工程概论信息传输总结.ppt

感前半期所学 前五章 知识要 对本课程的学习体会和教学建议 电子三班20121642于洋 大作业四 1 1电子信息产业概述 电子信息产业中国电子工业体制变迁一组令人深思的数据世界主流电子产品2012年电子信息产业统计分析我国电子信息产业的主要问题产业尴尬 电子信息产业 电子信息产业是研制和生产电子设备及各种电子元件 器件 仪器 仪表的工业 属军民结合型工业 由广播电视设备 通信导航设备 雷达设备 电子计算机 电子元器件 电子仪器仪表和其他电子专用设备及系统等生产行业组成 既包括信息硬件设备制造业 软件业 也包括信息设备提供与信息服务业 是一个横跨第一 二产业与第三产业的特殊产业 电子信息产品具体细分为投资类产品 消费类产品和元器件产品三个大类 从产业链角度可分为 终端产品 如手机 电脑 电子中间产品 如汽车音响 空调 配件 如电脑主板 显卡 电子元器件 如集成电路 电阻 电感 电容 电子行业产业链主要有 通信产业链 计算机及外设产业链 软件产业链 数字视听产业链 集成电路产业链 新型平板显示产业链 产业链 移动通信产业链等 中国电子工业体制变迁 行业管理体制的变革是电子工业体制变迁的重要组成部分 它直接反映了政府和企业在电子工业演进过程中的角色变化 1950年4月 建制在重工业部内的电子工业局成立 1953年4月 电信工业局为第二机械工业部第十局 1963年 电子工业成立第四机械工业部 1986年底 国家合并了机械部和兵器部 成立了国家机械工业委员会 电子工业改由国务院机械工业委员会归口管理 1988年7月 成立机械电子工业部 1990年 成立全国机电工业全行业统筹规划领导小组 1993年6月 成立电子工业部 1998年3月 成立信息产业部 II信息采集 信息流程 传感器技术信号变换与分析技术 2 1传感器技术 信息产生和信息采集是信息流的根源 传感器原理及应用 课程为我们开启那扇窗 传感器原理及应用 传感器原理及应用是电气工程 自动化类等相关专业的具有较强实践性的一门重要的专业技术课程 2 1 1 传感器原理及应用 本课程主要介绍传感器的基本概念 重点讲解传感器的特性指标及各类传感器的基本原理及相应的测量电路 同时也介绍各类传感器的实际应用及传感器技术发展的状况及新成果 要求学生掌握常用传感器的原理 输出特性及典型的测量电路并能合理地选择和使用传感器 结合实际应用 培养和锻炼学生去组建非电测量和控制系统的实际能力 传感器原理及应用 课程内容主要包括 传感器的基本特性 电阻应变式传感器 电容式传感器 电感式传感器 磁电式传感器 压电式传感器 热电式传感器和现代传感器等知识 课程在实验教学方面很有特色 在基础性实验的基础上开设综合性 设计性 应用性实验 同学可以根据自己的兴趣和学习计划来选择实验内容 鼓励同学进行创新实验 2 2 2传感器技术及其应用 传感器技术在现代信息技术中有着举足轻重的作用 是现代信息技术的一大支柱 传感器技术已经广泛应用于智能建筑 环境监测 军事科研等各个领域 传感器技术已经成为智能化仪表 测量仪器 自动控制系统中不可缺少的感知元件 传感器技术为我们的学习和生活带来了诸多便利和帮助 传感器技术 传感器的作用传感器一般由敏感元件 转换元件和基本电路组成 传感器的直接作用与功能就是测量 即获取被测量对象的信息 利用传感器可以实现对被测对象的测量 在此基础上进行分析 反馈 处理 从而掌握被测对象的运行状态与趋势 传感器技术 传感器的分类传感器按其敏感的工作原理 一般可以分为物理型 化学型和生物型三大类 物理性传感器是利用某些敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能而制成的传感器 