1、第四章第四章 信號的分析及處理技術(shù)信號的分析及處理技術(shù) 在人類社會活動中，人們經(jīng)常以語言、文字、在人類社會活動中，人們經(jīng)常以語言、文字、圖形和數(shù)據(jù)等方式傳播和接收消息，所謂消息可以圖形和數(shù)據(jù)等方式傳播和接收消息，所謂消息可以認為是通過一定手段所表達的感覺、思想和意見等。認為是通過一定手段所表達的感覺、思想和意見等。從維持生存及完成社會職能等角度來說，人類必須從維持生存及完成社會職能等角度來說，人類必須不停地進行各種消息的傳遞和交換。在人類較早的不停地進行各種消息的傳遞和交換。在人類較早的時期，便有結(jié)繩記事、擊鼓傳情和烽火報警等簡單時期，便有結(jié)繩記事、擊鼓傳情和烽火報警等簡單的信息表達和信息傳遞

2、方式的信息表達和信息傳遞方式 。 早期的信息表達和傳遞方式早期的信息表達和傳遞方式 消息消息是信息的載體，信息是消息中蘊含的尚是信息的載體，信息是消息中蘊含的尚未確定的內(nèi)容。若把消息這個載體以物理量的形未確定的內(nèi)容。若把消息這個載體以物理量的形式表現(xiàn)出來，如用聲、光、電、偏移、速度、加式表現(xiàn)出來，如用聲、光、電、偏移、速度、加速度、溫度、濕度和顏色等代替消息，則構(gòu)成信速度、溫度、濕度和顏色等代替消息，則構(gòu)成信號。這就是說，號。這就是說，信號信號只是消息的一種物理表現(xiàn)形式，因此消息與只是消息的一種物理表現(xiàn)形式，因此消息與信息的關(guān)系，也就是信號與信息的關(guān)系，即信號信息的關(guān)系，也就是信號與信息的關(guān)系

3、，即信號也是信息的載體，反映信息的物理量。從信息的也是信息的載體，反映信息的物理量。從信息的傳輸和處理的角度來說，信號較之消息的其他表傳輸和處理的角度來說，信號較之消息的其他表現(xiàn)形式，現(xiàn)形式，4.1 4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 信號的定義與描述信號的定義與描述 任何攜帶信息的物理量皆可以作為任何攜帶信息的物理量皆可以作為信號信號。信號處。信號處理的目的就是要從一大堆混合的、雜亂的信息中提取理的目的就是要從一大堆混合的、雜亂的信息中提取或增強有用的信息。因此，信號處理的實質(zhì)就是提取、或增強有用的信息。因此，信號處理的實質(zhì)就是提取、增強、存儲和傳輸有用信息的一種運算。增強、存儲和傳輸有

4、用信息的一種運算。 數(shù)學(xué)上，信號可以描述為一個或若干個自變量的數(shù)學(xué)上，信號可以描述為一個或若干個自變量的函數(shù)或序列的形式。信號的另外一種描述方式是函數(shù)或序列的形式。信號的另外一種描述方式是“波波形形”描述。描述?！邦l譜頻譜”也是信號的描述方法之一，它是也是信號的描述方法之一，它是頻率的函數(shù)，可以與表示信號的函數(shù)或序列一一對應(yīng)。頻率的函數(shù)，可以與表示信號的函數(shù)或序列一一對應(yīng)。 所謂所謂信號分析信號分析，就是通過解析方法或測，就是通過解析方法或測試方法找出不同信號的特征，從而了解其特試方法找出不同信號的特征，從而了解其特性，掌握它隨時間或頻率變化的規(guī)律的過程。性，掌握它隨時間或頻率變化的規(guī)律的過程

5、。 所謂所謂信號處理信號處理，就是指通過對信號的變，就是指通過對信號的變換和加工，把一個信號變換成另一個信號的換和加工，把一個信號變換成另一個信號的過程。因此，也可以把信號處理理解為為了過程。因此，也可以把信號處理理解為為了特定的目的，通過一定的手段改造信號的過特定的目的，通過一定的手段改造信號的過程。程。4.1.2 信號分析和處理的目的及方法信號分析和處理的目的及方法 信號分析和處理的基本方法信號分析和處理的基本方法 信號處理方法信號處理方法4.1.3 4.1.3 信號處理基本內(nèi)容信號處理基本內(nèi)容 例例1 1：在生活實踐中我們發(fā)現(xiàn)有的汽車喇叭比：在生活實踐中我們發(fā)現(xiàn)有的汽車喇叭比較好，有的喇

6、叭則在近處聽了刺耳，遠處又聽不較好，有的喇叭則在近處聽了刺耳，遠處又聽不清晰。圖清晰。圖4-3 (a)4-3 (a)、(c)(c)為兩種喇叭聲在時域中的為兩種喇叭聲在時域中的波形圖，圖中我們很難看出喇叭的質(zhì)量差別。但波形圖，圖中我們很難看出喇叭的質(zhì)量差別。但如果分別把它們的時域波形作頻譜分析后如果分別把它們的時域波形作頻譜分析后( (取樣頻取樣頻率為率為8kHz)8kHz)，得頻譜圖，得頻譜圖4-3(b)4-3(b)、(d)(d)，從中就很容，從中就很容易看出差異，好的喇叭頻譜圖主要含有三個頻譜易看出差異，好的喇叭頻譜圖主要含有三個頻譜分量分量( (又稱三音又稱三音) )，所以后者，所以后者(

