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1、信息与通信技术学科概论,长春工业大学图像工程研究所史东承教授,第5章：信息与信号处理技术,5.4信号再生与信息再现信号再生基带传输系统的信道等效模型如图5-9所示。假设信道输入信号为ei(t)，信道的特性为h(t)，信道引入的加性干扰噪声为n(t)，则信道输出信号eo(t)为：eo(t)=ei(t)*h(t)+n(t)如果信道特性h(t)和噪声特性n(t)是已知的，在给定某一发送信号ei(t)的条件下，可以确定经过信道传输后的接收信号eo(t)。,5.4信号再生与信息再现,由传输线的基本理论可知，传输线衰减特性与传输信号频率的开方成比例，频率越高，衰减越大。一个矩形脉冲信号经过信道传输后，波形
2、要发生失真，主要反映在以下几个方面：（1）接收信号波形幅度变小。表明信号经过信道传输后能量有衰减，传输距离越长，衰减越大。（2）波峰延后。反映传输系统的延迟特性。（3）脉冲宽度加宽。这是传输系统频率特性引起的，是波形产生失真的主要原因。,5.4信号再生与信息再现,定义：对一个被损坏的信号进行处理，去除噪声干扰、恢复信号损坏部分的过程，称为信号再生。常见的传输信号有电信号和光信号之分，因此信号再生也分为电信号再生和光信号再生。数字信号中传输的信息是“1”和“0”组成的数字码串，典型的信号是PCM脉冲编码调制信号。PCM信号在长距离的传输过程中，必须采用再生中继技术。再生中继要求在基带信号信噪比不
3、太大的条件下，系统对失真的波形及时进行识别判决，识别出“1”码和“0”码，经过再生中继后的输出脉冲会完全恢复为原数字信号序列。,5.4信号再生与信息再现,基带传输的再生中继系统如图5-10所示。再生中继系统的特点是：（1）无噪声积累。数字信号在传输过程引起的信号幅度失真可通过再生中继系统中的均衡放大、再生判决而去掉，所以理想的再生中继系统是不存在噪声积累的；（2）有误码积累。在再生判决的过程中，由于码间串扰和噪声干扰的影响，会导致判决电路的错误判决，即“1”码误判为“0”码，“0”码误判为“1”码，产生误码现象。一旦误码发生，就无法消除，产生误码积累。,5.4信号再生与信息再现,再生中继器的结
4、构如图5-11所示。均衡放大的作用是将接收到的失真信号均衡放大成适合于抽样判决的波形，这个波形称为均衡波形，用r(t)表示。定时时钟提取就是从已接收的信号中提取与发送端定时时钟同步的定时脉冲，以便在最佳时刻识别判决均衡波的“1”码和“0”码。抽样判决与码形成电路完成的就是判决再生功能，也叫识别再生。识别是指从已经均衡好的均衡波形中识别出“1”码还是“0”码；再生就是将判决出来的码元进行整形与变换，形成半占空的双极性码，即码形成。,码发生器,抽样判决过程如图5-14所示。假若发送端的数字基带信号经过信道和接收滤波器后，在无码间串扰条件下，对“1”码抽样判决时刻信号有正最大值，用A表示；对“0”码
5、抽样判决时刻信号有负的最大值，用-A表示(对双极性码)，或者为0值(对单极性码)。无论是单极性信号还是双极性信号，均应在信号的最大值和最小值之间选择一个适当的电平Vb作为判决的标准，这个Vb称为判决门限。,均衡信号r,5.4信号再生与信息再现,完整信号再生系统如图5-15所示。,5.4信号再生与信息再现,光信号在光纤通道中传输时，光纤损耗大和色散严重将会导致光信号的失真。损耗导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减，光信号的衰减可以利用全光放大器来放大光信号功率的方式解决。色散会导致光脉冲展宽而产生码间干扰，使误码率增大，严重影响了通信质量。目前对光信号的再生是利用光电中继器来实现的。光电中继
6、器先将光信号经过光信号转变为电信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个光源，实现光信号的再生。全光信息再生技术，即在光纤链路上接入光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制使光脉冲变窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声被降低、光脉冲位置得到校准和重新定时。全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。,5.4信号再生与信息再现,信息再现信息经过信息处理系统的处理后产生了一种具有某种应用意义上信息表示形式，即由客观信息转变为另一种具有特殊意义的客观信息或主观信息，利用这个新的信
