Základní metody číslicového zpracování signálu a obrazu část II.

Transkript

1 A4M38AVS Aplikace vestavěných systémů Přednáška č. 7 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Základní metody číslicového zpracování signálu a obrazu část II. Radek Sedláček, katedra měření, ČVUT FEL, 2012

2 Obsah přednášky Úvod, motivace do problematiky číslicového zpracování signálu či obrazu (DSP), základní definice a pojmy Digitalizace it signálu Číslicové filtry (FIR, IIR) Převzorkování decimace, interpolace Frekvenční analýza (FFT, DFT) Korelace, autokorelace Komprese obrazové informace (JPEG, MPEG)

3 Decimace signálu Proces, kdy je snižována vzorkovací ífrekvence (v angl. downsampling). Pokud signál je decimován faktorem M, pak f vz_nová = f vz_původní /M M je celé číslo, M>=2. Před operací decimace je nutné omezit šířku pásma, tj. splnit vzorkovací teorém řeší se pomocí anti aliasing filtru

4 Decimace signálu grafické znázornění Z původního ů signálu se vybere každý D tý vzorek, ostatní t vzorky se odstraní (neberou se v úvahu) Příklad: decimace signálu x(n) faktorem D=3

5 Vliv decimace na frekvenční spektrum

6 Proč decimovat? redukce objemu navzorkovaných hdt dat menší nároky na výpočetní č výkon HW, nutno ověřit šířku pásma vstupního signálu jinak může dojít ke nevratné ztrátě informace obsažené v signálu efektivní fkti využití šířky pásma využívám rychlé rychlé vzorkovací obvody, ovšem signál je úzkopásmový

7 Interpolace signálu Proces, kdy je zvyšována vzorkovací ífrekvence. Pokud signál álje interpolován faktorem L, pak f vz_nová = f vz_původní. L Lje celé číslo, L 2 Z důvodu zrcadlení původního spektra po interpolaci musí následovat antialiasing filtr typu dolní propust.

8 Interpolace signálu grafické znázornění Způsob ů realizace: Mezi původní ů vzorky signálu se vkládají nuly Příklad : interpolace signálu x(n) faktorem L = 3 x(n) x L (n) n f vz n f vz *3

9 Vliv interpolace na frekvenční spektrum x(n) Interpolace L = 3 z(n) h(n) y(n) f vz *3 f vz *3 X( ) H( ) X 3 3 Y Z( ) Y( ) Y Y

10 Důsledek použití anti aliasing filtrů při I a D Ačkoliv lineární filtrace a interpolace či decimace jsou tzv. time invariant, i jejich vzájemná kombinace (lineární filtrace + operace interpolace či decimace) NEJSOU záměnné!!! Vzniká tzv. time variant systém!

11 Obecné převzorkování faktorem I/D

12 Způsoby realizace Standardní d uspořádání decimátoru anti aliasing i filter + operace decimace není optimalizováno z hlediska výpočetní výkonu Optimalizované struktury : decimační FIR polyfázové filtry efektivní způsob realizace decimátorů a interpolátorů CIC (cascaded integrator comb) filtry

13 Standardní uspořádání decimátoru Výpočet č konvoluce se provádí v kždé každém hodinovém tkt taktu Výstupní signál je vzorkován M krát menší frekvencí Neoptimalizována struktura s ohledem na výpočetní výkon.

14 Decimační FIR efektivní způsob výpočtu Historie i vzorků uschováno v D klopném obvodu Konvoluce se provádí pouze každý M tý vzorek x(n) Z -1 Z -1 b 0 b 1 b 2 N-násobný D-klopný obvod Hodiny = f s / D y(m) D

15 Standardní uspořádání interpolátoru Vt Vstupní signál álje vzorkován I krát kátvětší frekvencí Výpočet konvoluce (výpočet hodnoty filtru) se provádí v každém hodinovém taktu, tj. s frekvencí f s. I Neoptimalizovaná struktura na výpočetní výkon