7、 (對應(yīng)于時域波形圖對應(yīng)于時域波形圖c c和的頻譜圖和的頻譜圖d)d)的質(zhì)量明顯優(yōu)于前者。的質(zhì)量明顯優(yōu)于前者。 喇叭聲音對比圖喇叭聲音對比圖 我們區(qū)分了喇叭音質(zhì)的好壞，用到了頻域分我們區(qū)分了喇叭音質(zhì)的好壞，用到了頻域分析法。所謂頻域分析法就是傅里葉分析法，析法。所謂頻域分析法就是傅里葉分析法，它是變換域分析法的基石。它是變換域分析法的基石。 一般來說，信號總是雜亂的，但實際上一般來說，信號總是雜亂的，但實際上這種雜亂常常是正弦波的簡單迭加，其次，這種雜亂常常是正弦波的簡單迭加，其次，信號的頻率表示更有利于信號辨別、分離、信號的頻率表示更有利于信號辨別、分離、傳輸?shù)?。更重要的是用頻譜來分析一個波

8、形，傳輸?shù)?。更重要的是用頻譜來分析一個波形，就可以了解到波形源的某些信息因。就可以了解到波形源的某些信息因。 在信號的實際處理中我們除了進行必要的頻域在信號的實際處理中我們除了進行必要的頻域變換外，還需要對信號進行濾波處理。變換外，還需要對信號進行濾波處理。 這是因為理想的信號是不存在的，信號總會或這是因為理想的信號是不存在的，信號總會或多或少的受到噪聲的影響。多或少的受到噪聲的影響。 為了優(yōu)化信號處理的效果為了優(yōu)化信號處理的效果 ，我們必須設(shè)法將噪，我們必須設(shè)法將噪聲的影響降到最低，這就要用到濾波的原理。即聲的影響降到最低，這就要用到濾波的原理。即通過濾波器將信號中不需要的成分盡可能的濾除，

9、通過濾波器將信號中不需要的成分盡可能的濾除，保留信號中的有用成分。保留信號中的有用成分。(a) 低通低通 (b) 高通高通(d) 帶阻帶阻(c) 帶通帶通 理想濾波器頻率特性理想濾波器頻率特性 頻譜變換可以使我們更好的了解信號信息，頻譜變換可以使我們更好的了解信號信息，更好的分析信號的特性。但傅里葉變換的計算過更好的分析信號的特性。但傅里葉變換的計算過程是復(fù)雜的，特別是對于模擬信號的頻域變換，程是復(fù)雜的，特別是對于模擬信號的頻域變換，很難在計算機上操作。很難在計算機上操作。 19651965年，美國庫利（年，美國庫利（J JW WCooleyCooley）和圖基）和圖基（J JW WTukey

10、Tukey）提出了快速傅里葉變換計算方）提出了快速傅里葉變換計算方法，這不僅大大降低了變換運算的次數(shù)，也簡化法，這不僅大大降低了變換運算的次數(shù)，也簡化了計算結(jié)果的存儲。了計算結(jié)果的存儲。 模擬信號進行數(shù)字化模擬信號進行數(shù)字化信號抽樣信號抽樣模擬信號經(jīng)過數(shù)字化處理的過程框圖模擬信號經(jīng)過數(shù)字化處理的過程框圖。 模擬信號與數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換模擬信號與數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換4.2 4.2 信號分析和處理的基礎(chǔ)知識信號分析和處理的基礎(chǔ)知識4.2.1 4.2.1 信號的分類信號的分類 在介紹信號的分類方式前，我們先來看實在介紹信號的分類方式前，我們先來看實際生活中的兩個例子。際生活中的兩個例子。 例例2 2：某減

11、速機振動測點布置圖如圖：某減速機振動測點布置圖如圖4-74-7所所示。在該機械系統(tǒng)中，示。在該機械系統(tǒng)中， 回轉(zhuǎn)體不平衡引起的回轉(zhuǎn)體不平衡引起的振動，往往是一種周期性運動，由測點振動，往往是一種周期性運動，由測點3 3測到測到的信號波形如圖的信號波形如圖4-84-8。從圖中波形我們可以看。從圖中波形我們可以看到，可以近似地看作為周期信號。到，可以近似地看作為周期信號。某減速機振動某減速機振動測點布置圖測點布置圖 某減速機測點某減速機測點3 3振動信號波形振動信號波形 例例3 3：錘子的敲擊力、承載纜繩斷裂時的應(yīng)力：錘子的敲擊力、承載纜繩斷裂時的應(yīng)力變化、熱電偶插入加熱爐中溫度的變化過程等，變化

12、、熱電偶插入加熱爐中溫度的變化過程等，這些信號都屬于瞬變非周期信號，并且可用數(shù)學(xué)這些信號都屬于瞬變非周期信號，并且可用數(shù)學(xué)關(guān)系式（指數(shù)函數(shù)和正弦函數(shù)）描述。例如，圖關(guān)系式（指數(shù)函數(shù)和正弦函數(shù)）描述。例如，圖4-94-9是單自由度振動模型在脈沖力作用下的響應(yīng)。是單自由度振動模型在脈沖力作用下的響應(yīng)。單自由度振動模型在脈沖力作用下的響應(yīng)單自由度振動模型在脈沖力作用下的響應(yīng) 為了深入了解信號的物理實質(zhì)，將其進行分為了深入了解信號的物理實質(zhì)，將其進行分類研究是非常必要的。下面將從不同的角度來對類研究是非常必要的。下面將從不同的角度來對信號進行分類。信號進行分類。確定性信號和隨機性信號確定性信號和隨機性