如应变式传感器是利用金属材料在外力作用下产生的电阻值变化的应变效应原理实现测量的 压阻式传感器是利用半导体材料在外力作用下产生的电阻值变化的压阻效应原理实现测量的 电容式传感器是利用电容器在外力作用下产生的的电容值变化实现测量的 电感式 差动变压器式传感器是利用磁阻随被测量变化的简单原理 压电式传感器是利用压电材料的压电效应实现测量的 传感器按其输出信号的形式 分为模拟型传感器和数字型传感器 传感器技术 传感器的材料传感器技术的重要基础是传感器的材料 任何一种传感器 都需要选择合适的材料来制作 并且要求所使用的材料具有优良的机械特性 禁止有材料缺陷 近些年来 在传感器的技术领域 所应用的新型材料主要有 半导体硅材料 包括单晶硅 多晶硅 非晶硅等 由于它具有优良的机械特性和电学特性 并且可以相互兼容 因此 可采用硅材料研制各种类型的硅微结构传感器 石英晶体材料 包括压电石英晶体和溶凝石英晶体 它具有机械性能好 精度高和温度稳定性极好的特性 同时天然的石英晶体还具有优良的压电特性 因此 通常可采用石英晶体材料研制各种迷你的高精密传感器 功能陶瓷材料 陶瓷材料有很强的稳定性 许多新型传感器是利用某些精密陶瓷材料的特殊功能来达到测量的目的 因此 新型传感器有着十分重要的意义是探索已知材料的新功能或者研究具有新功能的新材料 传感器应用举例 在被困人员救助过程中 利用Zigbee技术和CAN总线技术对被困人员进行准确定位研究 其中Zigbee定位节点就用到了压电传感器 DS18B20是单总线数字型温度传感器 每个DS18B20都有一个独一无二的序列号 实际应用中不需要任何元器件即可实现测温 只需一个端口就可以与单片机实现双向通信 用户设定的报警温度储存在EEPROM中 即使在断电情况下依然可以保存 温度是以9 12位数字量显示 多个DS18B20可以并联在唯一的三线上 可实现多点组网功能 DS18B20可以广泛应用于防火 救援等各个领域 有很好的应用前景 传感器应用 传感器技术在有机磷农药残留检测中的应用 传感器应用 基于传感器技术的炮控性能指标测试系统 传感器应用 传感器技术在机电一体化中的应用机器人用传感器机械加工过程的传感检测技术汽车自动控制系统中的传感技术使用曲轴位置传感器 吸气及冷却水温度传感器 压力传感器 气敏传感器等各种传感器 基于传感器技术的工业设备诊断系统 物联网与传感器 2 2信号变换与分析技术 信号变换signaltransformationsignalconversion按照一定的规律 将输入信号转换成另外一种形式的信号输出 规律一般是指线性转换或是一一对应的 例如电压变电流 电流变频率 电阻变电压 模拟信号变数字信号等等 2 2 1相关课程简介 电路分析A 含实验 介绍电路的基本概念与基本定律 电阻电路的等效变换 线性电路的基本分析方法 线性电路的基本定理 含有理想运放的电路分析 正弦交流电路的稳态分析 含有互感的电路 三相交流电路 周期性非正弦电流电路 双口网络 一阶电路的时域分析 二阶电路的时域分析 拉普拉斯变换及其应用 状态变量法 非线性电阻电路等 通过对本课程的学习使学生掌握电路分析的基本定律 定理 分析方法以及初步的实验技能等 培养学生科学的思维方式 提高学生分析问题 解决问题的能力 为专业课的学习以及科学研究 工作生活打下扎实的基础 2 2 1相关课程简介 数字信号处理 含实验 本课程在介绍数字信号 系统和信号处理等基本概念的基础上 讨论采样定理 离散时间信号与系统 信号的频率分析 线性时不变系统的频域分析 离散傅里叶变换及其快速实现算法 