16 Decimace pomocí polyfázových filtrů

17 INTERPOLACE pomocí polyfázových filtrů

18 Polyfázové filtry rekapitulace Princip: i rozdělení původního ů FIRd do několika kratších viz. předchozí ř slide původní filtr LPF s 16 ti koeficienty se rozdělí na čtyři FIR menší (délka 4) 1. filtr tvoří koeficienty h(0),h(4), h(8),h(12) 2.filtr tvoří koeficienty h(1),h(5), h(9),h(13). atd. Zatímco pro výpočet interpolace 4x je potřeba při délce FIR N=16 celkem 16x4operací, při implementaci pomocí polyfázovýchfiltrůfiltrů jen4x4! To přináší opět významnou úsporu výpočetního výkonu

19 Cascaded integrator comb (CIC) filtry Pomocí ítéto struktury je možné realizovat jak jkdecimátor, tak tki interpolátor Základními stavebními prvky jsou integrátor a diferenciátor

20 Obecná struktura CIC filtrů Decimátor Interpolátor

21 Odvození přenosu Pro integrátor platí ltí( (: ) : v časové oblasti I 1 přenos ve frekvenční oblasti Pro defirenciátor ( C ): v časové é oblasti Přenos ve frekvenční oblasti 1

22 Pro obecnou strukturu Výsledný ý přenos ř CIC filtru Vykazuje tedy frekvenční charakteristiku ve tvaru sinc x/x s nulami na frekvenci f=1/m Počet bitů výstupního signálu: 0. 2

23 Spektrum CIC filtru (M=8, R=8)

24 Obsah přednášky Úvod, motivace do problematiky číslicového zpracování signálu či obrazu (DSP), základní definice a pojmy Digitalizace it signálu Převzorkování decimace, interpolace Číslicové filtry (FIR, IIR) Frekvenční analýza (FFT, DFT) Korelace, autokorelace Komprese obrazové informace (JPEG, MPEG)

25 Diskrétní Fourierova transformace (DFT) Určena č pro výpočet č frekvenčního č spektra navzorkovaného (digitalizovaného) signálu Oproti použití číslicových filtrů získáme nejen informaci o amplitudě, ale i o fázi signálu!

26 Matematická definice DFT Fourierova transformace pro spojitý analogový signál Diskrétní Fourierova transformace DFT n značí časovou oblast k značí frekvenční oblast N délka vstupní posloupnosti

27 Výsledné spektrum je komplexní proměnná Výstupem DFT je komplexní proměnná, ě proto : Amplituda spektra výpočet v MATLABU : funkce abs() Fáze spektra výpočet v MATLABU : funkce angel()

28 Základní vlastnosti DFT Linearita i Periodičnost x(n) i X(k) jsou periodické s periodou N Kruhový ý posun Frekvenční posun Kruhová (cyklická konvoluce) v časové oblasti Obraz obrácené posloupnosti

29 Výpočet IDFT, volba N pro DFT Pro výpočet č lze využít algoritmů ů pro výpočet č DFT! Pro periodickou posloupnost s periodou Np volíme N=k.Np Při splnění této podmínky nedochází na hranici základního intervalu k nespojitosti obálky nedochází k rozmazávání spektra (tzv. leakage spektra) Další podmínka na volbu N : N=2 M nebo vyšší základ (4,8,16) požadováno algoritmy pro FFT (M je přirozené číslo) Pokud nelze vyhovět výše uvedenýmpodmínkám, použije se časové okénko w(n) Pak se pracuje se signálem

30 Vliv velikosti N na rozmazání spektra x(n) Np = 15 (neperiodický) Np = 11 (periodický) n X(k) X(k) Np=12 k Np=15 k

31 Typy oken pro váhování Okna se používajíproomezenínespojitosti pro omezení nespojitosti obálky Existuje mnoho typů oken Nejběžnější okna pro váhování: Obdelníkové (neomezuje nespojitosti ti!) Hanning Hamming Blackman Trojúhelníkové Kairesovo časový průběh, frekvenční charakteristika Hanningova okna, vel. 64 v MATLABU exsituje window visualization tool WVTOOL

32 FFT algoritmus Vysoce efektivní fki způsob ů výpočtu č DFT Většina algoritmů popsána dříve než existovali digitální počítače Nejpoužívanější FFT radix 2 nebo DIT FFT (decimation in time FFT) popsán v r Cooleym a Tukeym Podstata těchto algoritmů spočívá ve využití periodičnosti exponenciály a její různých symetričností (twiddle factor)

33 Výpočetní náročnost DFT N bodová DFT: N x N komplexních násobení N(N1) N.(N 1) komplexních sčítání í Příklad : N = 1024, počet násobení: Počet sčítání: Při délce 1 instrukce 1 µs výpočet DFT trvá cca 2 s!

