Elecfans工程師故事：我眼中的信號(hào)與信息處理

電子發(fā)燒友網(wǎng)12月“處理器與DSP特刊”火熱下載中，缺你怎可！

　　本文作者maxfiner結(jié)合個(gè)人專(zhuān)業(yè)寫(xiě)的一篇文章《我眼中的信號(hào)與信息處理》，結(jié)合他的項(xiàng)目經(jīng)歷、感悟?qū)懙囊黄行?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/858/" target="_blank">科普性質(zhì)的小文。鑒此，作者投稿電子發(fā)燒友網(wǎng)，欲與其廣大電子發(fā)燒友網(wǎng)工程師網(wǎng)友分享其心得體會(huì)，故撰此文，以饗網(wǎng)友。在此，也歡迎更多工程師網(wǎng)友分享更多工程師故事，在溝通與交流中不斷磨礪進(jìn)步。下一次，期待聽(tīng)到您的聲音...【投稿郵箱：moyanfen@elecfans.com】

　　信號(hào)處理，準(zhǔn)確的說(shuō)，數(shù)字信號(hào)處理（DSP），或更廣泛地說(shuō)，信號(hào)與信息處理，屬于電子信息工程專(zhuān)業(yè)中的一大研究領(lǐng)域。

　　提及電子工程，直觀感覺(jué)好像是電子器件，電路，電氣設(shè)備等等，其實(shí)其內(nèi)涵已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，它往往會(huì)囊括通信、計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、導(dǎo)航、電機(jī)、電力、控制、測(cè)量?jī)x表等等領(lǐng)域，可謂博大精深。也是當(dāng)今世界的幾個(gè)主要產(chǎn)業(yè)之一（能源汽車(chē)電子鋼鐵農(nóng)業(yè)等）。

　　而信號(hào)與信息處理學(xué)科又可以認(rèn)為是一個(gè)交叉學(xué)科，往往與通信、控制、計(jì)算機(jī)等學(xué)科緊密關(guān)聯(lián)。所以我們常?？梢钥吹剑芏嘤?jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的研究人員會(huì)搞些圖像處理的東西。信號(hào)處理的研究人員會(huì)搞些通信方面的東西，通信方向的研究人員又會(huì)搞些計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的東西。因?yàn)檫@幾者之間都是互通互聯(lián)的，不存在嚴(yán)格的區(qū)分。

　　那么信號(hào)與信息處理具體又都主要研究哪些內(nèi)容呢？根據(jù)我目前的粗淺的理解，可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的劃分來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

　　劃分方式有多種，從研究方向上，可劃分為基本的數(shù)字信號(hào)處理，陣列信號(hào)處理，多維信號(hào)處理，小波信號(hào)分析，多抽樣率信號(hào)處理，自適應(yīng)信號(hào)處理，統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理（或者叫信號(hào)的檢測(cè)與估值，或者叫噪聲中信號(hào)的檢測(cè)），功率譜估計(jì)等大方向，從應(yīng)用領(lǐng)域上，可劃分為通信信號(hào)處理，雷達(dá)信號(hào)處理，聲音/語(yǔ)音信號(hào)處理，圖像（醫(yī)學(xué)影像）信號(hào)處理，地震信號(hào)處理等等。

　　信號(hào)與信息處理的應(yīng)用領(lǐng)域是相當(dāng)廣泛的，稍舉數(shù)例。

　　第一例，通信信號(hào)處理的廣泛應(yīng)用。與我們每個(gè)個(gè)體接觸最多的就是移動(dòng)電話了，即手機(jī)。小小手機(jī)，猶如麻雀五臟俱全，其通信過(guò)程中包含了豐富的信號(hào)處理過(guò)程，如信號(hào)的變換，調(diào)制，信號(hào)的檢測(cè)，信號(hào)參數(shù)的估計(jì)和獲取，接收機(jī)的頻偏估計(jì)、信道估計(jì)、信息的采集、恢復(fù)、壓縮編碼等等。又比如衛(wèi)星通信，深空通信，都屬于是噪聲中的微弱信號(hào)檢測(cè)，上面提到的統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理，或者叫信號(hào)檢測(cè)與估值，在深空通信中大有用武之地。又比如導(dǎo)航，本質(zhì)也是通信，只不過(guò)通信的目的不再是語(yǔ)音通話，而是定位。通信的發(fā)展已經(jīng)到達(dá)這樣一個(gè)地步，位于巴基斯坦的美國(guó)特種部隊(duì)襲殺本拉登的全部過(guò)程可以實(shí)時(shí)的傳送給美國(guó)白宮，供奧巴馬總統(tǒng)和五角大樓高級(jí)將領(lǐng)實(shí)時(shí)觀看。這在以前是不可想象的。

