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)合他的項目經(jīng)歷、感悟?qū)懙囊黄行?a href="http://www.www27dydycom.cn/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步。下一次，期待聽到您的聲音...【投稿郵箱：moyanfen@elecfans.com】

　　信號處理，準確的說，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)中的一大研究領域。

　　提及電子工程，直觀感覺好像是電子器件，電路，電氣設備等等，其實其內(nèi)涵已經(jīng)遠遠不止于此。隨著電子信息技術的發(fā)展，它往往會囊括通信、計算機、雷達、導航、電機、電力、控制、測量儀表等等領域，可謂博大精深。也是當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科又可以認為是一個交叉學科，往往與通信、控制、計算機等學科緊密關聯(lián)。所以我們常?？梢钥吹?，很多計算機專業(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網(wǎng)絡相關的東西。因為這幾者之間都是互通互聯(lián)的，不存在嚴格的區(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，從應用領域上，可劃分為通信信號處理，雷達信號處理，聲音/語音信號處理，圖像（醫(yī)學影像）信號處理，地震信號處理等等。

　　信號與信息處理的應用領域是相當廣泛的，稍舉數(shù)例。

　　第一例，通信信號處理的廣泛應用。與我們每個個體接觸最多的就是移動電話了，即手機。小小手機，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，接收機的頻偏估計、信道估計、信息的采集、恢復、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)到達這樣一個地步，位于巴基斯坦的美國特種部隊襲殺本拉登的全部過程可以實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實時觀看。這在以前是不可想象的。

　　第二例，數(shù)字圖像處理的廣泛應用。日常應用中，最常見的就是數(shù)碼相機了，自從數(shù)碼相機誕生之日起，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)的膠片相機完全擠出了日常消費市場，并同時不斷進攻和蠶食膠片攝影的高端攝影領域，單反的日益普及就是一個明證。近日百年老店柯達的結(jié)果也是一個明證。這也從一個側(cè)面也反映了數(shù)字信號處理之強大。數(shù)碼相機的圖像處理過程同樣包含了豐富的信號處理。準確的說，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)字信號的形式進行處理，也即數(shù)字圖像處理。又比如數(shù)字電視，安全領域的視頻監(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，只要小偷一進屋，智能檢測算法立即識別并啟動攝像頭進行視頻錄取，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)斧巡航導彈，就利用了圖像匹配算法，將實時攝取的當前地形照片與預先存儲好的地形照片進行實時匹配，從而確定導彈的當前位置，控制導彈的前進方向。

　　信號與信息處理在圖像和視頻領域極為突出的一個方向即圖像信息的壓縮。因為相對于語音信號，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)成了嚴重的挑戰(zhàn)。基于一幅圖像的相鄰區(qū)域的相關性冗余，或者基于視頻圖像相鄰幀的相關冗余，可以對圖像/視頻進行大幅度的壓縮。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，人們制定了JPEG的靜態(tài)圖像壓縮標準?；贒WT（離散小波變換），制定了JPEG2000圖像壓縮標準。

　　第三例，醫(yī)學影像處理。本質(zhì)上也屬于數(shù)字圖像處理，但由于在醫(yī)學上的廣泛應用，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)學成像領域的革命性創(chuàng)新，發(fā)明人還因此獲得了諾貝爾醫(yī)學獎。

　　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，熟悉音樂的朋友應該都知道日本的雅馬哈，其數(shù)字音樂合成技術令人驚嘆。