信息工程概論課件 第十三講 信息處理

第13講信息處理13.1概述信號與信息信號是用來表示信息的形式和用來攜載信息的載體。信號和信息的關(guān)系，是形式和內(nèi)容的關(guān)系。正因為如此，對信息的處理往往需要通過對信號的處理來實現(xiàn)。在各種信號形式之中，電信號容易產(chǎn)生、存儲、處理、變換、傳輸、控制與顯示，因此最常用來表示信息。信息處理的兩種層次：一是通過對信號進行處理達到對信息本身進行處理的目的，一是僅僅對信號進行處理。前者是深層的處理，觸及信息本身，是真正意義的“信息處理”，后者是淺層處理，只改變信號而（原則上）不會影響信息本身，因此稱為“信號處理”。2信息科學(xué)導(dǎo)論13.1概述信號處理的概念信號的特性可從兩方面來描述，即時域特性與頻域特性。信號的時域特性指的是信號隨時間而變化的形式，出現(xiàn)時間的先后，持續(xù)時間的長短，隨時間變化的快慢和大小，重復(fù)周期的大小等。頻域特性則指它的頻率結(jié)構(gòu)：頻譜的寬度，各個頻率成分的強度分布等。信號處理可分為模擬信號處理（ASP）和數(shù)字信號處理（DSP）。由于數(shù)字技術(shù)的靈活性和高穩(wěn)健性以及超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP已成為信號處理的主要發(fā)展方向。3信息科學(xué)導(dǎo)論13.1概述信號處理的概念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加工的過程。常見的信號處理包括以下幾個方面：（1）信號純化：去除信號中冗余的和次要的成分，包括噪聲，也就是提高信噪比。（2）特征抽?。喊研盘柕谋碚餍蕴卣魈崛〕鰜?。（3）編碼解碼：把信號變成適于傳輸、交換與存儲的形式（編碼），或從編碼信號中恢復(fù)出原始信號（解碼）。4信息科學(xué)導(dǎo)論13.1概述信息處理的概念信息處理由淺入深大致可以分為四類。(1)簡單的數(shù)據(jù)處理。處理這類信息包括過濾掉信息中的干擾成分，找出信息中的主要成分，或挑選表示主題的重要的語句。(2)是對信息進行分析、概括和綜合，目的是可以產(chǎn)生出能夠輔助決策的有用信息。(3)是通過應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過復(fù)雜的計算和推理之后，產(chǎn)生出決策信息。常用的數(shù)學(xué)模型有預(yù)測模型、決策模型和模擬模型。(4)使用智能理論和技術(shù)。使系統(tǒng)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”懂人的語言。使它能像人一樣，用語言輸出信息，表達信息。最終使系統(tǒng)能像人的大腦一樣會思考問題，，會學(xué)習(xí)新的知識，適應(yīng)外界環(huán)境的變化，等等。5信息科學(xué)導(dǎo)論13.1概述信號處理與信息處理的區(qū)別與聯(lián)系信號處理著重在對作為信息載體的信號（而不是信息本身）在時間和頻率域等方面進行的加工過程，其主要目的是增強信號中的感興趣部分或削弱信號中的其它部分。信息處理通常是指對獲取的信息本身進行處理，使其更便于應(yīng)用。信號處理主要觸及信息的載體和外表–信號，信息處理則不僅觸及信號，更重要的是要觸及信息本身。（1）信號處理側(cè)重于波形上采集，降噪，放大或降低，增強，分離等處理。（2）信息處理側(cè)重對內(nèi)容的理解，如對音樂的理解與欣賞方面。6信息科學(xué)導(dǎo)論13.1概述常規(guī)信息處理與智能信息處理的區(qū)別與聯(lián)系常規(guī)信息處理主要指前述的信號處理和淺層信息處理。智能信息處理則是深層信息處理，主要包括識別、分類、融合、推理、理解等，比較強調(diào)處理的目的是從信號中獲取新的信息和知識。用信息科學(xué)的專門術(shù)語來說，淺層信息處理只涉及“語法信息（形式）”，深層信息處理（智能信息處理）則還要涉及“語義信息”（內(nèi)容）和“語用信息”（價值）。7信息科學(xué)導(dǎo)論13.1概述

