信息与信号处理技术讲义

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1、信息与通信技术 学科概论,长春工业大学图像工程研究所 史东承教授,第5章：信息与信号处理技术,信息通常由一定的信号表示，信号载有信息。对信息的处理总是通过对信号的处理来实现。信息处理往往和信号处理具有类似的含义。 为一定目的对载荷信息的随机信号所进行的变换称为信号处理。 信息处理的目的主要有：提高有效性； 提高抗干扰性； 改善主观感觉的效果； 对信息进行识别和分类； 分离和选择信息。 总的来说，信息处理的目的就是为了更好地与信宿的性质相匹配，舍弃那些对信宿无关的部分，突出信宿需要的有用部分，使信息的获得者人或机器能够更好地利用或是使用信息。,5.1信息处理原理,信息不增原理：对载荷信息的信号所

2、作的任何处理都不可能使它所载荷的信息量增加。 一般来说，处理的结果总会损失信息，而且处理的环节和次数越多这种损失的机会就越大，只有在理想处理的情况下，才不会丢失信息，但是也不能增加信息。 信息不增原理是信息处理的一个基本规律。 信息处理的目的是突出有用信息，提高信息的可利用性 。,5.1信息处理原理,提高信息使用有效性的信息处理方法：主要指根据信宿的性质和特点，通过过滤、预测、信源编码和变换等方法，在一定程度上压缩频带、压缩动态范围、压缩数据率。它们以在允许一定失真条件下的信息率失真理论为基础。 提高抗干扰性的信息处理方法：主要指针对干扰的性质和特点，对载荷信息的信号进行适当的变换和设计。例如

3、通过过滤和综合来消除画面的条纹干扰或孤立斑点；通过适当的设计使信号具有较强的相关性来抑制随机噪声的干扰；通过对信号附加适当的剩余，使信号具有发现和纠正错误的能力等。,5.1信息处理原理,改善主观感觉效果的信息处理技术： 主要应用在图像处理方面。例如通过灰度变换和修正，通过频率成分的加重和调整来改善图像的质量；为了便于观察图像各个部分的差别，把灰度差转换为色彩差，形成假彩色图等。此外，广播中的立体声处理也是改善主观感觉效果的信息处理技术。,5.1信息处理原理,识别和分类的信息处理技术：这种方法的要点是：首先合理地抽取模式的特征，然后根据一定的准则来对模式进行识别和分类。 具体实现的方法主要有两类

4、：基于模式的统计特征和统计判决理论的统计识别方法；基于模式结构特征和文法推理的文法识别方法。（1）统计识别方法要求先抽取模式的特征，得到原始的特征空间，然后把它变换到低维空间，并根据一定的准则（如最小均方误差准则）对它进行分类。（2）文法识别方法要求先选取模式的元素（即结构特性），然后进行文法分析和推断，通过模板匹配的方法，按照相似度准则来识别模式。,5.1信息处理原理,选择与分离的信息处理技术：主要指从内容随时间出现增减变动的数据集中有选择地提取信息。如在多数人交谈的环境中，只选取一个人的讲话，这需要有发话者的语音识别器。又例如在场景识别中，为了从背景中将活动物体图像分离出来，可以仿照蛙眼识

5、别活动目标的原理，通过侧抑制方法来实现。,5.2信号处理技术领域,5.2.1数字信号处理 广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调、谱分析、估计、压缩、识别及其快速算法的一门技术学科。 数字信号处理的应用领域十分广泛。就所获取信号的来源而言，有：通信信号处理，雷达信号处理，遥感信号处理，控制信号处理，生物医学信号处理，地球物理信号处理，振动信号处理等。 若以所处理信号的特点来讲，又可分为语音信号处理，图像信号处理，一维信号处理和多维信号处理等。,5.2信号处理技术领域,1965年J.W. J.W.Tuky和T.W.Cooly首先提出离散傅里叶变换的快速