34 Vlastnosti exponenciály

35 Postup výpočtu FFT 1.krok C lá l ( ) dělí l dý h ( ) Celá posloupnost x(n) se rozdělí na posloupnost sudých x 1 (n) a lichých členů x 2 (n)

36 Odvození X 1 (k) a X 2 (n) dvě ě N/2 bodové DFT ušetří štříse tkt takto 50 % operací!

37 Grafická podoba FFT Liché vzorky Sudé vzorky

38 Postup výpočtu další kroky O k á í t h l it d t ž ákl d í d ji i Opakováním toho algoritmu se dostaneme až na základní dvojice rovnic pro dvojbodovou DFT tzv. butterfly motýlek

39 Algoritmus 8 bodové FFT radix2 Indexy na levé straně bitová reverzace

40 Vypočet DFT pomocí matic

41 Frekvenční rozlišení, možnosti jeho zvýšení Frekvenční č rozlišení (N bodové édft) Zvětšení rozlišení : Decimací redukuje se f vz a tím dochází ke zvětšení rozlišení Doplněním nul do posloupnosti (prodloužením délky záznamu) Použitím frekvenční č lupy

42 Princip frekvenční lupy Využívá se věta o frekvenčním č posunu Vstupní signál se vynásobí komplexní exponenciálou, tím dojde k posunu spektra s frekvencí f 0 do počátku frekvenční osy, ČDP jsou antialiasing filtry, po té se provede decimace faktorem M tím dojde k M násobnému zvětšení frekvenčního rozlišení (na FFT analyzátorech tzv. zoom funkce)

43 Obsah přednášky Úvod, motivace do problematiky číslicového zpracování signálu či obrazu (DSP), základní definice a pojmy Digitalizace signálu Převzorkování decimace, interpolace Číslicové filtry (FIR, IIR) Frekvenční analýza (FFT, DFT) Korelace, autokorelace Datová komprese, metody komprese, obrazová komprese JPEG, MPEG

44 Příklad použití korelační funkce v praxi lokace radarového echa RADAR zkratka z RAdio Detecting and Ranging dvojnásobné použití DSP využívá se algoritmus pro výpočet korelační funkce + filtrace pro odstranění nežádoucího šum

45 Příklad použití korelační funkce v praxi Předpokládejme: x(n) vysílaný signál y(n) odražený signál Pro odražený signál v případě detekce letadla platí: y(n)=k( ) K x(n D) ( +w(n) K je faktor útlumu (záleží na mnoha parametrech vzdálenost RADAR letící objekt, efektivní odrazováplocha) D je časové zpoždění mezi signály y(n) a x(n) w(n) je šum Pro zpracování a vyhodnocení signálu y(n) se používá korelační funkce, pro potlačení šumů se využívá číslicová filtrace signálu Stejný princip měřicí metodyje použit např. u SONARŮ (frekvenční pásmo max. desítky až stovky khz)

46 Význam korelace jak ji můžeme chápat metoda (způsob) ů pro zpracování náhodných h signálů představuje vzájemný vztah mezi dvěma procesy (signály) pokud na sobě závisejí, znamená to, že jsou vzájemně korelovány z hlediska statistiky, pokud jsou závislé, míra korelace je dána tzv. korelačním koeficientem v rozsahu < 1,1> i když korelační koeficient je nulový, ještě to neznamená, že dva signály jsou nekorelované!!! naopak pokud dva signály jsou nekorelované, pak korelační koeficient je nulový

47 Další typické aplikace korelačních funkcí v praxi lt letectví tía vojenská kátechnika RADARY, SONARY technická diagnostika ultrazvuková defektoskopie měřicí technika eliminace šumu, např. šumová termometrie rozpoznávání řeči hledání maximální shody mezi dvěma nahrávkami slovtypické pro rozpoznávání izolovaných slov (např. povely pro řízení počítače apod.)