13、信號 2 2）周期信號與非周期信號）周期信號與非周期信號 在規(guī)則信號之中又可分為周期信號與非周在規(guī)則信號之中又可分為周期信號與非周期信號。所謂周期信號就是依一定時間間隔周期信號。所謂周期信號就是依一定時間間隔周而復(fù)始，而且是無始無終的信號，它們的表示而復(fù)始，而且是無始無終的信號，它們的表示式可以寫作式可以寫作 ,0, 1, 2,f tf tnTn滿足此關(guān)系式的最小滿足此關(guān)系式的最小T T值稱為信號的周期。值稱為信號的周期。 周期信號的兩種形式 -15-10-5051015-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81(a) 連續(xù)信號連續(xù)信號 (b) 離散信號離散信號 4-10

14、 4-10 周期信號周期信號 3 3）連續(xù)時間信號和離散時間信號）連續(xù)時間信號和離散時間信號 在自變量的整個連續(xù)區(qū)間內(nèi)都有定義的信在自變量的整個連續(xù)區(qū)間內(nèi)都有定義的信號是連續(xù)時間信號，簡稱連續(xù)信號。需要說明號是連續(xù)時間信號，簡稱連續(xù)信號。需要說明的是，這里的的是，這里的“連續(xù)連續(xù)”指的是定義域，信號的指的是定義域，信號的值域可以是連續(xù)的，也可以不是連續(xù)的。值域可以是連續(xù)的，也可以不是連續(xù)的。 僅在一些離散的時間點上才有定義的信號僅在一些離散的時間點上才有定義的信號稱為離散時間信號，簡稱離散信號。同樣，這稱為離散時間信號，簡稱離散信號。同樣，這里的里的“離散離散”指的是定義域，其值域可以是連指的

15、是定義域，其值域可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。 -25-20-15-10-50510152025-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81離散余弦信號信號離散余弦信號信號 4)4)模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號 一個數(shù)字信號，各離散時刻的值只取一個數(shù)字信號，各離散時刻的值只取“0”0”或或“1”1”。數(shù)字信號。數(shù)字信號般都是通過把模擬信號經(jīng)般都是通過把模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換過模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)(A/D)后得到。后得到。 數(shù)字信號數(shù)字信號5)5)因果信號與非因果信號因果信號與非因果信號 如果一個信號只在自變量的正半軸左閉如果一個信號只在自變量的

16、正半軸左閉區(qū)間區(qū)間0,+)0,+)才取非零值，而在才取非零值，而在(- (- ，0)0)開區(qū)間內(nèi)取值均為零值，那么這樣的信號就開區(qū)間內(nèi)取值均為零值，那么這樣的信號就稱為因果信號，否則就稱為非因果信號。稱為因果信號，否則就稱為非因果信號。 6 6）一維信號與多維信號）一維信號與多維信號 從數(shù)學(xué)表達式來看，信號又可以表示為一從數(shù)學(xué)表達式來看，信號又可以表示為一個或多個變量的函數(shù)。個或多個變量的函數(shù)。 語音信號可以表示為聲壓隨時間變化的函語音信號可以表示為聲壓隨時間變化的函數(shù)，這是一維信號。而一張黑白圖像每個點數(shù)，這是一維信號。而一張黑白圖像每個點( (像素像素) )具有不同的光強度，任一點又是二維

17、平具有不同的光強度，任一點又是二維平面坐標(biāo)中兩個變量的函數(shù)，這是二維信號。實面坐標(biāo)中兩個變量的函數(shù)，這是二維信號。實際上，還可以出現(xiàn)更多維變量的信號。例如，際上，還可以出現(xiàn)更多維變量的信號。例如，電磁波在三維空間傳播，同時考慮時間變量而電磁波在三維空間傳播，同時考慮時間變量而構(gòu)成四維信號。構(gòu)成四維信號。 語音信號語音信號4.2.2 4.2.2 典型信號及其基本特性典型信號及其基本特性 在信號處理問題研究的中，經(jīng)常會遇到在信號處理問題研究的中，經(jīng)常會遇到一些典型的連續(xù)時間信號，如正弦信號、指一些典型的連續(xù)時間信號，如正弦信號、指數(shù)信號、抽樣函數(shù)、沖激信號等。熟練掌握數(shù)信號、抽樣函數(shù)、沖激信號等。

