处理与信息处理的区别与联系信号处理着重在对作为信息载体的信号(而不是信息本身)在时信号处理着重在对作为信息载体的信号(而不是信息本身)在时间和频率域等方面进行的加工过程,其主要目的是增强信号中的间和频率域等方面进行的加工过程,其主要目的是增强信号中的感兴趣部分或削弱信号中的其它部分。信息处理通常是指对获取感兴趣部分或削弱信号中的其它部分。信息处理通常是指对获取的信息本身进行处理,使其更便于应用。信号处理主要触及信息的信息本身进行处理,使其更便于应用。信号处理主要触及信息的载体和外表
9、的载体和外表 信号,信息处理则不仅触及信号,更重要的是要信号,信息处理则不仅触及信号,更重要的是要触及信息本身。触及信息本身。(1)信号处理侧重于波形上采集,降噪,放大或降低,增强,分)信号处理侧重于波形上采集,降噪,放大或降低,增强,分离等处理。离等处理。(2)信息处理侧重对内容的理解,如对音乐的理解与欣赏方面。)信息处理侧重对内容的理解,如对音乐的理解与欣赏方面。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论713.1 13.1 概述概述 常规信息处理与智能信息处理的区别与联系常规信息处理与智能信息处理的区别与联系常规信息处理主要指前述的信号处理和浅层信息处
10、理。智能信息处常规信息处理主要指前述的信号处理和浅层信息处理。智能信息处理则是深层信息处理,主要包括识别、分类、融合、推理、理解等,理则是深层信息处理,主要包括识别、分类、融合、推理、理解等,比较强调处理的目的是从信号中获取新的信息和知识。用信息科学比较强调处理的目的是从信号中获取新的信息和知识。用信息科学的专门术语来说,浅层信息处理只涉及的专门术语来说,浅层信息处理只涉及“语法信息(形式)语法信息(形式)”,深,深层信息处理(智能信息处理)则还要涉及层信息处理(智能信息处理)则还要涉及“语义信息语义信息”(内容)和(内容)和“语用信息语用信息”(价值)。(价值)。2电气与信息工程学院电气与信
11、息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论813.1 13.1 概述概述 常规信息处理与智能信息处理的区别与联系常规信息处理与智能信息处理的区别与联系信号与信息,信号处理与信息处理的概念在不断发展,其边界和区信号与信息,信号处理与信息处理的概念在不断发展,其边界和区分越来越模糊。可以概括为如下理解:分越来越模糊。可以概括为如下理解:(1)把信号处理与信息处理看成两种完全独立的过程,这种概念)把信号处理与信息处理看成两种完全独立的过程,这种概念有片面性:信号是信息的外壳,信息是信号的内核,不可截然分割。有片面性:信号是信息的外壳,信息是信号的内核,不可截然分割。(2)信息蕴涵在信号之中,
12、对信号处理必然对其信息进行了处理。)信息蕴涵在信号之中,对信号处理必然对其信息进行了处理。这种看法有些绝对,因为浅层的处理是对信号的处理,不一定会触这种看法有些绝对,因为浅层的处理是对信号的处理,不一定会触及信息本身。及信息本身。(3)广义的信息处理概念,把与信号和信息的处理划分为常规信)广义的信息处理概念,把与信号和信息的处理划分为常规信息处理和智能信息处理两大类。息处理和智能信息处理两大类。(4)信号与信息融合一体的概念,)信号与信息融合一体的概念,“信号与信息处理信号与信息处理”的概念则的概念则是把信号与信息看成整体,不予区分。即处理是对信号与信息同时是把信号与信息看成整体,不予区分。即
13、处理是对信号与信息同时进行的,不予分离。这种处理过于笼统。进行的,不予分离。这种处理过于笼统。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论913.1 13.1 概述概述信息处理无处不在信息处理无处不在2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论1013.2 13.2 常规信息处理常规信息处理1、常规信息处理的发展常规信息处理的发展常规信息处理经历了模拟信号处理、简单数字信号处理、可编程常规信息处理经历了模拟信号处理、简单数字信号处理、可编程数字信号处理、数字信号处理、VLSI与并行处理等发展历程,现在正在向综合智与并行处理等发
14、展历程,现在正在向综合智能信息处理方向发展。能信息处理方向发展。2、模拟信号处理模拟信号处理模拟信号处理的发展可追溯到上世纪模拟信号处理的发展可追溯到上世纪20年代。模拟信号处理主要年代。模拟信号处理主要包括包括:滤波、延时、存贮、有源或无源网络运算。滤波、延时、存贮、有源或无源网络运算。20世纪世纪6070年年代,模拟信号处理的发展达到了它的成熟期。代,模拟信号处理的发展达到了它的成熟期。3、数字信号处理、数字信号处理数字信号处理是将信号以数字方式表示并进行处理的理论和技术。数字信号处理是将信号以数字方式表示并进行处理的理论和技术。数字信号处理的算法需要利用计算机或专用处理设备如数字信号处理
15、的算法需要利用计算机或专用处理设备如DSP和和ASIC等。等。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论1113.2 13.2 常规信息处理常规信息处理2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论1213.2 13.2 常规信息处理常规信息处理 常规信息处理主要内容与方法常规信息处理主要内容与方法1、信号运算、信号运算常规运算(线性运算常规运算(线性运算 乘除运算)、数学运算(微分运算乘除运算)、数学运算(微分运算 积分运积分运算)、波形变换(反转运算算)、波形变换(反转运算 时移运算时移运算 压扩运算)、关联运算(卷压扩运