7、息表示形式恢复信息原型的一种处理技术称为信息再现。信息再现原理：假设映射变换A存在一个逆映射A-1，则逆映射变换可以把N维特征向量信息再现。A实质上是通过某种映射变换将原始特征从高维空间映射到低维空间。,5.4信号再生与信息再现,设：A是一个映射，把M维向量X映射为N维向量Y，如存在逆影射：A-1：YN XM，则有：XM=XM+XM其中：XM是测试向量与再现向量的差向量，是特征提取过程中被忽略掉的信息；在数据压缩时，XM是数据压缩算法引入的失真。只要失真满足一定的保真度要求，即失真足够小，或失真不能被信息使用者觉察到，则数据压缩算法就是可行的。同时，在信号能量满足一定信息描述要求的条件下的信息
8、表示，就构成了信号的主特征。,5.4信号再生与信息再现,特征提取是模式识别技术中的一个概念。它指的是对一种事物的已知数据集进行分析，找到表示该类事物共有特点，并把所有可以用来表示该类事物的因素用向量表示的一种技术。表示该类事物共有因素的向量称为特征向量。因此要想完成特征提取工作，首先要对原始信号进行采集，获得关于客观事物的多次原始测量数据集合，该测量数据集合称为训练数据集合，又称训练样本。,5.4信号再生与信息再现,特征提取原理：特征提取实质上是通过某种映射变换将原始特征从高维空间映射到低维空间。设A是一个映射，X是M维测量样本数据，Y是N维特征向量（NM），则特征提取可以表示为A：XMYN，
9、其中A称为特征提取器，通常是某种正交变换。映射变换实现特征提取的原理如图5-16所示。,5.4信号再生与信息再现,设：J是一个满足有效特征衡量标准的一类准则函数，则最优特征提取准则是：J(A*)=Max J(A)即最优特征选择以选取的特征使准则函数取最大值为原则。为了满足特征选择有效特征衡量标准，应当在映射变换域内从一组特征中挑选出一些最有效的特征，以达到降低特征空间维数的目的。,5.4信号再生与信息再现,5.4信号再生与信息再现,映射变换实现特征提取原理如图5-16所示。,5.4信号再生与信息再现,常规的特征选择算法有如下几种：独立算法：分别计算M个特征单独使用时的准则函数，选取最优的前N个
10、特征作为最优特征。除极特殊情况（各个特征相互独立并准则函数满足可加性）外，所得特征组合不一定是最优特征组合。穷举算法：从M个特征中选择所有可能的N个特征组合，计算其准则函数，寻找其最优值，从而得到最佳特征组合。该种算法计算量太大，当M较大时，难于实际应用。,5.4信号再生与信息再现,特征提取是测试数据的另一种表现形式，特征向量是一种信号的简化表现形式，它保持原始信号的主要信息成分，以便与其他信号相区别。特征提取追求的是找到原始数据的主要特征。当主要特征扩展到所有特征或接近所有特征（原始数据）时，特征提取就变成了数据压缩。特征提取的目的，一般情况下，并不是为了信息的准确再现，而是为了进一步的判决
11、、分类与识别。因此允许在特征提取过程中引入较大的失真，信息的丢失度也可以相对较大。特征提取的核心是减少数据量，为下一步的处理提供高效的数据，同时特征提取必须保证不同类事物（模式）之间特征的可分性。,5.4信号再生与信息再现,信息显现又称信息重建三维信息重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，通过数据的处理和分析，获得3D测量数据的性质，并在计算机中建立表达客观世界的一种技术。物体三维重建是计算机辅助几何设计(CAGD)、计算机图形学(CG)、计算机动画、计算机视觉、医学图像处理、科学计算可视化和虚拟现实、数字媒体创作等领域的共性科学问题和核心技术。信息重建和显示是科学计算可视化的