重点讲解数字滤波器的实现和设计 包括有限冲击响应和无限冲击响应两类滤波器 通过对本课程的学习 使学生了解数字信号的基本概念 掌握数字信号处理的基本理论和方法 为将来从事相关领域工作和科学研究奠定坚实的基础 2 2 1相关课程简介 信号与系统 含实验 本课程为电类专业的技术基础课 同时也是分析信号与系统的有力工具 通过本课程的学习使学生掌握连续信号与系统 线性时不变 离散信号与系统 线性时不变 的时域分析和变域分析的基本理论与方法 培养学生的抽象思维能力和综合应用知识解决问题的能力 为今后的学习和研究打下良好基础 课程主要内容 信号与系统概论 连续信号与系统的时域分析 连续信号与系统的频域分析 连续信号与系统的复频域分析 连续信号与系统的状态变量分析 离散信号与系统的时域分析 离散信号与系统的Z域变换分析等 2 2 2信号变换与分析技术 低压电器信号变换技术基于局部属性的时频分析方法小波变换与信号的时频分析小波变换与傅立叶变换相结合的信号实例分析基于虚拟仪器的生命信号小波变换分析技术基于小波变换的机械故障信号的检测与分析卫星定位系统信号变换过程分析 3 1信息论 信息是人类社会互通情报的实践过程中产生的 在当今信息社会中 常把它作为人们认识世界的向导与智慧的源泉 也是社会与社会生产力发展的动力与资源 信息作为一种资源 如何开发 利用 共享是人们普遍关注的问题 信息是信息论中最基本最重要的概念 信息论是应用近代数理统计方法研究信息的传输 存储与处理的科学 其基本任务是为设计有效而可靠的通信系统提供理论依据 并成功应用 信息论在数据压缩 密码学 统计及信号处理等领域有广泛应用 相关课程简介 信息论与编码 本课程在介绍信号 信息 信源 通信模型和信息熵等基本概念的基础上 介绍了信道和信道容量的相关概念和计算方法 另外 该课程重点介绍了各种编码的方法 包括定长编码定理 香农编码 费诺编码 霍夫曼编码 信道编码 纠错码 线性分组码 生成矩阵和译码等 最后 对加密编码进行了介绍 培养学生利用信息论的基本原理分析和解决实际问题的能力 为进一步学习和研究通信 信号处理 智能信息处理等信息科学相关领域的技术奠定良好的理论基础 信息论在数据压缩理论中的应用 信息论之父香农在1948年发表的论文 通信的数学原理 一文中指出 任何信息都有冗余 冗余大小和信息中每个符号的出现概率或者说不确定性有关 香农把信息中排除了冗余后的平均信息量称为信息熵 并给出了计算信息熵的数学表达式 这为数据压缩奠定了理论基础 数据压缩的主要目的是力求用最少的数据表示信源所发出的信号 使信号占用的存储空间尽可能小 以达到提高信息传输速度的目的 数据压缩在近代信息处理问题中有大量的应用 无论在数据存储或传送中 通过数据压缩可以大大节省资源利用的成本 如用在多媒体技术 远程视频监控系统中 数据压缩作为信息论研究中的一项内容 主要是有关数据压缩比和各种编码方法的研究 即按某种方法对源数据流进行编码 使得经过编码的数据流比厡数据流占有较少的空间 其中基于符号频率统计的哈夫曼编码效率高 运算速度快 实现方式灵活 使得其在数据压缩领域得到了广泛的应用 信息论在密码学中的应用 密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学 从传统意义上来说 密码学是研究如何把信息转换成一种隐蔽的方式并阻止其他人得到它 密码术的研究和应用虽有很长的历史 但在信息论诞生之前 它还没有系统的理论 直到香农发表的保密通信的信息理论一文 为密码学确立了一系列的基本原则与指标 如加密运算中的完全性 剩余度等指标 它们与信息的度量有着密切相关 之后才产生了基于信息论的密码学理论 所以 