18、熟練掌握這些信號的表達式及性質(zhì)對進一步研究十分這些信號的表達式及性質(zhì)對進一步研究十分有意義。有意義。典型信號典型信號4.2.3 4.2.3 系統(tǒng)的概念系統(tǒng)的概念 系統(tǒng)一般可定義為由若干個相互依賴的系統(tǒng)一般可定義為由若干個相互依賴的事物組成的具有特定功能的整體。例如太陽事物組成的具有特定功能的整體。例如太陽系、人的神經(jīng)組織系統(tǒng)、原子結(jié)構(gòu)等屬于自系、人的神經(jīng)組織系統(tǒng)、原子結(jié)構(gòu)等屬于自然系統(tǒng)；交通運輸網(wǎng)、大型計算機等屬于人然系統(tǒng)；交通運輸網(wǎng)、大型計算機等屬于人工系統(tǒng)；社會經(jīng)濟、政治結(jié)構(gòu)等屬于非物理工系統(tǒng)；社會經(jīng)濟、政治結(jié)構(gòu)等屬于非物理系統(tǒng)；機械傳動系統(tǒng)、通信網(wǎng)、電力網(wǎng)等屬系統(tǒng)；機械傳動系統(tǒng)、通信網(wǎng)、

19、電力網(wǎng)等屬于物理系統(tǒng)。因此系統(tǒng)是一個并不陌生的應(yīng)于物理系統(tǒng)。因此系統(tǒng)是一個并不陌生的應(yīng)用非常廣泛的概念。用非常廣泛的概念。 在信號分析與信息處理領(lǐng)域中所研在信號分析與信息處理領(lǐng)域中所研究的系統(tǒng)一般不是指應(yīng)用中的一個具體究的系統(tǒng)一般不是指應(yīng)用中的一個具體系統(tǒng)，系統(tǒng)，系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型4.2.4 4.2.4 系統(tǒng)的分類系統(tǒng)的分類 1 1）連續(xù)時間系統(tǒng)與離散時間系統(tǒng)。若系統(tǒng)的）連續(xù)時間系統(tǒng)與離散時間系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸入與輸出都是連續(xù)時間信號，則稱此系統(tǒng)為連輸入與輸出都是連續(xù)時間信號，則稱此系統(tǒng)為連續(xù)時間系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸入和輸出都是離散時間續(xù)時間系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸入和輸出都是離散時間信號，則稱此系統(tǒng)為離散時

20、間系統(tǒng)。信號，則稱此系統(tǒng)為離散時間系統(tǒng)。 實際上，離散時間系統(tǒng)為連續(xù)時間系統(tǒng)經(jīng)常實際上，離散時間系統(tǒng)為連續(xù)時間系統(tǒng)經(jīng)常與連續(xù)時間系統(tǒng)組合運用，這種情況稱為混合系與連續(xù)時間系統(tǒng)組合運用，這種情況稱為混合系統(tǒng)。連續(xù)時間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是微分方程，離散統(tǒng)。連續(xù)時間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是微分方程，離散時間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型則是差分方程時間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型則是差分方程。 例例4 4：簡單力學(xué)系統(tǒng)如下圖所示。在光滑平面：簡單力學(xué)系統(tǒng)如下圖所示。在光滑平面上，質(zhì)量為上，質(zhì)量為m m的鋼性球體在水平外力的鋼性球體在水平外力f(t)f(t)的作用的作用下產(chǎn)生運動。設(shè)球體與平面間的摩擦力及空氣阻下產(chǎn)生運動。設(shè)球體與平面間的摩擦

21、力及空氣阻力忽略不計。將外力力忽略不計。將外力f(t)f(t)看作是系統(tǒng)的激勵，看作是系統(tǒng)的激勵， 球體運動速度看作是系統(tǒng)的響應(yīng)。球體運動速度看作是系統(tǒng)的響應(yīng)。 根據(jù)牛頓第根據(jù)牛頓第二定律，有二定律，有 ( )( )( )dtf tma tmdt 圖圖4-15 4-15 力學(xué)系統(tǒng)力學(xué)系統(tǒng) 2 2）即時系統(tǒng)與動態(tài)系統(tǒng)）即時系統(tǒng)與動態(tài)系統(tǒng) 如果系統(tǒng)的輸出信號只決定于同一時刻如果系統(tǒng)的輸出信號只決定于同一時刻的激勵信號而與其過去的工作狀態(tài)的激勵信號而與其過去的工作狀態(tài)( (歷史歷史) )無無關(guān)，則稱該系統(tǒng)為即時系統(tǒng)（或無記憶系關(guān)，則稱該系統(tǒng)為即時系統(tǒng)（或無記憶系統(tǒng)）。統(tǒng)）。 例如，只有電阻元件組成的

22、電路系統(tǒng)就例如，只有電阻元件組成的電路系統(tǒng)就是即時系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的輸出信號不僅決定是即時系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的輸出信號不僅決定于同一時刻的激勵信號，而且還與其過去的于同一時刻的激勵信號，而且還與其過去的工作狀態(tài)（歷史）有關(guān)，則稱該系統(tǒng)為動態(tài)工作狀態(tài)（歷史）有關(guān)，則稱該系統(tǒng)為動態(tài)系統(tǒng)（或記憶系統(tǒng)）。系統(tǒng)（或記憶系統(tǒng)）。即時系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)即時系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng) 3 3）線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)。具有疊加性）線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)。具有疊加性和齊次性的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。和齊次性的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。 所謂疊加性是指當(dāng)幾個激勵信號同時作所謂疊加性是指當(dāng)幾個激勵信號同時作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)響應(yīng)等于每個激勵信號單用于系統(tǒng)時，