12、一个重要分支，尤其在医学领域得到很大的重视，也成为现今的一大研究热点，具有广泛的应用前景,5.5推理与决策,推理与决策是人工智能(Artificial Intelligence，AI)技术的研究热点之一。推理与决策是计算机科学的一个分支，它主要研究在一定的知识和经验的基础条件下，根据新的输入信息推理获得隐含结论，并依据规则给出决策的技术。推理与决策过程可以采用拟人的方式进行，也可以采用形式逻辑的方法给出。推理与决策技术主要应用于构造能以人类智能相似的方式做出反应的智能机系统，如智能机器人、语音识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。,5.5推理与决策,1956年提出“人工智能”一词，由机器学
13、习、自动推理、专家系统、模式识别、计算机视觉、自然语言理解等不同的技术领域知识组成。人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。目前能够用来研究人工智能的主要物质手段以及能够实现人工智能技术的机器就是计算机。,5.5推理与决策,人工智能有两种不同的方式。一种是工程学方法（Engineering Approach，EA），采用传统的编程技术，使系统呈现智能的效果，而不考虑所用方法是否与人或动物机体所用的方法相同。另一种是模仿法（Mimetic Approach，MA），它不仅要看效果，还要求实现方法也和人类或生物机体所用的方法相同或相类似。在智能计算领域中的
14、遗传算法（Generic Algorithm，GA）和人工神经网络方法（Artificial Neural Network，ANN）均属这类方法。,5.5推理与决策,采用工程学方法需要人工详细规定程序逻辑，如果游戏简单，还是方便的。如果游戏复杂，角色数量和活动空间增加，相应的逻辑就会很复杂（按指数式增长），人工编程就非常繁琐，一旦出错，就必须修改原程序，重新编译、调试，最后为用户提供一个新的版本或提供一个新补丁。,5.5推理与决策,采用模仿法时，编程者要为每一角色设计一个智能系统来进行控制，这个智能系统（模块）开始什么也不懂，就像初生婴儿那样，但它能够学习，能渐渐地适应环境，应付各种复杂情况。
15、这种系统开始也常犯错误，但它能吸取教训，下一次运行时就可能改正，至少不会永远错下去，用不到发布新版本或打补丁。利用这种方法来实现人工智能，要求编程者具有生物学的思考方法，入门难度大一点。但一旦入了门，就可得到广泛应用。由于这种方法编程时无须对角色的活动规律做详细规定，应用于复杂问题，通常会比工程学方法更省力。,5.5推理与决策,“智能”的概念涉及意识（Consciousness）、自我（Self）、思维（Mind）和无意识的思维（Unconscious Mind）等问题。由于人们对自身智能的认识非常有限，对构成人的智能的必要元素缺乏深入的了解，因此对“智能”的认识还有待发展。美国斯坦福大学人工
16、智能研究中心尼尔逊（NILS J.Nilsson）教授对智能问题下了这样一个定义：“人工智能是关于知识的学科，是关于怎样表示知识、怎样获得知识、并使用知识的科学”。同时美国麻省理工学院的温斯顿教授认为：“人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作”。,5.5推理与决策,推理是人工智能重要的研究领域。推理指依据一定的规则、利用已有的知识和经验推出结论的过程。专家能够高效地求解复杂的问题，除了他们拥有大量的专门知识外，更重要的是他们能够合理选择及有效运用知识。推理机(Inference Engine，IE)是智能系统中实现基于知识推理的部件是基于知识的推理在机器中的实现。基于知识的
17、推理要解决的问题是如何在问题求解过程中，选择和运用知识，完成问题求解。知识的运用模式称为推理方式；如何选择知识直接决定推理的效果和推理的效率；推理控制的核心是推理控制策略。,5.5推理与决策,传统的形式化推理技术是以经典逻辑为基础的。演绎推理：根据公理系统把一个问题中包含在已知事实中的事实作为结论推导出来。非单调推理：常识推理大量地依赖于默认信息，这种默认信息是指：当且仅当没有事实证明S不成立时，S总是成立的。这种基于默认信息的推理称为默认推理。定性推理：定性推理主要起源于现实世界中物理系统的研究。人们在日常生活中对许多事物的判断很难使用严格的定量方法。如胖、痩和高、矮的判断。定性方法从人类的