常規(guī)信息處理與智能信息處理的區(qū)別與聯(lián)系信號與信息，信號處理與信息處理的概念在不斷發(fā)展，其邊界和區(qū)分越來越模糊?？梢愿爬槿缦吕斫猓海?）把信號處理與信息處理看成兩種完全獨立的過程，這種概念有片面性：信號是信息的外殼，信息是信號的內(nèi)核，不可截然分割。（2）信息蘊涵在信號之中，對信號處理必然對其信息進行了處理。這種看法有些絕對，因為淺層的處理是對信號的處理，不一定會觸及信息本身。（3）廣義的信息處理概念，把與信號和信息的處理劃分為常規(guī)信息處理和智能信息處理兩大類。（4）信號與信息融合一體的概念，“信號與信息處理”的概念則是把信號與信息看成整體，不予區(qū)分。即處理是對信號與信息同時進行的，不予分離。這種處理過于籠統(tǒng)。8信息科學(xué)導(dǎo)論13.1概述信息處理無處不在9信息科學(xué)導(dǎo)論13.2常規(guī)信息處理1、常規(guī)信息處理的發(fā)展常規(guī)信息處理經(jīng)歷了模擬信號處理、簡單數(shù)字信號處理、可編程數(shù)字信號處理、VLSI與并行處理等發(fā)展歷程，現(xiàn)在正在向綜合智能信息處理方向發(fā)展。2、模擬信號處理模擬信號處理的發(fā)展可追溯到上世紀20年代。模擬信號處理主要包括:濾波、延時、存貯、有源或無源網(wǎng)絡(luò)運算。20世紀60～70年代，模擬信號處理的發(fā)展達到了它的成熟期。3、數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并進行處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號處理的算法需要利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備如DSP和ASIC等。10信息科學(xué)導(dǎo)論13.2常規(guī)信息處理11信息科學(xué)導(dǎo)論13.2常規(guī)信息處理常規(guī)信息處理主要內(nèi)容與方法1、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）2、信號變換使用的主要數(shù)學(xué)工具是Fourier變換。近來，發(fā)展了時間－頻率聯(lián)合分析的方法，如小波變換。信號在時間域-空間域-頻率域的耦合關(guān)系

12信息科學(xué)導(dǎo)論13.2常規(guī)信息處理3、信號濾波這里濾波的對象并非數(shù)據(jù)本身，而是混入的已知類型噪聲。比如，待測信號中很容易混入50Hz工頻電源干擾，可采用特殊的點阻數(shù)字濾波器（陷波器）濾除它。13信息科學(xué)導(dǎo)論13.2常規(guī)信息處理4、信號的譜分析譜是指信號的某些特征隨頻率的分布，如幅度譜、相位譜、能量譜功率譜。5、特征提取特征提取就是利用已有特征參數(shù)構(gòu)造一個較低維數(shù)的特征空間，將原始特征中蘊含的有用信息映射到少數(shù)幾個特征上，忽略多余的不相干成分。從數(shù)學(xué)意義上講，特征提取就是對一個向量進行降維，變換為低維向量，后者確實含有原高維向量的主要特性。6、信號檢測與估值信號檢測的目的是要在噪聲背景下發(fā)現(xiàn)是否有某種信息存在（回答“有或無”的問題）；信號估計是在信號檢測的基礎(chǔ)上估計所發(fā)現(xiàn)的信息的參數(shù)類型（回答“屬于何種類型”的問題）。14信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理智能信息處理的概念智能信息處理就是模擬人或者自然界其他生物處理信息的機理而建立的處理復(fù)雜系統(tǒng)信息的理論和技術(shù)，因此也稱為“人工智能”。1、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和符號邏輯的兩種基本智能信息處理途徑在符號邏輯智能系統(tǒng)中，它們具有模仿人的邏輯思維的功能，通過邏輯符號處理系統(tǒng)的推理規(guī)則來實現(xiàn)自動診斷、問題求解以及專家系統(tǒng)的智能。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息處理具有非線性，大規(guī)模，分布式和可學(xué)習(xí)等特點。15信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理例如有報道稱，已經(jīng)研制出一種能辨認人的面孔的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)新型智能機器或神經(jīng)計算機，只要讓它看一下某人或他的照片，就能記住描述此人面貌的256個數(shù)字參數(shù)，在人群中就能認出這個人。