6、算法，简称快速傅里叶变换，记为FFT。 FFT使数字信号处理的实现成为可能。快速傅里叶变换还可用来进行一系列有关的快速运算，如相关、褶积、功率谱等运算。快速傅里叶变换可做成专用设备，也可以通过软件实现。与快速傅里叶变换相似的还有沃尔什变换（WT）、离散余弦变换（DCT）、小波变换等也有其快速算法。,5.2信号处理技术领域,数字滤波器可分为有限冲激响应（FIR）型和无限冲激响应（IIR）型两类，可用硬件和/或软件两种方式实现。 在硬件实现方式中，它由加法器、乘法器等单元所组成，这与电阻器、电感器和电容器所构成的模拟滤波器完全不同。 数字信号处理系统很容易用数字集成电路制成，显示出体积小、稳定性高

7、、可程控等优点。 数字滤波器软件实现方法是借助于数字计算机按滤波器的设计算法编出程序进行数字滤波计算。,5.2信号处理技术领域,谱分析是在频域中描述信号特性的一种分析方法，不仅可用于确定性信号，也可用于随机性信号。 确定性信号可用既定的时间函数来表示，它在任何时刻的值是确定的；随机信号则不具有这样的特性，它在某一时刻的值是随机的。 随机信号处理只能根据随机过程理论，利用统计方法进行分析，如经常利用均值、均方值、方差、相关函数、功率谱密度函数等统计量来描述随机过程的特征或随机信号的特性。 相关函数的傅里叶变换就是随机信号的功率谱密度函数，一般简称为功率谱。,5.2信号处理技术领域,5.2.2语音

8、信号处理与图像信号处理 语音信号处理是信号处理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：语音识别、语言理解、语音合成、语音增强、语音数据压缩等。 语音识别是将待识别的语音信号的特征参数提取出来，与已知的语音样本进行匹配，从而判定出待识别语音信号的音素属性。 语音理解是人和计算机用自然语言对话的理论和技术基础。 语音合成的主要目的是使计算机能够讲话。为此，首先需要研究清楚在发音时语音特征参数随时间的变化规律，然后利用适当的方法模拟发音的过程合成出语音。 语音信号处理是发展智能计算机和智能机器人的基础。,5.2信号处理技术领域,语音信号处理技术主要研究语音信号特性及语音产生模型、语音信号分析技术、汉语

9、语言学、听觉特性、语音信号同态处理、语音信号线性预测分析、语音信号波形编码、语音信号参数编码、语音信号混合编码、语音信号矢量量化编码、语音合成、基于隐马尔科夫模型的语音识别方法等内容。,5.2信号处理技术领域,图像信号处理的应用已渗透到各个科学技术领域。譬如可用于研究粒子的运动轨迹、生物细胞的结构、地貌的状态、气象云图的分析、宇宙星体的构成等。 在图像处理的实际应用中，获得较大成果的有遥感图像处理技术、断层成像技术、计算机视觉技术和景物分析技术等。 根据图像信号处理的应用特点，处理技术大体可分为图像增强、恢复、分割、识别、编码和重建等几个方面。,5.2信号处理技术领域,一般来讲，图像处理的主要

10、目的有三个方面: （1）提高图像的视感质量，如进行图像的亮度、彩色变换、增强、抑制某些成分,对图像进行几何变换等。 （2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，这些被提取的特征或信息往往为计算机分析图像提供便利。提取的特征可以包括很多方面，如频域特征、灰度或颜色特征、边界特征、区域特征、纹理特征、形状特征、拓扑特征和结构关系等。 （3）利于图像的存储和传输的各种图像变换、编码和数据压缩。,5.2信号处理技术领域,数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面： （1） 图像变换：利用傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等技术把图像转换到频域。在频域图像的频谱具有与空间域不同的特性，可获得有效的处理效

11、果。小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中也有着广泛而有效的应用。 （2）图像编码压缩技术：可节省图像传输、处理时间，压缩图像数据量。压缩可以在不失真的前提下实现，也可以在允许的失真条件下进行。编码是压缩技术中最重要的方法，它是图像处理技术中发展最早且比较成熟的技术。,5.2信号处理技术领域,（3）图像增强和复原的目的是为提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。图像增强：不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分，如强化图像高频分量可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；强化低频分量可减少图像中噪声影响。图像复原：对图像降质原因有一定的了解，根据降质过程建立“降质模