18、直观思维出发，它不依赖于定量数值的描述。,5.5推理与决策,决策就是为了实现一定的目标，运用信息分析方法来确定相应行动的过程。决策具有六个要素，首先由于问题具有不确定性，解决问题的办法不会是一个；对K种不同的解决问题的方法有K种不同的解决问题的结果；针对给定的目标，K种不同的结果会出现K种不同的效果（获益或损失）。决策过程描述模型如图5-17所示。,5.5推理与决策,决策过程就是建立合理的、相对于目标而言有效的解决问题的算法和准则，依据准则判断各种求解方法效果的优劣，最后作出合适的决定。,5.6智能机器人,机器人可分为一般机器人和智能机器人。一般机器人指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能
19、的机器人。智能机器人至少要具备三个要素：一是感觉要素，用来认识周围环境状态；二是运动要素，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作。,5.6智能机器人,机器人的感觉要素包括：能感知视觉、接近、距离等的非接触型传感器和能感知力、压觉、触觉等的接触型传感器。感觉要素相当于人的眼、鼻、耳等五宫，它们的功能可以利用诸如摄像机、图像传感器、超声波传感器、激光器、导电橡胶、压电元件、气动元件、行程开关等机电元器件来实现。,5.6智能机器人,机器人的运动要素：至少有一个无轨道型的移动机构，以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮
20、子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制，这种控制不仅要包括位置控制，而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。,5.6智能机器人,机器人的思考要素是三个要素中的关键，也是人们要赋予机器人必备的要素。思考要素包括有判断、逻辑分析、理解，推理、决策等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程，计算机则是完成这个处理过程的主要手段。智能机器人有相当发达的“大脑”。在脑中起作用的是中央计算机，这种计算机与操作它的人有直接的联系，它可以完成按一定目标所需要的执行动作。,5.6智能机器人,图5-18 展示的是一种智能机器人实例。,5.6智能机
21、器人,从广泛意义上，智能机器人是一个独特的进行自我控制的“活物”。智能机器人具备各种内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，因为需要对周围环境进行施效，它还具有各种效应器，如筋肉或称步进电动机，它们使手、脚、触角等“器官”动起来。,5.6智能机器人,智能机器人根据其智能程度的不同分为三种：传感型机器人、交互型机器人和自主型机器人。传感型机器人又称外部受控机器人。机器人的本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构，它具有利用传感信息（包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等）进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。受控于外部计算机，在外部计算机上具有
22、智能处理单元来处理由受控机器人采集的各种信息及受控机器人本身的各种姿态和轨迹等信息，然后发出控制指令指挥机器人的动作。目前机器人世界杯的小型组比赛使用的机器人就属于这样的类型。,5.6智能机器人,交互型机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人机对话，实现对机器人的控制与操作。虽然具有了部分处理和决策功能，能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能，但是还要受到外部的控制。自主型机器人在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。自主型机器人的本体具有感知、处理、决策、执行等模块，可以像自主的人一样独立地活动和处理问题。机器人世界杯的中型组比赛中使用的机器人就