23、系統(tǒng)響應(yīng)等于每個激勵信號單獨作用于該系統(tǒng)所產(chǎn)生的響應(yīng)之和。獨作用于該系統(tǒng)所產(chǎn)生的響應(yīng)之和。 4 4）時變系統(tǒng)與時不變系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的）時變系統(tǒng)與時不變系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的參數(shù)不隨時間而變化，則稱該系統(tǒng)為時不變參數(shù)不隨時間而變化，則稱該系統(tǒng)為時不變系統(tǒng)（或非時變系統(tǒng)）；如果系統(tǒng)的參數(shù)隨系統(tǒng)（或非時變系統(tǒng)）；如果系統(tǒng)的參數(shù)隨時間改變，則稱該系統(tǒng)為時變系統(tǒng)（或參變時間改變，則稱該系統(tǒng)為時變系統(tǒng)（或參變系統(tǒng)）系統(tǒng)）。 4.3 4.3 語音信號處理語音信號處理 語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術(shù)語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術(shù)對語音信號進行處理的一門學(xué)科，是在多門對語音信號進行處理的一門學(xué)科，是在多門

24、學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合性技術(shù)。它涉及學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合性技術(shù)。它涉及到數(shù)字信號處理、模式識別、語言學(xué)。生理到數(shù)字信號處理、模式識別、語言學(xué)。生理學(xué)、心理學(xué)以及認知科學(xué)和人工智能等許多學(xué)、心理學(xué)以及認知科學(xué)和人工智能等許多學(xué)科領(lǐng)域。學(xué)科領(lǐng)域。4.3.1 4.3.1 概述概述 語音具有兩重屬性：一方面語音具有表語音具有兩重屬性：一方面語音具有表意功能；另一方面語音畢竟是一種聲音，它意功能；另一方面語音畢竟是一種聲音，它是由人的頭腦中產(chǎn)生的一組神經(jīng)信號去控制是由人的頭腦中產(chǎn)生的一組神經(jīng)信號去控制發(fā)音器官，變成空氣的振動信號然后由空氣發(fā)音器官，變成空氣的振動信號然后由空氣傳遞到人的耳朵或受話器

25、中的信號。傳遞到人的耳朵或受話器中的信號。 語音信號語音信號4.3.2 4.3.2 語言信號處理的基本內(nèi)容語言信號處理的基本內(nèi)容 語言信號處理的基本內(nèi)容主要包括語音信號處語言信號處理的基本內(nèi)容主要包括語音信號處理基礎(chǔ)、語音信號分析、語音編碼、語音合成、語理基礎(chǔ)、語音信號分析、語音編碼、語音合成、語音識別和說話人識別等音識別和說話人識別等圖圖4-18 4-18 語音處理基本內(nèi)容語音處理基本內(nèi)容 1 1）語音信號處理基礎(chǔ)。語音信號是攜帶）語音信號處理基礎(chǔ)。語音信號是攜帶語音信號的語音聲波，經(jīng)過聲電轉(zhuǎn)換就得到語音信號的語音聲波，經(jīng)過聲電轉(zhuǎn)換就得到語音的電信號，如果經(jīng)過聲光轉(zhuǎn)換就能得到語音的電信號，如

26、果經(jīng)過聲光轉(zhuǎn)換就能得到語音的光信號語音的光信號。 o 了解語音信號的一些基本特性，應(yīng)該知道語音了解語音信號的一些基本特性，應(yīng)該知道語音是如何由一些最基本的單位組成的是如何由一些最基本的單位組成的; ;o 人類的發(fā)聲器官是如何產(chǎn)生聲音的，漢語語音人類的發(fā)聲器官是如何產(chǎn)生聲音的，漢語語音有哪些特性，有哪些特性，o 建立一個語音產(chǎn)生模型，以便于進一步地學(xué)習(xí)建立一個語音產(chǎn)生模型，以便于進一步地學(xué)習(xí)和研究語音信號處理的方法；和研究語音信號處理的方法；o 了解人類聽覺的生理結(jié)構(gòu)與特征。了解人類聽覺的生理結(jié)構(gòu)與特征。 漢語聲調(diào)典型曲線圖漢語聲調(diào)典型曲線圖 2 2）語音信號分析。語音信號分析是進）語音信號分析

27、。語音信號分析是進行語音信號處理的前提。根據(jù)所分析的參數(shù)行語音信號處理的前提。根據(jù)所分析的參數(shù)不同，語音信號分析可以分為時域、頻域和不同，語音信號分析可以分為時域、頻域和倒譜域等方法。倒譜域等方法。 時域分析具有簡單、運算量小、物理意時域分析具有簡單、運算量小、物理意義明確等優(yōu)點，但更為有效的分析多是圍繞義明確等優(yōu)點，但更為有效的分析多是圍繞頻域進行的，因為語音中的最重要的感知特頻域進行的，因為語音中的最重要的感知特性反映在其功率譜中，而相位變化只起著很性反映在其功率譜中，而相位變化只起著很小的作用。小的作用。語音信號的時域和頻域波形圖語音信號的時域和頻域波形圖語音信號的數(shù)字模型語音信號的數(shù)字