16、算)、关联运算(卷积运算积运算 相关运算)相关运算)2、信号变换、信号变换使用的主要数学工具是使用的主要数学工具是Fourier变换。近来,发展了时间频率联变换。近来,发展了时间频率联合分析的方法,如小波变换。合分析的方法,如小波变换。信号在时间域信号在时间域-空间域空间域-频率域的耦合关系频率域的耦合关系 2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论1313.2 13.2 常规信息处理常规信息处理3、信号滤波、信号滤波这里滤波的对象并非数据本身,而是混入的已知类型噪声。比如,这里滤波的对象并非数据本身,而是混入的已知类型噪声。比如,待测信号中很容易混入待测信
17、号中很容易混入50Hz工频电源干扰,可采用特殊的点阻数工频电源干扰,可采用特殊的点阻数字滤波器(陷波器)滤除它。字滤波器(陷波器)滤除它。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论1413.2 13.2 常规信息处理常规信息处理4、信号的谱分析、信号的谱分析谱是指信号的某些特征随频率的分布,如幅度谱、相位谱、能量谱是指信号的某些特征随频率的分布,如幅度谱、相位谱、能量谱功率谱。谱功率谱。5、特征提取、特征提取特征提取就是利用已有特征参数构造一个较低维数的特征空间,特征提取就是利用已有特征参数构造一个较低维数的特征空间,将原始特征中蕴含的有用信息映射到少数几个
18、特征上,忽略多余将原始特征中蕴含的有用信息映射到少数几个特征上,忽略多余的不相干成分。从数学意义上讲,特征提取就是对一个向量进行的不相干成分。从数学意义上讲,特征提取就是对一个向量进行降维,变换为低维向量,后者确实含有原高维向量的主要特性。降维,变换为低维向量,后者确实含有原高维向量的主要特性。6、信号检测与估值、信号检测与估值信号检测的目的是要在噪声背景下发现是否有某种信息存在(回信号检测的目的是要在噪声背景下发现是否有某种信息存在(回答答“有或无有或无”的问题);信号估计是在信号检测的基础上估计所的问题);信号估计是在信号检测的基础上估计所发现的信息的参数类型(回答发现的信息的参数类型(回
19、答“属于何种类型属于何种类型”的问题)。的问题)。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论1513.3 13.3 智能信息处理智能信息处理 智能信息处理的概念智能信息处理的概念智能信息处理就是模拟人或者自然界其他生物处理信息的机理而智能信息处理就是模拟人或者自然界其他生物处理信息的机理而建立的处理复杂系统信息的理论和技术,因此也称为建立的处理复杂系统信息的理论和技术,因此也称为“人工智人工智能能”。1、基于神经网络和符号逻辑的两种基本智能信息处理途径、基于神经网络和符号逻辑的两种基本智能信息处理途径在符号逻辑智能系统中,它们具有模仿人的逻辑思维的功能,通在
20、符号逻辑智能系统中,它们具有模仿人的逻辑思维的功能,通过逻辑符号处理系统的推理规则来实现自动诊断、问题求解以及过逻辑符号处理系统的推理规则来实现自动诊断、问题求解以及专家系统的智能。基于神经网络的信息处理具有非线性,大规模,专家系统的智能。基于神经网络的信息处理具有非线性,大规模,分布式和可学习等特点。分布式和可学习等特点。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论1613.3 13.3 智能信息处理智能信息处理例如有报道称,已经研制出一种能辨认人的面孔的神经网络新型例如有报道称,已经研制出一种能辨认人的面孔的神经网络新型智能机器或神经计算机,只要让它看一下
21、某人或他的照片,就能智能机器或神经计算机,只要让它看一下某人或他的照片,就能记住描述此人面貌的记住描述此人面貌的256个数字参数,在人群中就能认出这个人。个数字参数,在人群中就能认出这个人。这种神经计算机是由许多神经元组成的,可以记住达这种神经计算机是由许多神经元组成的,可以记住达500人的信息,人的信息,思考辨认时间在数秒之内。美国思考辨认时间在数秒之内。美国HNC公司研制出的神经计算机,公司研制出的神经计算机,其性能远超过目前国际上巨型超级计算机,而且具有体积小、鲁其性能远超过目前国际上巨型超级计算机,而且具有体积小、鲁棒性高等特点。棒性高等特点。智能信息处理是在常规信息处理的基础上发展起
22、来的,它们之间智能信息处理是在常规信息处理的基础上发展起来的,它们之间最大的区别是在信号获取和处理方法上的区别。常规的信息处理最大的区别是在信号获取和处理方法上的区别。常规的信息处理主要是对信号进行获取、传输及处理。它们处理是信号和信息本主要是对信号进行获取、传输及处理。它们处理是信号和信息本身。而智能信息处理是将获取的信息进行学习和理解(称为身。而智能信息处理是将获取的信息进行学习和理解(称为“认认知知”),最终转化为知识,再根据知识得到处理的智能策略。),最终转化为知识,再根据知识得到处理的智能策略。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论1713.3
23、 13.3 智能信息处理智能信息处理2、综合智能信息处理系统、综合智能信息处理系统人脑信息处理主要是中央神经系统和周围神经系统共同分工合作人脑信息处理主要是中央神经系统和周围神经系统共同分工合作完成的。基于这样的事实,提出了综合智能信息处理系统。完成的。基于这样的事实,提出了综合智能信息处理系统。综合智能信息处理系统框图综合智能信息处理系统框图2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息处理信息处理信息科学导论信息科学导论1813.3 13.3 智能信息处理智能信息处理3、网络化智能信息处理、网络化智能信息处理二十世纪中叶以后,由于知识在人类文明中所起的作用越来越大,二十世纪中叶以后,由于知识在
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