　　第二例，數(shù)字圖像處理的廣泛應(yīng)用。日常應(yīng)用中，最常見(jiàn)的就是數(shù)碼相機(jī)了，自從數(shù)碼相機(jī)誕生之日起，因其易用性不斷迅猛發(fā)展，以至于到目前為止，已經(jīng)將傳統(tǒng)的膠片相機(jī)完全擠出了日常消費(fèi)市場(chǎng)，并同時(shí)不斷進(jìn)攻和蠶食膠片攝影的高端攝影領(lǐng)域，單反的日益普及就是一個(gè)明證。近日百年老店柯達(dá)的結(jié)果也是一個(gè)明證。這也從一個(gè)側(cè)面也反映了數(shù)字信號(hào)處理之強(qiáng)大。數(shù)碼相機(jī)的圖像處理過(guò)程同樣包含了豐富的信號(hào)處理。準(zhǔn)確的說(shuō)，是數(shù)字圖像處理。圖像的信號(hào)采集、變換，比如圖像的壓縮編碼處理（JPEG用到DCT），圖像大小的變換，白平衡、色彩的調(diào)整等等。所有這些都通過(guò)數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行處理，也即數(shù)字圖像處理。又比如數(shù)字電視，安全領(lǐng)域的視頻監(jiān)控，涉及到了動(dòng)態(tài)圖像的捕獲，壓縮編碼處理，傳輸和檢測(cè)、提取、跟蹤等等，暢想一下，當(dāng)代WLAN日趨成熟，基于數(shù)字圖像處理可開(kāi)發(fā)一套智能視頻檢測(cè)算法，組裝成一個(gè)視頻監(jiān)控和存儲(chǔ)記錄裝置，放到家中，只要小偷一進(jìn)屋，智能檢測(cè)算法立即識(shí)別并啟動(dòng)攝像頭進(jìn)行視頻錄取，記錄小偷的相貌身形等特征，同時(shí)通過(guò)WLAN傳送至另一個(gè)隱藏的視頻存儲(chǔ)裝置，即使小偷發(fā)現(xiàn)了明面上的攝像頭，但是要找到視頻記錄裝置是較困難的。再舉一例，美國(guó)著名的戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈，就利用了圖像匹配算法，將實(shí)時(shí)攝取的當(dāng)前地形照片與預(yù)先存儲(chǔ)好的地形照片進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配，從而確定導(dǎo)彈的當(dāng)前位置，控制導(dǎo)彈的前進(jìn)方向。

　　信號(hào)與信息處理在圖像和視頻領(lǐng)域極為突出的一個(gè)方向即圖像信息的壓縮。因?yàn)橄鄬?duì)于語(yǔ)音信號(hào)，圖像/視頻信號(hào)的容量顯得更為龐大，這對(duì)圖像/視頻信號(hào)的傳輸也好，還是存儲(chǔ)處理也好，都構(gòu)成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)?；谝环鶊D像的相鄰區(qū)域的相關(guān)性冗余，或者基于視頻圖像相鄰幀的相關(guān)冗余，可以對(duì)圖像/視頻進(jìn)行大幅度的壓縮。比如，類(lèi)似傅立葉變換，基于DCT（離散余弦變換）和霍夫曼編碼技術(shù)，人們制定了JPEG的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)?；贒WT（離散小波變換），制定了JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

　　第三例，醫(yī)學(xué)影像處理。本質(zhì)上也屬于數(shù)字圖像處理，但由于在醫(yī)學(xué)上的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)形成了一個(gè)極為重要的圖像處理分支。比如IEEE會(huì)刊，除了ImageProcessing之外，還有MedicalImaging，由此可見(jiàn)一斑。醫(yī)學(xué)影像處理極大的革新了醫(yī)療診斷和治療手段，比如基于圖像處理中的RADEON變換（基于多個(gè)角度的一維信息恢復(fù)人體截面的二維信息），制造出了能夠呈現(xiàn)高清晰度人體三維影像的計(jì)算機(jī)斷層掃描。相對(duì)傳統(tǒng)的模擬信號(hào)形式的X射線成像，清晰度大幅度提升。鑒于在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的革命性創(chuàng)新，發(fā)明人還因此獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

　　第四例，語(yǔ)音信號(hào)處理。語(yǔ)音在人際交流與溝通中，發(fā)揮著重要作用，以至于人們平時(shí)都已經(jīng)不大注意到了。信號(hào)處理在語(yǔ)音信號(hào)領(lǐng)域也可以大展拳腳。比如語(yǔ)音信號(hào)的壓縮，人的聲音基本分布在20-22000赫茲的范圍，因此要不失真的錄取人的聲音，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣率得達(dá)到44000赫茲，而這正是CD的數(shù)據(jù)速率。但是為了更有效的節(jié)省信道帶寬，基于AR參數(shù)模型等方法，可以將數(shù)據(jù)速率壓縮到3k-4k左右，而基本不令語(yǔ)音產(chǎn)生較大的失真。這樣就使得同樣的一個(gè)物理信道，可以同時(shí)容納更多的通話用戶，也即在不增加硬件成本的情況下，大大增加了通信的容量。比如語(yǔ)音識(shí)別，本質(zhì)上屬于模式識(shí)別，但由于語(yǔ)音的重要應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)展成為模式識(shí)別的一個(gè)分量很重的分支，而語(yǔ)音識(shí)別的一個(gè)重要工具和理論支撐就是隨機(jī)過(guò)程中的馬爾可夫過(guò)程。又比如語(yǔ)音/樂(lè)音合成，熟悉音樂(lè)的朋友應(yīng)該都知道日本的雅馬哈，其數(shù)字音樂(lè)合成技術(shù)令人驚嘆。