Elecfans工程師故事：我眼中的信號與信息處理 - 全文

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)合個人專業(yè)寫的一篇文章《我眼中的信號與信息處理》，結(jié)合他的項(xiàng)目經(jīng)歷、感悟?qū)懙囊黄行?a href="http://wenjunhu.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，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，期待聽到您的聲音...【投稿郵箱：moyanfen@elecfans.com】

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

　　提及電子工程，直觀感覺好像是電子器件，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，它往往會囊括通信、計算機(jī)、雷達(dá)、導(dǎo)航、電機(jī)、電力、控制、測量儀表等等領(lǐng)域，可謂博大精深。也是當(dāng)今世界的幾個主要產(chǎn)業(yè)之一（能源汽車電子鋼鐵農(nóng)業(yè)等）。

　　而信號與信息處理學(xué)科又可以認(rèn)為是一個交叉學(xué)科，往往與通信、控制、計算機(jī)等學(xué)科緊密關(guān)聯(lián)。所以我們常?？梢钥吹剑芏嘤嬎銠C(jī)專業(yè)的研究人員會搞些圖像處理的東西。信號處理的研究人員會搞些通信方面的東西，通信方向的研究人員又會搞些計算機(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，可以通過一個簡單的劃分來做一個簡單的介紹。

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

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

　　第一例，通信信號處理的廣泛應(yīng)用。與我們每個個體接觸最多的就是移動電話了，即手機(jī)。小小手機(jī)，猶如麻雀五臟俱全，其通信過程中包含了豐富的信號處理過程，如信號的變換，調(diào)制，信號的檢測，信號參數(shù)的估計和獲取，接收機(jī)的頻偏估計、信道估計、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檢測，上面提到的統(tǒng)計信號處理，或者叫信號檢測與估值，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，只不過通信的目的不再是語音通話，而是定位。通信的發(fā)展已經(jīng)到達(dá)這樣一個地步，位于巴基斯坦的美國特種部隊(duì)襲殺本拉登的全部過程可以實(shí)時的傳送給美國白宮，供奧巴馬總統(tǒng)和五角大樓高級將領(lǐng)實(shí)時觀看。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，并同時不斷進(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明證。近日百年老店柯達(dá)的結(jié)果也是一個明證。這也從一個側(cè)面也反映了數(shù)字信號處理之強(qiáng)大。數(shù)碼相機(jī)的圖像處理過程同樣包含了豐富的信號處理。準(zhǔn)確的說，是數(shù)字圖像處理。圖像的信號采集、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。所有這些都通過數(shù)字信號的形式進(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，涉及到了動態(tài)圖像的捕獲，壓縮編碼處理，傳輸和檢測、提取、跟蹤等等，暢想一下，當(dāng)代WLAN日趨成熟，基于數(shù)字圖像處理可開發(fā)一套智能視頻檢測算法，組裝成一個視頻監(jiān)控和存儲記錄裝置，放到家中，只要小偷一進(jìn)屋，智能檢測算法立即識別并啟動攝像頭進(jìn)行視頻錄取，記錄小偷的相貌身形等特征，同時通過WLAN傳送至另一個隱藏的視頻存儲裝置，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)時攝取的當(dāng)前地形照片與預(yù)先存儲好的地形照片進(jìn)行實(shí)時匹配，從而確定導(dǎo)彈的當(dāng)前位置，控制導(dǎo)彈的前進(jìn)方向。

　　信號與信息處理在圖像和視頻領(lǐng)域極為突出的一個方向即圖像信息的壓縮。因?yàn)橄鄬τ谡Z音信號，圖像/視頻信號的容量顯得更為龐大，這對圖像/視頻信號的傳輸也好，還是存儲處理也好，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，可以對圖像/視頻進(jìn)行大幅度的壓縮。比如，類似傅立葉變換，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)形成了一個極為重要的圖像處理分支。比如IEEE會刊，除了ImageProcessing之外，還有MedicalImaging，由此可見一斑。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算機(jī)斷層掃描。相對傳統(tǒng)的模擬信號形式的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。

　　第四例，語音信號處理。語音在人際交流與溝通中，發(fā)揮著重要作用，以至于人們平時都已經(jīng)不大注意到了。信號處理在語音信號領(lǐng)域也可以大展拳腳。比如語音信號的壓縮，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，而基本不令語音產(chǎn)生較大的失真。這樣就使得同樣的一個物理信道，可以同時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。比如語音識別，本質(zhì)上屬于模式識別，但由于語音的重要應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)展成為模式識別的一個分量很重的分支，而語音識別的一個重要工具和理論支撐就是隨機(jī)過程中的馬爾可夫過程。又比如語音/樂音合成，熟悉音樂的朋友應(yīng)該都知道日本的雅馬哈，其數(shù)字音樂合成技術(shù)令人驚嘆。