這種神經(jīng)計算機是由許多神經(jīng)元組成的，可以記住達500人的信息，思考辨認時間在數(shù)秒之內(nèi)。美國HNC公司研制出的神經(jīng)計算機，其性能遠超過目前國際上巨型超級計算機，而且具有體積小、魯棒性高等特點。智能信息處理是在常規(guī)信息處理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它們之間最大的區(qū)別是在信號獲取和處理方法上的區(qū)別。常規(guī)的信息處理主要是對信號進行獲取、傳輸及處理。它們處理是信號和信息本身。而智能信息處理是將獲取的信息進行學(xué)習(xí)和理解（稱為“認知”），最終轉(zhuǎn)化為知識，再根據(jù)知識得到處理的智能策略。16信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理2、綜合智能信息處理系統(tǒng)人腦信息處理主要是中央神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)共同分工合作完成的?；谶@樣的事實，提出了綜合智能信息處理系統(tǒng)。綜合智能信息處理系統(tǒng)框圖17信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理3、網(wǎng)絡(luò)化智能信息處理二十世紀中葉以后，由于知識在人類文明中所起的作用越來越大，不僅是哲學(xué)家、邏輯學(xué)家和心理學(xué)家，而且計算機科學(xué)家也在認真地研究知識的一般特性與規(guī)律。這是因為人類已經(jīng)進入了信息化社會，而且正在向知識化社會前進。當前分布式計算網(wǎng)絡(luò)與大型數(shù)據(jù)庫的廣泛使用，使決策者與經(jīng)營者面臨巨量的數(shù)據(jù)而無所適從，用智能信息處理方法解決這一問題是當今信息社會的重要手段。人類對知識的掌握很大程度上體現(xiàn)為這些汪洋大海般的知識是能夠通過智能化的信息網(wǎng)絡(luò)操作和使用的?？茖W(xué)家的任務(wù)是要研究處理各種復(fù)雜知識的理論與方法。動態(tài)的計算機互連網(wǎng)絡(luò)以及發(fā)展中的信息網(wǎng)格為這種大規(guī)模的信息處理即網(wǎng)絡(luò)化的智能信息處理系統(tǒng)的出現(xiàn)提供機會。18信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理智能信息處理的理論與方法1、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2、符號邏輯智能人工智能(ArtificialIntelligence)是相對人的自然智能而言，即用人工的方法和技術(shù)，模仿、延伸和擴展人的智能。傳統(tǒng)的人工智能是基于數(shù)字計算機符號邏輯推理發(fā)展起來的。人工智能不單單需要邏輯思維與模仿，科學(xué)家們對人類大腦和神經(jīng)系統(tǒng)研究表明：情感是智能的一部分。因此人工智能領(lǐng)域的下一個突破可能不僅在于賦予計算機更多的邏輯推理能力，而且還要賦予它情感能力。19信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理3、模糊邏輯4、計算智能與進化計算20世紀60年代以來，如何模仿生物來建立功能強大的算法，進而將它們運用于復(fù)雜的優(yōu)化問題，成為一個研究熱點。遺傳算法是模仿生物遺傳學(xué)和自然選擇機理，通過人工方式構(gòu)造的一類優(yōu)化搜索算法。進化策略是一類模仿自然進化原理以求解參數(shù)優(yōu)化問題的算法。進化規(guī)劃根據(jù)正確預(yù)測的符號數(shù)來度量適應(yīng)值。通過變異，為父代群體中的每個機器狀態(tài)產(chǎn)生一個子代。父代和子代中最好的部分被選擇生存下來。人工生命(ArtificialLife，ALife)旨在用計算機和精密機械等人工媒體生成或構(gòu)造出能夠表現(xiàn)自然生命系統(tǒng)行為特征的仿真系統(tǒng)或模型系統(tǒng)。