12、型”，采用滤波方法恢复或重建原始图像。（4）图像分割是将图像中有意义的特征，如图像中的边缘、区域等特征部分提取出来，是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。,5.2信号处理技术领域,（5）图像描述是图像识别和理解的必要前提。对最简单的二值图像可采用几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法有边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描述。目前已经开始对三维物体描述进行研究，提出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。 （6）图像分类与识别属于模式识别的范畴，主要内容是图像经过某些预处理（增强、复原、压缩）后，进行图像分割和特征提取，最后进行判决分类。图像分类常采用经典

13、的模式识别方法，有统计模式分类和句法（结构）模式分类两类方法，近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式识别方法越来越受到重视。,5.2信号处理技术领域,5.2.3振动信号的分析与处理 机械振动信号的分析与处理技术已应用于汽车、飞机、船只、机械设备、房屋建筑、水坝设计等方面的研究和生产过程中。 振动信号处理的基本原理是在测试体上加一激振力做为输入信号。在测量点上监测输出信号。输出信号与输入信号之比称为由测试体所构成的系统的传递函数。根据得到的传递函数进行所谓模态参数识别，从而计算出系统的模态刚度、模态阻尼等主要参数，建立系统的数学模型。进而可以做出结构的动态优化设计。这种分析和处理方法一

14、般称为模态分析。,5.2信号处理技术领域,5.2.4地球物理信号处理 地球物理信号处理广泛的应用于勘探地下深处石油和天然气的储藏问题，通过采用地震勘探方法来探测地层结构和岩性。 基本原理是在一选定的地点施加人为的激震，如用爆炸方法产生一振动波向地下传播，遇到地层分界面即产生反射波，在距离振源一定远的地方放置一列感受器接收到达地面的反射波。从反射波的延迟时间和强度来判断地层的深度和结构。感受器所接收到的地震记录是比较复杂的，需要处理才能进行地质解释。,5.2信号处理技术领域,5.2.5生物医学信号处理 生物医学信号处理主要是用来辅助生物医学基础理论的研究和用于诊断检查。例如，用于细胞学、脑神经学

15、、心血管学、遗传学等方面的基础理论研究。人的脑神经系统由约 100亿个神经细胞所组成，是一个十分复杂而庞大的信息处理系统。在这个处理系统中，信息的传输与处理是并列进行的，并具有特殊的功能，即使系统的某一部分发生障碍，其他部分仍能工作，这是计算机所做不到的。因此关于人脑的信息处理模型的研究就成为基础理论研究的重要课题。此外，神经细胞模型的研究、染色体功能的研究等等也都可借助于信号处理的原理和技术来进行。,5.2信号处理技术领域,信号处理用于诊断检查较为成功的实例，有脑电或心电的自动分析系统、断层成像技术等。断层成像技术是诊断学领域中的重大发明。X射线断层的基本原理是X射线穿过被观测物体后构成物体

16、的二维投影。接收器接收后，再经过恢复或重建，即可在一系列的不同方位计算出二维投影，经过运算处理即取得实体的断层信息，从而得到断层影像。信号处理在生物医学方面的应用正处于迅速发展阶段。,5.2信号处理技术领域,5.2.6音频信号 音频信号（Audio）是带有语音、音乐和音效的有规律声波。根据声波的特征，可把音频信息分类为规则音频和不规则声音。其中规则音频又可以分为语音、音乐和音效。 规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。声波的三个要素是音调、音强和音色。声波或正弦波有三个重要参数：频率 0、幅度An 和相位n ，这也就决定了音频信号的特征。 音频信号有基频与音调、谐波与音色、幅度与音强、音宽与频带四个特征。,5.2信号处理技术领域,基频与音调：频率是指信号每秒钟变化的次数。人对声音频率的感觉表现为音调的高低，在音乐中称为音高。音调由频率决定。音乐中音阶的划分是在频率的对数坐标（20log）上取等分而得的。 谐波与音色：n0 称为0 的高次谐波分量，又称为泛音。音色是由混入基音的泛音所决定的，高次谐波越丰富，音色就越有明亮感和穿透力。不同的谐波具有不同的幅值An和相位偏移n，由此产生各种音色效果。,