信息论与密码学的关系十分密切 近代密码学由于数据加密标准与公钥体制的出现与应用 使近代密码学所涉及的范围有了极大的发展 尤其是在网络认证方面得到广泛应用 但其中的安全性原理与测量标准仍未脱离香农保密系统所规定的要求 多种加密函数的构造 如相关免疫函数的构造仍以香农的完善保密性为基础 信息论在统计中的应用 信息论在统计中的应用一般指信息量在统计中的应用 也有编码定理与码结构在统计中的应用等问题 由于统计学研究的问题日趋复杂 如统计模型从线性到非线性 统计分布从单一分布到混合分布 因此信息量在统计中的作用日趋重要 在许多问题中以信息量作为它们的基本度量 信息与统计相结合的其他典型问题还很多 如假设检验中的两类误差估计问题 试验设计问题 信息量在有效估计中的应用问题等 这些问题已使信息论与统计学想成相互推动发展的局面 3 2通信与编码 通信是人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递 从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下无论采用何种方法 使用何种媒质 将信息从某方准确安全传送到另方 编码是用预先规定的方法将文字 数字或其他对象编成数码 或将信息 数据转换成规定的电脉冲信号 编码是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程 编码在电子计算机 电视 遥控和通讯等方面广泛使用 相关课程简介 通信原理 本课程在信号和系统的频域分析方法的基础上 介绍基本的模拟调制解调技术 重点介绍数字通信系统的基本原理 包括数字基带传输系统 数字频带传输系统 模拟信号的数字化传输以及各种通信系统的抗噪声性能分析 通过本课程的学习 使学生熟悉信号频谱的概念及系统的频域分析方法 掌握基本的调制解调技术 为后续信息传输类专业课程打基础 通信电路 本课程主要介绍典型的无线通信系统的构成以及无线电信号传输原理 高频设备中的高频电子线路的组成 原理和分析方法 主要内容包括 高频绪论 选频网络 高频小信号放大器 高频功率放大器 正弦波振荡器 振幅调制与解调 角度调制与解调等 通过理论和实践的教学 使学生掌握高频电子线路的基本原理与分析方法 贯彻理论联系实际的原则 培养学生分析问题和解决问题的能力 为将来从事相关领域工作和科学研究奠定坚实的基础 数字通信系统 数字通信具有以下优点 抗 扰能力强 传输差错可控 便于对数字信息进行处理 变换和存储 易于集成 安全性好 数字通信系统传输的是数字信号 因此数字通信的发展速度己经明显的超过模拟通信 数字通信的基本结构 信息源产生的数字信号需要经过编码电路的转换后进入信道传输 这样可以在接收端进行检错与纠错 从而降低了误码率 提高了传输的质量 脉冲宽度编码 PIE PulseIntervalEncoding 全称为脉冲宽度编码 原理是通过定义脉冲下降沿之间的不同时间宽度来表示数据 PIE编码是标准前向链路通信时采用的数据编码方式 它通过脉冲间隔 PulseInterval 的不同长度来区分数据0和l 且在任一符合数据的中间产生一次相位翻转 如下图所示 PIE编码的极性翻转特性使得编码数据可无二义性地进行译码 且物理上实现容易 CDMA通信编码 扩频序列设计和选择是码分多址 CDMA 数字蜂窝移动通信的关键技术之一 扩频码序列的设计就是构造不同结构的具有良好特性的伪随机序列来满足CDMA系统的要求 目前研究最深入的和使用最多的是m序列和Gold序列及Walsh序列 周期为N的m序列 码元宽度为幅值为 1或 1的矩形波信号 则m序列信号周期自相关函数是 