20信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理5、知識發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘知識發(fā)現(xiàn)是從大量數(shù)據(jù)中辨識出有效的、新穎的、潛在有用的、并可被理解的模式的高級處理過程。知識發(fā)現(xiàn)的主要任務(wù)有：（1）數(shù)據(jù)總結(jié)：對數(shù)據(jù)進行總結(jié)與概括。（2）分類：根據(jù)分類模型對數(shù)據(jù)集合分類。屬于有導(dǎo)師學(xué)習(xí)。（3）聚類：根據(jù)數(shù)據(jù)的不同特征，將其劃分為不同的類。屬于無導(dǎo)師學(xué)習(xí)。（4）相關(guān)性分析：發(fā)現(xiàn)特征之間或數(shù)據(jù)之間的依賴關(guān)系，發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)規(guī)則。（5）偏差分析：尋找觀察結(jié)果與參照量之間有意義的差別。通過發(fā)現(xiàn)異常，引起人們對特殊情況的加倍注意。（6）建模：構(gòu)造描述一種活動或狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)據(jù)挖掘是通過綜合運用統(tǒng)計學(xué)、粗糙集、模糊數(shù)學(xué)、機器學(xué)習(xí)和專家系統(tǒng)等多種學(xué)習(xí)手段和方法，從大量的數(shù)據(jù)中提煉出抽象的知識。21信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理智能信息處理的應(yīng)用1、智能機器（1）智能計算機智能計算機是要試圖打破馮·諾依曼式計算機的存儲程序式的框架，實現(xiàn)類似人腦結(jié)構(gòu)的計算機體系結(jié)構(gòu)，以期獲得自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)、分布式的并行計算的功能。（2）智能機器人機器人是一種能模擬人的行為的機械，對它的研究經(jīng)歷了三代的發(fā)展過程。第三代（智能）機器人：智能機器人具有類似于人的智能，它裝備了高靈敏度的傳感器，因而具有超過一般人的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺的能力，能對感知的信息進行分析，控制自己的行為，處理環(huán)境發(fā)生的變化，完成交給的各種復(fù)雜、困難的任務(wù)。而且有自我學(xué)習(xí)、歸納、總結(jié)、提高掌握知識的能力。22信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理2、智能識別（1）文字識別在文字識別方面，已經(jīng)開發(fā)出了較高水平的光學(xué)字符閱讀器（OCR）技術(shù)、筆輸入技術(shù)和筆跡鑒別技術(shù)。稱為脫機文字識別。筆輸入系統(tǒng)是通過專用的書寫板和筆輸入文字，由于一邊寫一邊識別，也稱為聯(lián)機文字識別。（2）語音識別語音識別首先分特定人識別和非特定人識別。目前，小詞匯量特定人語音識別技術(shù)已經(jīng)達到較高的實用化水平，典型的應(yīng)用是手機人名聲控撥號系統(tǒng)。（3）圖像識別圖像識別，可以看作視覺信息的智能處理。在圖像識別中，將當前的圖像經(jīng)過預(yù)處理、分割、描述、特征提取，進而加以判別分類或決策。如從遙感圖像中分辨出各種農(nóng)作物、森林資源、礦產(chǎn)資源等。23信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理3、智能信息檢索（1）網(wǎng)絡(luò)信息智能搜索搜索引擎對網(wǎng)絡(luò)信息進行分類、索引和摘要。早期搜索引擎的上述工作是靠信息發(fā)布者人工完成的。自動搜索引擎通過專門設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)程序自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上新出現(xiàn)的信息，并對其進行自動分類、自動索引和自動摘要。由于自動搜索引擎的關(guān)鍵技術(shù)帶有明顯的智能特征，因此也被稱為智能搜索引擎。（2）多媒體信息檢索多媒體信息檢索是根據(jù)用戶的要求，對圖形、圖像、文本、聲音、動畫等多媒體信息進行檢索，得到用戶所需的信息。