28、模型 3 3）語音編碼。語音編碼是語音數(shù)字處理最重）語音編碼。語音編碼是語音數(shù)字處理最重要的一種應(yīng)用。語音編碼的目的是用盡可能低的要的一種應(yīng)用。語音編碼的目的是用盡可能低的比特率來獲得盡可能高的合成語音質(zhì)量。比特率來獲得盡可能高的合成語音質(zhì)量。 實現(xiàn)語音編碼（特別是中低速率語言編碼）實現(xiàn)語音編碼（特別是中低速率語言編碼）的設(shè)備通常稱為聲碼器。雖然光纖通信和微波通的設(shè)備通常稱為聲碼器。雖然光纖通信和微波通信等系統(tǒng)可以提供很寬的頻帶，但在很多情況下信等系統(tǒng)可以提供很寬的頻帶，但在很多情況下仍然需要壓縮語音編碼速率以節(jié)省頻帶。仍然需要壓縮語音編碼速率以節(jié)省頻帶。 4)4)語音合成。語音合成的目的就是

29、讓計語音合成。語音合成的目的就是讓計算機說話。算機說話。 最簡單的語音合成應(yīng)當(dāng)是語音響應(yīng)系統(tǒng)。最簡單的語音合成應(yīng)當(dāng)是語音響應(yīng)系統(tǒng)。其實現(xiàn)技術(shù)非常簡單，在計算機內(nèi)建立一個其實現(xiàn)技術(shù)非常簡單，在計算機內(nèi)建立一個語音庫，將可能用到的單字、詞組或一些句語音庫，將可能用到的單字、詞組或一些句子的聲音編碼后存入計算機，當(dāng)鍵入所要的子的聲音編碼后存入計算機，當(dāng)鍵入所要的字、詞組或句子代碼時，就能調(diào)出對應(yīng)的數(shù)字、詞組或句子代碼時，就能調(diào)出對應(yīng)的數(shù)碼信號，并轉(zhuǎn)換成聲音碼信號，并轉(zhuǎn)換成聲音。 5 5）語音識別。語音識別的作用是將語音）語音識別。語音識別的作用是將語音轉(zhuǎn)換成等價的書面信息，也就是讓計算機聽轉(zhuǎn)換成等價

30、的書面信息，也就是讓計算機聽懂人說話。懂人說話。 日常生活中我們常見的一個例子，打日常生活中我們常見的一個例子，打電話者，通過電話機將自己的語音信號傳給電話者，通過電話機將自己的語音信號傳給語音處理電路，語音處理電路則根據(jù)獲取的語音處理電路，語音處理電路則根據(jù)獲取的語音信號，判別出說話人的內(nèi)容，將聲音傳語音信號，判別出說話人的內(nèi)容，將聲音傳送給電話連接線路的另一方。送給電話連接線路的另一方。語音識別語音識別語音語音“你好你好?”語音信號語音信號語音識別的簡單應(yīng)用語音識別的簡單應(yīng)用 目前語音識別已經(jīng)成為語音數(shù)字處理研究領(lǐng)域目前語音識別已經(jīng)成為語音數(shù)字處理研究領(lǐng)域中的重點和難點技術(shù)。中的重點和難點

31、技術(shù)。 語音識別技術(shù)可以有許多分類方法，如根據(jù)語音識別技術(shù)可以有許多分類方法，如根據(jù)語音識別對象可以分為孤立詞識別、連續(xù)語音識語音識別對象可以分為孤立詞識別、連續(xù)語音識別等；根據(jù)詞匯量可以分為小詞匯表（別等；根據(jù)詞匯量可以分為小詞匯表（100100個詞匯個詞匯以下）、中詞匯表（以下）、中詞匯表（100500100500個詞）、大詞匯表個詞）、大詞匯表（500500詞以上）語音識別等；詞以上）語音識別等； 語音識別系統(tǒng)模型語音識別系統(tǒng)模型 6 6）說話人識別。說話人識別的作用是根）說話人識別。說話人識別的作用是根據(jù)語音辨別說話人，廣義的語音識別也包括據(jù)語音辨別說話人，廣義的語音識別也包括說話人識

32、別。說話人識別。 4.44.4數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理 數(shù)字圖像（數(shù)字圖像（Digital Image Processing ,DIPDigital Image Processing ,DIP）又稱為計算機圖像處理，是指將圖像信號轉(zhuǎn)換成又稱為計算機圖像處理，是指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機對其進行處理的過程。數(shù)字信號并利用計算機對其進行處理的過程。 數(shù)字圖像處理最早出現(xiàn)于數(shù)字圖像處理最早出現(xiàn)于2020世紀世紀5050年代，當(dāng)年代，當(dāng)時的計算機已經(jīng)發(fā)展到一定水平，人們開始利用時的計算機已經(jīng)發(fā)展到一定水平，人們開始利用計算機來處理圖形和圖像信息。數(shù)字圖像處理作計算機來處理圖形和圖像信息。數(shù)

33、字圖像處理作為一門學(xué)科大約形成于為一門學(xué)科大約形成于2020世紀世紀6060年代初期。年代初期。 徘徊者徘徊者7 7號登陸前拍攝的圖片。隨后他們又對號登陸前拍攝的圖片。隨后他們又對探測飛船發(fā)回的近十萬張照片進行更為復(fù)雜的圖探測飛船發(fā)回的近十萬張照片進行更為復(fù)雜的圖像處理，獲得月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌像處理，獲得月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，取得非凡的成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅圖，取得非凡的成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅實的基礎(chǔ)。實的基礎(chǔ)。 徘徊者登陸圖片徘徊者登陸圖片 數(shù)字圖像處理取得的另一個巨大成就就是在醫(yī)學(xué)上數(shù)字圖像處理取得的另一個巨大成就就是在醫(yī)學(xué)上獲得的成果。獲得的成果。19