通信编码举例 一种GSM短消息通信编码方法一种码率可调节的高质量语音编码算法多源分布式协作空时网络编码系统 3 3计算机网络 计算机网络 是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备 通过通信线路连接起来 在网络操作系统 网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下 实现资源共享和信息传递的计算机系统 相关课程简介 计算机网络 本课程按照TCP IP网络体系结构 分层次系统地介绍计算机网络的基本概念 包括物理层 数据链路层 网络层 传输层及应用层 在介绍网络各层基本原理实现方法时 结合了近年来迅速发展的网络技术 如无线局域网 IPv6 WiMax移动通信 卫星通信等 并安排3次计算机网络实验与编程实践 通过本课程的学习 帮助学生获得必要的计算机网络基本知识 了解学科发展前沿 掌握计算机网络各层协议主要技术和方法 增强网络相关的应用系统设计和实现能力 促进专业素质的提高 3 3 1计算机网络技术的发展 计算机网络的发展历程三个阶段 1 二十世纪五十年代初期 第一次将计算机技术与通信技术结合 美国军方所使用的地面防空系统将系统中进行测量控制的相关设备和系统中的远程雷达进行连接尝试 将两者同时连接到一台中央计算机上 从此打开了计算机网络的大门 2 二十世纪六十年代 分组交换的产生 1969年美国国防部下属的高级研究计划局建立起来的ARPA网络 即著名的远程网络 3 二十世纪七十年代中期 网络标准化阶段 LAN局域网络出现 美国的IBM公司首先公布计算机网络的SNA标准 也就是系统网络标准 在这之后的DEC公司也提出了DNA标准 也就是数字网络体系结构 计算机网络技术主要类别 第一 局域网 LAN网络 这是现在人们应用最广 最常见的一种计算机网络 又包括了以太网 令牌环网和城域网三个种类 第二 ATM 即异步传输模式 是一种能够在高速网络当中对数据进行传输以及交换的计算机网络模式 其支持WAN和LAN 能够让局域网和广域网之间实现无缝连接 第三 传感器网络 将传感器技术 分布式信息处理技术 嵌入式计算技术以及通信功能融合在一起 使其不但能够探测感知到信息 同时还能够对信息进行采集和传输处理 3 3 2常见几种计算机网络协议 局域网协议 针对局域网上的信息交流而制定的标准 常用的三种局域网协议 NetBEUI IPX SPX及其兼容协议和TCP IP NetBEUI协议主要适用于微软的早期操作系统 它占用内存小 使用简单 运行速度快 效率高 它不具有路由功能 它制定的标准主要是为小型网络进行服务的 比如在小型网吧或者办公室里 由十几台电脑组成的小型网络系统可以使用NetBEUI协议 IPX SPX协议中 IPX针对的是互连网络分组交换 SPX针对的是顺序分组交换 IPX能够保证信息在互联网上传输具有透明性和一致性 它具有路由选址以及分组选址的功能 SPX具有信息传递的可靠接口 能够保证数据的传递准确无误 借助该协议可以进行联机玩游戏 比较方便实用 TCP IP协议是目前计算机网络系统中应用最广的 TCP是指传输控制协议 主要是保证在传输层中字节流投递服务的可靠性 IP是指网间网协议 主要是保证在网络层中无连接的分组投递系统的可靠性 计算机网络协议 广域网协议 对不同的广域网上的通信进行定义 如PPP DDN以及ISDN协议 PPP协议 即点到点协议 主要用于广域连接 比如 拨号上网 模式 该协议不仅能实现主机到网络的连接 而且还能实现路由器之间的连接 DDN协议 即数字数据网 它可以借助数字信道对网络信息进行快速的传递 