　　第五例，軍事應(yīng)用。就像上面提到的通信應(yīng)用一樣，軍事應(yīng)用也為信號處理提供了極為肥沃的土壤。信號處理在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)在是太廣泛了。我們完全也可以這么來說，是軍事領(lǐng)域的迅猛發(fā)展和強(qiáng)烈需求，極大促進(jìn)了的信號處理的研究和發(fā)展。比如二十世紀(jì)四十年代，受二戰(zhàn)的強(qiáng)烈刺激，控制論，信息論等理論應(yīng)孕而生，從而導(dǎo)致導(dǎo)彈、火箭、通信、雷達(dá)等領(lǐng)域的開創(chuàng)和發(fā)展。比如擴(kuò)頻通信首先就是在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，只是到了二十世紀(jì)八十年代，才開始進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，也就是WCDMA、CDMA2000、TDS等各種3G制式。在軍事應(yīng)用最為突出的一個領(lǐng)域就是雷達(dá)信號處理。諸如SAR（合成孔徑成像），脈沖多普勒雷達(dá)，功率譜估計，時頻聯(lián)合分析等等，都是信號處理應(yīng)用的集中體現(xiàn)。相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展離不開陣列信號處理的深入研究，同樣近年來火熱的MIMO也好，時空編碼也好，與相控陣?yán)走_(dá)的原理也有諸多相通之處，這些都是陣列信號處理大展拳腳的地方。

　　第六例，模式識別，更準(zhǔn)確的說，屬于信息處理的范疇。相對信號而言，是更高一層的處理。模式識別應(yīng)用相當(dāng)廣泛，如前面提到的語音識別，又比如人臉識別，指紋識別等等，工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域的各種識別檢測等等。換個思路，應(yīng)用到軍事領(lǐng)域，就是導(dǎo)彈的精確目標(biāo)識別和打擊（暢想一下，若是真正搞好了，估計也就不必荊軻刺秦王了，因此也是令人恐怖的一個方向。和各種科學(xué)技術(shù)一樣，關(guān)鍵還是取決于人類自身，就看以何種方式加以運(yùn)用，以及應(yīng)用到什么地方）。模式識別是一個相當(dāng)廣泛的研究領(lǐng)域，由此也促進(jìn)了很多理論的創(chuàng)立，產(chǎn)生了很多分支，并且新理論，新方法層出不窮，不斷的冒出來，由此也可以說明這個領(lǐng)域的火熱。比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，人工智能，模糊模式識別，支撐矢量機(jī)。有些是革命性的創(chuàng)新，也有很多只是名詞的改換，但這恰恰從正反兩面反映了這個研究領(lǐng)域的活躍。

　　信號處理的應(yīng)用實(shí)在廣泛，難以逐一列舉。就像其他理工領(lǐng)域一樣，都離不開深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。比如信號處理的一大塊基石：傅立葉變換，是十九世紀(jì)法國數(shù)學(xué)家傅立葉進(jìn)行熱學(xué)分析時創(chuàng)立的。又比如近二十年來興起的小波理論，本來是多分辨率分析，濾波器組，時頻聯(lián)合分析等多個研究領(lǐng)域的人分頭研究，都以為自己發(fā)現(xiàn)了一套新的理論方法，但到最后，大家才豁然開朗，原來這幾者之間有諸多相通之處，最終卻是殊途同歸。而且還發(fā)現(xiàn)，早在二十世紀(jì)上半葉，理論物理學(xué)家Grossman就已經(jīng)根據(jù)自身所從事的理論物理領(lǐng)域，對其進(jìn)行了深入研究。這也再一次表明了數(shù)學(xué)和物理理論研究往往會走在工程研究的前面。

　　信號與信息處理的研究與發(fā)展，也離不開通信、計算機(jī)、自動控制等多個領(lǐng)域的發(fā)展，諸多之間是一種相輔相成，共同促進(jìn)的關(guān)系。同樣，信號與信息處理的應(yīng)用，更離不開微電子技術(shù)的支撐，也正因?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)的迅猛發(fā)展，才使得信號與信息處理的應(yīng)用從理論成為現(xiàn)實(shí)，這在以往的幾十年中的案例屢見不鮮，并將在日后體現(xiàn)的更為深刻。

　　信號處理博大精深，前途遠(yuǎn)大.當(dāng)前，我對它的理解仍很膚淺，需要不斷學(xué)習(xí)，不斷加深對其的理解。從更廣泛的意義上來說，信號處理的研究和應(yīng)用，對于改善人們的工作、生活、娛樂等都有重要意義。相對信號處理來說，信息處理的應(yīng)用更為廣泛，也更能直接影響人們的生活?；蛘吒胃咭粋€高度，與信號/信息處理所相關(guān)的通信、導(dǎo)航、識別、檢索、傳輸、存儲、分類、識別等領(lǐng)域，將極大的促進(jìn)人類文明的歷史發(fā)展進(jìn)程，包括賽先生——科學(xué)（Science），也會包括德先生——民主（Democracy）。
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——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)12月《處理器與DSP特刊》“Change The World欄目”，轉(zhuǎn)載請注明出處，違者必究！

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