34、751975年年EMIEMI公司又成功研制出全身用的公司又成功研制出全身用的裝置，獲得人體各個部位鮮明清晰地斷層圖像，如圖裝置，獲得人體各個部位鮮明清晰地斷層圖像，如圖4-4-2525所示。所示。19791979年，這項無損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎，年，這項無損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎，表明它對人類做出了劃時代的貢獻。表明它對人類做出了劃時代的貢獻。 胸部胸部X X射線射線 4.4.1 4.4.1 數(shù)字圖像處理的基本內(nèi)容數(shù)字圖像處理的基本內(nèi)容 圖像的采集（通過采集設(shè)備如數(shù)碼相機、掃圖像的采集（通過采集設(shè)備如數(shù)碼相機、掃描儀等將圖像數(shù)字化）；儲存；數(shù)字圖像處理描儀等將圖像數(shù)字化）；儲存；數(shù)字圖像

35、處理（如圖像變換、編碼、圖像增強、去噪等）；然（如圖像變換、編碼、圖像增強、去噪等）；然后再次進行儲存等幾個步驟。后再次進行儲存等幾個步驟。 圖像處理的過程圖像處理的過程 1 1）圖像變換。由于圖像陣列很大，直接在空）圖像變換。由于圖像陣列很大，直接在空間域中進行處理，涉及計算量很大，因此，往往間域中進行處理，涉及計算量很大，因此，往往采用各種圖像變換的方法，采用各種圖像變換的方法， 如傅里葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換如傅里葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換等間接處理技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域等間接處理技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，不僅可以減少計算量，而且可獲得更有效處理，不僅

36、可以減少計算量，而且可獲得更有效的處理（如傅里葉變換可在頻域中進行數(shù)字濾波的處理（如傅里葉變換可在頻域中進行數(shù)字濾波處理）。處理）。2D2D圖像函數(shù)和傅立葉頻譜的顯示圖像函數(shù)和傅立葉頻譜的顯示 2 2）圖像編碼壓縮。圖像編碼壓縮技術(shù)可）圖像編碼壓縮。圖像編碼壓縮技術(shù)可減少描述圖像的數(shù)據(jù)量（即比特數(shù)），以便減少描述圖像的數(shù)據(jù)量（即比特數(shù)），以便節(jié)省圖像傳輸、處理時間和減少所占用的存節(jié)省圖像傳輸、處理時間和減少所占用的存儲器容量。壓縮可以在不失真的前提下獲得，儲器容量。壓縮可以在不失真的前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進行。也可以在允許的失真條件下進行。 圖像壓縮前后的比較圖像壓縮前后的比較（

37、壓縮比（壓縮比5.31815.3181）（a）壓縮前的圖像 （b）壓縮后的圖像 3 3）圖像增強和復(fù)原。圖像增強和復(fù)原的目的）圖像增強和復(fù)原。圖像增強和復(fù)原的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，去除噪聲，提高圖像的是為了提高圖像的質(zhì)量，去除噪聲，提高圖像的清晰度等。清晰度等。 圖像增強不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像圖像增強不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像中所感興趣的部分，如強化圖像高頻分量，可使中所感興趣的部分，如強化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓清晰，細節(jié)明顯，如強化低頻分圖像中物體輪廓清晰，細節(jié)明顯，如強化低頻分量可減少圖像中噪聲影響。量可減少圖像中噪聲影響。 增強和復(fù)原后對比效果圖增強和復(fù)原后對比

38、效果圖 4 4）圖像分割。圖像分割是數(shù)字圖像處理中的）圖像分割。圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割是將圖像中有意義的特關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來，其有意義的特征有圖像中的邊征部分提取出來，其有意義的特征有圖像中的邊緣、區(qū)域等，這是進一步進行圖像識別、分析和緣、區(qū)域等，這是進一步進行圖像識別、分析和理解的基礎(chǔ)。理解的基礎(chǔ)。圖像分割圖像分割 5 5）圖像描述。圖像描述是圖像識別和理）圖像描述。圖像描述是圖像識別和理解的必要前提。解的必要前提。 作為最簡單的二值圖像可采用其幾何特作為最簡單的二值圖像可采用其幾何特性描述物體的特性，一般圖像的描述方法采性描述

39、物體的特性，一般圖像的描述方法采用二維形狀描述，它包括便捷描述和區(qū)域描用二維形狀描述，它包括便捷描述和區(qū)域描述兩類方法。述兩類方法。 距離距離- -角度函描述圖像的形狀角度函描述圖像的形狀 6 6）圖像分類（識別）。圖像分類（識別）屬）圖像分類（識別）。圖像分類（識別）屬于模式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些于模式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些預(yù)處理（增強、復(fù)原和壓縮）后，進行圖像分割預(yù)處理（增強、復(fù)原和壓縮）后，進行圖像分割和特征提取，和特征提取，虹膜識別技術(shù)相關(guān)過程分析虹膜識別技術(shù)相關(guān)過程分析 4.4.2 數(shù)字圖像處理的基本優(yōu)勢 1 1）再現(xiàn)性好。數(shù)字圖像處理與模擬圖像）再現(xiàn)性好