该协议可以和客户终端设备直接连接 还能和用户网络连接 该协议具有连接方式灵活 网络延时小 传输效率高 传输业务多等优点 ISDN协议 即综合业务数字网 它的基本速率接口具有2个B信道和一个D信道 B信道主要用来传输数据信息 而D信道主要用到传输控制信号 该协议为端与端之间的信息传递提供了数字通道 传递的速度快 效率高 质量可靠 此外还可以对数据 语音以及图像等多种信息进行传输 计算机网络协议 路由选择协议 可以在众多路径中进行选择和交换 它可以分为内部路由协议和外部路由协议 路由选择协议有很多种 如RIP EGP以及OSPF路由协议 RIP协议开发比较早 使用比较广泛 属于内部路由协议 RIP协议适合于小型的网络系统 它具有运行简单 会聚时间慢 便于使用和配置等特点 EGP协议是一种距离向量协议 它是第一个外部路由协议 在EGP协议中 引入了自治系统 该协议只在该自治系统负责的网络中进行信息的广播 从而可以优化网络上的信息量 OSPF路由协议是将外部和内部自治系统进行集成的一个协议 它不仅可以对网络主干上的信息进行访问交换 还可以在每个自治系统内进行信息的处理 OSPF路由协议比较复杂 适用于比较复杂的网络 3 3 3计算机网络数据的交换技术 交换设备是一种信息交流最主要的通信设备 在人们相互交流中起着至关重要的作用 随着信息时代的进步 人们由简单的异地通话到可视通话 文字 图像相互传播 到ATM异步传输技术 在交换发展历程中 数据交换模式主要从起初的电路交换到报文交换 由分组交换再到综合业务数字交换整个过程 网络数据的交换技术 电路交换 主要有人工对接方式 到计算机技术交换传输方式 正在发展结合多媒体格式相互通信的软交换通信模式 半电子交换机 全电子交换机 报文交换 主要的传播方式是通过数据一次性的发送到目的节点 这个数据传送其不限制长度 但是存在可变性 当人类在进行交流传送时是将开始站点所要发送的信息传输附加到目的站点报文上 所传送的重点就是报文上发送的后一个站点 一直到最后一个节点为止 分组交换 分组交换中结合了电路交换技术与报文交换技术的特性 通过统计复用方式 宽带的利用率大大提高 通常以无连接或面向连接方式 使用不固定延续的方式传送数据信息 3 3 4计算机网络安全存在问题及其防范措施 计算机网络安全主要涵盖硬件 软件 运行 数据以及信息等方面的安全问题 涉及网络信息的完整性 真实性以及保密性等 计算机网络所面临的安全隐患 网络系统内存在安全隐患 操作系统网络安全漏洞 网络自身的安全威胁 物理链接方式接入窃取 系统配置问题引发安全漏洞 开放Telnet 匿名FTP 缺乏口令文件安全保护等 计算机病毒泛滥 计算机网络管理上存在的安全隐患等 网络安全防范措施 防火墙技术数据加密技术入侵检测技术防病毒技术注重备份和恢复 3 3 5计算机网络技术对人类社会发展的影响 网络对人类生活的影响可以说是革命性的 它改变了人们传统的生活方式 通过Internet 人们可以从浩如烟海的信息中查询到自己需要的部分 可以和远隔重洋的亲朋好友互通音讯 可以和未曾谋面的陌生人交流情感 可以坐在家中接受全球各地医学专家的会诊 可以实现网上购物 网上婚礼 网上营销 网上政府 凡此种种 都是人们过去所不能想象的 信息化与数字化和网络化的高度一体化的信息交流方式使人们明显感觉到这种新的方式带给我们的快捷与自由 开放与互动 同时 也有一些人利用网络牟取暴利 违背了理性 超越了法制的界限而给社会和个人带来极大危害 网络技术对人类社会发展的影响 网络空间的虚拟性 让人们在这个空间里过于放纵自己 沉迷于这样的虚拟世界 人们过于沉迷于游戏 沉迷于网络 而造成了现实中的一些危害 