多媒體信息檢索既能檢索以文本信息為代表的離散媒體，也能對以圖像、聲音等為代表的連續(xù)媒體的內(nèi)容進行檢索。24信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理4、智能信息交互（1）自然語言理解自然語言理解是指用計算機自動處理和理解自然語言。（2）機器翻譯機器翻譯是指用計算機自動實現(xiàn)不同語言之間的轉(zhuǎn)換。（3）語音合成通過文語轉(zhuǎn)換技術(shù)可以讓計算機朗讀文章，這一技術(shù)有兩個關(guān)鍵性能，一是正確，二是自然。（4）虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實利用計算機生成一種模擬環(huán)境（如飛機駕駛艙、操作現(xiàn)場等），通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中。以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為代表的新型人機交互技術(shù)旨在探索自然和諧的人機關(guān)系。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下四個重要特征：多感知性、沉浸感、交互性和自主性。25信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理5、智能控制與決策（1）智能控制技術(shù)智能控制技術(shù)主要用來解決那些用傳統(tǒng)的方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，如智能機器人系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)、復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)、航天航空控制系統(tǒng)、社會經(jīng)濟管理系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、環(huán)保與能源系統(tǒng)等。（2）智能決策（專家系統(tǒng)）在80年代以來專家系統(tǒng)在許多方面取得成功，將人工智能中特別是智能和知識處理技術(shù)應(yīng)用于決策支持系統(tǒng)，擴大了決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，提高了系統(tǒng)解決問題的能力，這就成為智能決策支持系統(tǒng)。26信息科學(xué)導(dǎo)論13.3智能信息處理6、智能網(wǎng)技術(shù)（1）智能通信技術(shù)智能通信技術(shù)主要體現(xiàn)在智能（通信）網(wǎng)技術(shù)、智能化網(wǎng)絡(luò)管理與控制技術(shù)、智能信息網(wǎng)絡(luò)等方面。（2）智能（通信）網(wǎng)技術(shù)智能（通信）網(wǎng)技術(shù)的目標是為快速、靈活、經(jīng)濟地生成通信新業(yè)務(wù)提供標準體系結(jié)構(gòu)。智能（通信）網(wǎng)首先在于它的體系結(jié)構(gòu)是智能化的，因為它可以提供開放的、分布的、靈活的、經(jīng)濟的、獨立于具體業(yè)務(wù)的智能業(yè)務(wù)生成平臺。（3）智能信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能信息網(wǎng)絡(luò)不僅要求電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、有線電視網(wǎng)三者有效融合，成為高速多媒體網(wǎng)絡(luò)，也不僅要求融合之后的網(wǎng)絡(luò)具有更合理的體系結(jié)構(gòu)，更重要的是要求融合之后的網(wǎng)絡(luò)能夠支持各種智能服務(wù)，能夠有效地支持智能化的工業(yè)活動、智能化的農(nóng)業(yè)活動、智能化的科學(xué)與教育活動、智能化的社會服務(wù)活動等等。27信息科學(xué)導(dǎo)論13.4信息處理的發(fā)展趨勢迄今，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)