40、。數(shù)字圖像處理與模擬圖像處理的根本不同在于，不會因圖像的存儲、處理的根本不同在于，不會因圖像的存儲、傳輸或復(fù)制等一序列變換操作而導(dǎo)致圖像質(zhì)傳輸或復(fù)制等一序列變換操作而導(dǎo)致圖像質(zhì)量的退化。只要圖像在數(shù)字化時準確地表現(xiàn)量的退化。只要圖像在數(shù)字化時準確地表現(xiàn)了原模板，則數(shù)字圖像處理過程始終能保持了原模板，則數(shù)字圖像處理過程始終能保持圖像的再現(xiàn)。圖像的再現(xiàn)。 2 2）處理精度高。按目前的技術(shù)，幾乎可將一）處理精度高。按目前的技術(shù)，幾乎可將一幅模擬圖像數(shù)字化為任意大小的二維數(shù)組，這主幅模擬圖像數(shù)字化為任意大小的二維數(shù)組，這主要取決于圖像數(shù)字化設(shè)備的能力。現(xiàn)代掃描儀可要取決于圖像數(shù)字化設(shè)備的能力?，F(xiàn)代掃描

41、儀可以把每個像素的灰度等級量化為以把每個像素的灰度等級量化為1616位甚至更高，位甚至更高，這意味著圖像的數(shù)字化精度可以達到滿足任一應(yīng)這意味著圖像的數(shù)字化精度可以達到滿足任一應(yīng)用需求。用需求。 3 3）適用面寬。圖像可以來自多種信息源，可）適用面寬。圖像可以來自多種信息源，可以是可見光圖像，也可以是不可見的光譜圖像，以是可見光圖像，也可以是不可見的光譜圖像，如如X X射線圖像、射線圖像、超聲波圖像或紅外圖像射線圖像、射線圖像、超聲波圖像或紅外圖像等。從圖像反映的客觀實體尺度看，可以小到電等。從圖像反映的客觀實體尺度看，可以小到電子顯微鏡圖像，大到航空照片、遙感圖像甚至天子顯微鏡圖像，大到航空照

42、片、遙感圖像甚至天文望遠鏡圖像。文望遠鏡圖像。 4 4）靈活性高。圖像處理大體上可以分為圖像）靈活性高。圖像處理大體上可以分為圖像的像質(zhì)改善、圖像分析和圖像重建三大部分，每的像質(zhì)改善、圖像分析和圖像重建三大部分，每一部分均包括豐富的內(nèi)容。由于圖像的光學(xué)處理一部分均包括豐富的內(nèi)容。由于圖像的光學(xué)處理從原理上講只能進行線性運算，這極大地限制了從原理上講只能進行線性運算，這極大地限制了光學(xué)圖像處理能實現(xiàn)的目標(biāo)。光學(xué)圖像處理能實現(xiàn)的目標(biāo)。 1 1）航天和航空遙感方面的應(yīng)用。數(shù)字圖像處）航天和航空遙感方面的應(yīng)用。數(shù)字圖像處理技術(shù)在航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用，除了上面理技術(shù)在航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用，除了上

43、面介紹的介紹的JPLJPL對月球、火星照片的應(yīng)用外，還應(yīng)用在對月球、火星照片的應(yīng)用外，還應(yīng)用在飛機遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)中?，F(xiàn)在世界各國都在飛機遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)中?，F(xiàn)在世界各國都在利用陸地衛(wèi)星所獲取的圖像進行資源調(diào)查，如森利用陸地衛(wèi)星所獲取的圖像進行資源調(diào)查，如森林調(diào)查、海洋泥沙和漁業(yè)調(diào)查、水資源調(diào)查等；林調(diào)查、海洋泥沙和漁業(yè)調(diào)查、水資源調(diào)查等；災(zāi)害檢測，如病蟲檢測、水火檢測、環(huán)境污染檢災(zāi)害檢測，如病蟲檢測、水火檢測、環(huán)境污染檢測等，測等，遙感探測和火險預(yù)警遙感探測和火險預(yù)警 2 2）生物醫(yī)學(xué)工程及疾病診斷方面的應(yīng)用。數(shù)）生物醫(yī)學(xué)工程及疾病診斷方面的應(yīng)用。數(shù)字圖像處理在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用十分

44、廣泛，字圖像處理在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用十分廣泛，而且很有成效。除了上面介紹的而且很有成效。除了上面介紹的CTCT技術(shù)之外，還技術(shù)之外，還有一類是對醫(yī)用顯微鏡圖像的處理分析，如紅細有一類是對醫(yī)用顯微鏡圖像的處理分析，如紅細胞、白細胞分類，染色體分析和癌細胞識別等，胞、白細胞分類，染色體分析和癌細胞識別等，圖圖4-344-34全自動細胞全自動細胞DNADNA定量分析檢測系統(tǒng)定量分析檢測系統(tǒng) （3 3）通信工程方面的應(yīng)用。當(dāng)前通信的主要）通信工程方面的應(yīng)用。當(dāng)前通信的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結(jié)合的多媒發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結(jié)合的多媒體通信。具體地講是將電話、電視和計算機三大體通信。具體地講是將電話、