甚至危害到个人的学业 财产和生命 网络的开放性使得个人的隐私安全得不到根本保障 网络技术对人类社会发展的影响 网络化的交往是 虚拟 的交往 社会成员可以在任何时间 任何地点 就任何内容与自己所关心的对象进行交流 它一方面使道德活动的范围大幅度拓宽 引发了社会价值观念互动方式的更新 世界各地区 各民族的风俗习惯 价值观念以虚拟方式呈现在人们面前 为个体道德的社会化提供了一个广阔的舞台 为传统伦理道德的发展注入了新的生机和活力 另一方面 网络使现实的真实的社会道德关系日趋松散 使人际关系淡漠 情感疏远 人们在网络上交流时 言谈举止都被转换成二进制的语言 人的音容笑貌以数字化方式在屏幕上传播 人成了数码化的存在 IV信息处理 4 1信息处理概述4 1 1信息处理相关概念4 1 2信息处理技术的发展史4 1 3信息处理技术的革命性变革4 1 4信息处理分类4 1 5信息处理技术类型 4 1 1信息处理相关概念 信息处理就是对信息的接收 存储 转化 传送和发布等 随着计算机科学的不断发展 计算机已经从初期的以 计算 为主的一种计算工具 发展成为以信息处理为主的 集计算和信息处理于一体的 与人们的工作 学习和生活密不可分的一个工具 信息处理技术是指用计算机技术处理信息 计算机运行速度极高 能自动处理大量的信息 并具有很高的精确度 由于信息通常载在一定的信号上 对信息的处理总是通过对信号的处理来实现 所以 信息处理往往和信号处理具有类同的含义 信息处理的目的主要是 提高有效性 提高抗干扰性 改善主观感觉的效果 对信息进行识别和分类 分离和选择信息 总之是为了更好地与信宿的性质相匹配 舍弃那些对信宿无关的部分 突出信宿需要的有用部分 信息处理的一个基本规律是 信息不增原理 这个原理表明 对载荷信息的信号所作的任何处理 都不可能使它所载荷的信息量增加 一般来说 处理的结果总会损失信息 而且处理的环节和次数越多这种损失的机会就越大 虽然信息处理不能增加信息量 却可以突出有用信息 提高信息的可利用性 4 1 2信息处理技术的发展史 有信息就有信息处理 人类很早就开始了信息的记录 存储和传输 原始社会的 结绳记事 就是指以麻绳和筹码作为信息载体 用来记录和存储信息的 文字的创造 造纸术和印刷术的发明是信息处理的第一次巨大飞跃 计算机的出现和普遍使用则是信息处理的第二次巨大飞跃 长期以来 人们一直在追求改善和提高信息处理的技术 大致可划分为三个时期 手工处理时期 手工处理时期是用人工方式来收集信息 用书写记录来存储信息 用经验和简单手工运算来处理信息 用携带存储介质来传递信息 信息人员从事简单而繁琐的重复性工作 信息不能及时有效地输送给使用者 许多十分重要的信息来不及处理 甚至贻误战机 机械信息处理时期 随着科学技术的发展 以及人们对改善信息处理手段的追求 逐步出现了机械式和电动式的处理工具 如算盘 出纳机 手摇计算机等 在一定程度上减轻了计算者的负担 以后又出现了一些较复杂的电动机械装置 可把数据在卡片上穿孔并进行成批处理和自动打印结果 同时 由于电报 电话的广泛应用 也极大地改善了信息的传输手段 机械式处理比手工处理提高了效率 但没有本质的进步 计算机处理时期 随着计算机系统在处理能力 存储能力 打印能力和通信能力等方面的提高 特别是计算机软件技术的发展 使用计算机越来越方便 加上微电子技术的突破 使微型计算机日益商品化 从而为计算机在管理上的应用创造了极好的物质条件 这一信息处理时期经历了单项处理 综合处理两个阶段 现在已发展到系统处理的阶段 这样 不仅各种事务处理达到了自动化 大量人员从繁琐的事务性劳动中解放出来 提高了效率 节省了行政费用 