48 Matematické nástroje pro popis náhodných signálů lze použít např. ř distribuční ib č funkci iči histogram (hustota t pravděpodobnosti) d číselné charakteristiky momenty: Spojité náhodné veličiny Diskrétní náhodné veličiny K obecný moment K centrální (centrovaný) moment Nejvíce používané momenty: střední hodnota a rozptyl náhodné veličiny

49 Výpočet korelačních funkcí pro spojité náhodné veličiny Korelační č funkce mezi signály x(t) a y(t) Autokorelační funkce signálu x(t) Kovarianční funkce mezi signály x(t) a y(t) Autokovarianční funkce signálu x(t)

50 Důležité vlastnosti korelačních funkcí Pro stacionární signály jsou funkce R XX, R XY, K XX, K XY nezávislé áiléna okamžiku (čase) t, závisí pouze na čase (velikost zpoždění) Je li vstupní signál x(t) periodický, stejně tak autokorelační funkce R XX je periodická Autokorelační funkce je sudá,tj. R XX ( )= R XX ( ) Vztahy mezi korelační a autokorelační funkcí a spektrální výkonovou hustotou Wienerovými Chinčinovými vzorci (možnost jak využít DFT či FFT algoritmy pro výpočet korelačních funkcí navzorkovat signál, spočítat spektrum signálu umocněním na kvadrát vypočíst výkonovou spektrální hustotu t S xx po té aplikovat algoritmy DFT či FFT na výpočet korelačních funkční) Pro =0 hodnota autokorelační funkce v počátku představuje celkový výkon signálu!

51 Příklady autokorelačních funkcí bílý šum bílý šum po průchodu RC dolní propustí harmonický signál o frekvenci f 0 harmonický signál o frekvenci f 0 s přidaným šumem

52 Jiný způsob výpočtu korelačních funkcí Výpočet korelační, kovarianční, autokorelační a autokovarianční funkce pomocístřední hodnotyv čase (spojitý čas) Matematickádefinice : Integrální počet: věta o střední hodnotě

53 Výpočet pro spojité signály v čase Korelační funkce mezi signály x(t) a y(t) Autokorelační funkce signálu x(t)

54 Výpočet pro spojité signály v čase Kovarianční funkce mezi signály x(t) a y(t) Autokovarianční funkce signálu x(t)

55 Výpočet pro diskrétní signály v čase Zcela analogicky jako v případě spojitých signálů v čase např. Autokorelační funkce signálu x(t) Posunutí je reprezentováno celistvým násobkem r periody vzorkování T

56 Výpočet pro diskrétní signály v čase V praxi je doba měření, resp. velikost N (počet č navzorkovaných hdt) dat) omezené Výpočtem podle předchozích vztahů dostáváme vychýlené odhady skutečných R XX, R XY, K XX, K XY Řešení : Největší hodnota, resp. rt se bere jako desetina T M, resp. N

57 Aplikace korelačních funkcí 1) Určení č časového zpoždění mezi dvěma ě podobnými iději: A) známe li rychlost šíření signálu v, můžeme určit vzdálenost d (případ radaru, sonaru,ultrazvuk. diagnostika) B) známe li vzdálenost d např. dvou snímačů (senzorů), můžeme vyhodnotit rychlost v např. pohybu kapalin apod. Autokorelační funkce má své maximum pro zpoždění T d =d/v

58 Aplikace korelačních funkcí 2) Zjištění periodicity it signálu Máme li např. signál podobný náhodnému a je li perioda relativně dlouhá, je obtížné peridiocitu signálu odhalit a určit Autokorelační funkce opět periodická, silná lokální maxima pro =0 a násobky k té periody signálu T

59 Aplikace korelačních funkcí 3) Dtk Detekce periodického signálu v šumu Lze určit periodu signálu Lze stanovit poměr S/N Odvození: Odstup signál šum

60 Aplikace korelačních funkcí 4) Identifikace soustav nalezení íimpulzní odezvy h(t) Přivedeme na vstup testované soustavy bílý šum n b (n) Spočítáme vzájemnou korelační funkci mezi n b (n) a výstupem y(n) ta odpovídá přímo impulzní odezvě systému Pro x(n)=n b (n) 107

61 Použitá literatura pro další samostudium Uhlíř, J. Sovka P.: Číslicové zpracování signálů, skripta, ČVUT, Sedláček, M. : Zpracování signálů v měřicí technice, skripta,čvut,, Proakis, J. G. Manolakis, D. J.: Digital signal processing: Principles, Algorithms andapplications 108