電子發燒友網12月“處理器與DSP特刊”火熱下載中，缺你怎可！

　　本文作者maxfiner結合個人專業寫的一篇文章《我眼中的信號與信息處理》，結合他的項目經歷、感悟寫的一篇有些科普性質的小文。鑒此，作者投稿電子發燒友網，欲與其廣大電子發燒友網工程師網友分享其心得體會，故撰此文，以饗網友。在此，也歡迎更多工程師網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，其實其內涵已經遠遠不止于此。隨著電子信息技術的發展，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業之一（能源汽車電子鋼鐵農業等）。

　　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。所以我們常?？梢钥吹?，很多計算機專業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絡相關的東西。因為這幾者之間都是互通互聯的，不存在嚴格的區分。

　　那么信號與信息處理具體又都主要研究哪些內容呢？根據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，調制，信號的檢測，信號參數的估計和獲取，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。通信的發展已經到達這樣一個地步，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，數字圖像處理的廣泛應用。日常應用中，最常見的就是數碼相機了，自從數碼相機誕生之日起，因其易用性不斷迅猛發展，以至于到目前為止，已經將傳統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果也是一個明證。這也從一個側面也反映了數字信號處理之強大。數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、色彩的調整等等。所有這些都通過數字信號的形式進行處理，也即數字圖像處理。又比如數字電視，安全領域的視頻監控，涉及到了動態圖像的捕獲，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，基于數字圖像處理可開發一套智能視頻檢測算法，組裝成一個視頻監控和存儲記錄裝置，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，即使小偷發現了明面上的攝像頭，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，都構成了嚴重的挑戰?；谝环鶊D像的相鄰區域的相關性冗余，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的靜態圖像壓縮標準。基于DWT（離散小波變換），制定了JPEG2000圖像壓縮標準。

　　第三例，醫學影像處理。本質上也屬于數字圖像處理，但由于在醫學上的廣泛應用，已經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。醫學影像處理極大的革新了醫療診斷和治療手段，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），制造出了能夠呈現高清晰度人體三維影像的計算機斷層掃描。相對傳統的模擬信號形式的X射線成像，清晰度大幅度提升。鑒于在醫學成像領域的革命性創新，發明人還因此獲得了諾貝爾醫學獎。

　　第四例，語音信號處理。語音在人際交流與溝通中，發揮著重要作用，以至于人們平時都已經不大注意到了。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，根據香農采樣定理，采樣率得達到44000赫茲，而這正是CD的數據速率。但是為了更有效的節省信道帶寬，基于AR參數模型等方法，可以將數據速率壓縮到3k-4k左右，而基本不令語音產生較大的失真。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，本質上屬于模式識別，但由于語音的重要應用，已經發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，其數字音樂合成技術令人驚嘆。

　　第五例，軍事應用。就像上面提到的通信應用一樣，軍事應用也為信號處理提供了極為肥沃的土壤。信號處理在軍事領域的應用實在是太廣泛了。我們完全也可以這么來說，是軍事領域的迅猛發展和強烈需求，極大促進了的信號處理的研究和發展。比如二十世紀四十年代，受二戰的強烈刺激，控制論，信息論等理論應孕而生，從而導致導彈、火箭、通信、雷達等領域的開創和發展。比如擴頻通信首先就是在軍事領域得到了廣泛應用，只是到了二十世紀八十年代，才開始進行商業化應用，也就是WCDMA、CDMA2000、TDS等各種3G制式。在軍事應用最為突出的一個領域就是雷達信號處理。諸如SAR（合成孔徑成像），脈沖多普勒雷達，功率譜估計，時頻聯合分析等等，都是信號處理應用的集中體現。相控陣雷達的發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，與相控陣雷達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。模式識別應用相當廣泛，如前面提到的語音識別，又比如人臉識別，指紋識別等等，工業生產制造領域的各種識別檢測等等。換個思路，應用到軍事領域，就是導彈的精確目標識別和打擊（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。和各種科學技術一樣，關鍵還是取決于人類自身，就看以何種方式加以運用，以及應用到什么地方）。模式識別是一個相當廣泛的研究領域，由此也促進了很多理論的創立，產生了很多分支，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域的火熱。比如神經網絡，人工智能，模糊模式識別，支撐矢量機。有些是革命性的創新，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域的活躍。

　　信號處理的應用實在廣泛，難以逐一列舉。就像其他理工領域一樣，都離不開深厚的數學基礎。比如信號處理的一大塊基石：傅立葉變換，是十九世紀法國數學家傅立葉進行熱學分析時創立的。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，時頻聯合分析等多個研究領域的人分頭研究，都以為自己發現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。而且還發現，早在二十世紀上半葉，理論物理學家Grossman就已經根據自身所從事的理論物理領域，對其進行了深入研究。這也再一次表明了數學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展，也離不開通信、計算機、自動控制等多個領域的發展，諸多之間是一種相輔相成，共同促進的關系。同樣，信號與信息處理的應用，更離不開微電子技術的支撐，也正因為微電子技術的迅猛發展，才使得信號與信息處理的應用從理論成為現實，這在以往的幾十年中的案例屢見不鮮，并將在日后體現的更為深刻。

　　信號處理博大精深，前途遠大.當前，我對它的理解仍很膚淺，需要不斷學習，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，信息處理的應用更為廣泛，也更能直接影響人們的生活。或者更拔高一個高度，與信號/信息處理所相關的通信、導航、識別、檢索、傳輸、存儲、分類、識別等領域，將極大的促進人類文明的歷史發展進程，包括賽先生——科學（Science），也會包括德先生——民主（Democracy）。
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——本文選自電子發燒友網12月《處理器與DSP特刊》“Change The World欄目”，轉載請注明出處，違者必究！

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