23、属于这一类型。,5.6智能机器人,全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性、适应性和交互性。自主性是指它可以在一定的环境中，不依赖任何外部控制完全自主地执行一定的任务。适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体，根据环境的变化，调节自身的参数，调整动作策略以及处理紧急情况。交互性也是自主机器人的一个重要特点，机器人可以与人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。由于全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究，它能够反映出一个国家在制造业和人工智能等方面的综合水平。因此，许多国家都非常重视全自主移动机器人的研究。,5.6智能机器人,
24、智能机器人按其拥有智能的水平可以分为两类：一是初级智能机器人：具有感受、识别、推理和判断能力，可以根据外界条件的变化，在一定范围内自行修改程序，并对自己作相应调整，修改程序的原则由人预先给以规定。这种初级智能机器人已拥有一定的智能，但没有自动规划能力，初级智能机器人已经达到实用水平。二是高级智能机器人：它和初级智能机器人一样，具有感觉、识别、推理和判断能力，可以根据外界条件的变化在一定范围内自行修改程序。所不同的是修改程序的原则不是由人规定的，而是机器人自己通过学习、总结经验来获得修改程序的原则。所以它的智能高出初级智能机器人。这种机器人拥有一定的自动规划能力，能够自己安排自己的工作。在不要人
25、的照料下完全独立的工作，故称为高级自律机器人，这种机器人也开始走向实用。,5.6智能机器人,机器人智能技术水平划分为以下几类：受控机器人“零代”机器人，不具备任何智力性能，是由人来掌握操纵的机械手；可以训练的机器人第一代机器人，拥有存储器，由人操作，动作的计划和程序由人指定，它只是记住（接受训练的能力）和再现出来；感觉机器人机器人记住人安排的计划后，再依据外界这样或那样的数据（反馈）算出动作的具体程序；智能机器人人指定目标后，机器人独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变为操作机构的运动。因此，它有广泛的感觉系统、智能、模拟装置探测周围情况及自身状态，具有机器人的意识和自我意识
26、。,5.6智能机器人,机器人的语音交流能力是一种重要的能力，语音交谈有两种类型：有限的交谈和有限的理解。在有限的交谈中，在涉及确定话题的情形下，机器人“理解”交谈的全部内容，比方说下棋或摆积木情形下。在有限的理解时，可以同它随意交谈，但是它却远远不能全部理解你的话。美国麻省理工学院教授魏森鲍姆编制的机器人“女士”程序属于此类。“女士”只能表面上理解事件和现象。在进行这种对话时，交谈者只是看起来像是在交谈。“交谈者”实际上不去考虑交谈对方所说的意思，而是把听到的东西作些并不复杂的形式上的改变，组成自己的答话。,5.6智能机器人,除了智能机器人外，国际上正在研究智能可变形飞行器。可变形飞行器是指飞
27、行器在飞行过程中可以改变外形，以适应宽广变化的飞行环境，完成各种任务使命，有效实施控制，提高飞行器的机动能力，改善飞行性能。它与现有的飞行器离散改变后掠角或控制面角度的传统方法不同，可以有效地实现外形的分布式连续式变形。智能可变形飞行器是当今国际航空界对未来飞行器进行探索性研究的一个热点问题。科学家们想让飞行物具有变形金刚的变形能力，以获得更大的飞行灵活性和机动性,5.6智能机器人,对于军用飞机而言，未来变体飞机采用智能变形技术，可以解决不同设计点气动布局的矛盾，改善多功能性，可在短跑道上起飞，大大增加航程，提高其经济性和作战效能。民用飞机采用变体技术可以针对飞行各阶段的不同要求改变机翼的平面形状，如在巡航阶段可增大机翼的展长或改变弯度，以达到提高飞机升阻比，增大航程的目的；或利用发动机进气道和尾喷口变形技术，在保持同样航程的情况下，达到降低噪声，节省燃油的目的。,5.6智能机器人,中国创新杯第二届未来飞行器设计大赛”的获奖作品“凤凰”号变形飞机和“东方破晓”号可变形多用途概念航天飞行器,