而且还由于计算机的高速运算能力 极大地提高了信息的价值 能够及时地为管理活动中的预测和决策提供可靠的依据 4 1 3信息处理技术的革命性变革 第一次信息处理技术上的革命是语言的出现和使用 第二次信息处理技术上的革命是文字的发明和使用 第三次信息处理技术上的革命是印刷术的发明 第四次信息处理技术上的革命是电报 电话 广播和电视的使用 第五次信息处理技术上的革命是计算机技术和通信技术的融合 语言的出现和使用 在史前阶段 人类以手势 眼神 动作或某种信号 如点燃烽火 敲击硬物等 传递信息 用感觉器官接受各种自然信息 并与之相适应 但当时信息处理的器官 大脑还不发达 自从人类认识到火的作用这一系统信息以后 从茹毛饮血进而到熟食 取暖 制陶 冶炼 从单纯适应客观世界变成利用信息来改造世界 从而扩大了人类活动和交际的范围 在生产活动和社会活动中 人们需要不断交流信息 于是就产生了语言 语言因此成为人类信息交流的第一载体 语言是人类区别于其他生物的重要特征 并始终对人类社会的发展和人类文化的演进有着重要影响 因为人的逻辑思维离不开语言 语言是思维的工具 同时语言又是人类进行意识交流和传播信息的工具 通过语言进行信息交流 人类不但获得了大量的信息 同时也促进了人类信息处理器官 大脑的进一步发展 在这一历史时期 人类依靠大脑储存信息 通过语言进行信息的交流和传播 信息技术 信息技术的核心是现代的计算机技术和通信技术的融合 1946年美国发明了第一台电子计算机 1957年 前苏联发射了第一颗人造卫星 计算机的发明和现代通信技术的使用把人类开发利用信息资源的技术发展和推进到了计算机通信的新阶段 计算机与通信技术的结合不是简单的相加 而是产生了 惊人 的放大效应 计算机作为信息处理工具 其信息存储 处理 传输能力是当今任何其他技术无法与之相比的 现在 以计算机为核心的信息技术几乎涉及到人类社会的各个方面 从经济到政治 从生产到消费 从科研到教育 从社会结构到个人生活方式 信息技术影响之广 作用之大 令人惊叹 信息技术从社会生产力和人类智力开发两个方面推动着社会文明的进步 对人类社会必将产生深刻而久远的影响 4 1 4信息处理分类 提高有效性的信息处理 根据信宿的性质和特点 压缩信息量的各种方法都属于这一类 例如 通过过滤 预测 信源编码和阈变换等方法 就可以在一定程度上压缩频带 压缩动态范围 压缩数据率 提高抗干扰性的信息处理 针对干扰的性质和特点 对载荷信息的信号进行适当的变换和设计 例如 通过过滤和综合来消除画面的条纹干扰或孤立斑点 通过适当的设计使信号具有较强的相关性来抑制随机噪声的干扰 通过对信号附加适当的剩余 使信号具有发现和纠正错误的能力等 都是这类信息处理技术的应用实例 改善主观感觉效果的信息处理 这类技术主要应用在图像处理方面 例如通过灰度变换和修正 通过频率成分的加重和调整来改善图像的质量 为了便于观察图像各个部分的差别 把灰度差转换为色彩差 形成假彩色图等 此外 广播中的立体声处理也是改善主观感觉效果的信息处理技术 信息处理分类 识别和分类的信息处理 这是信息处理技术发展较快的一个分支 通常称为模式识别 根据用户要求 合理地抽取模式的特征 然后根据一定的准则来对模式进行识别和分类 主要有两类 基于模式的统计特征和统计推断理论的统计识别方法 基于模式结构特征和文法推理的文法识别方法 数码识别 文字识别 语声识别和特定图形 如指纹 染色体 癌细胞等 的识别等都取得了较大进展 选择与分离的信息处理 通常从内容随时增减变动的数据库中有选择地提取信息 或情报检索和文字加工等 都属于信息选择 另外一类是分离信息 如在多数人交谈的环境中 只选取一个人的讲话 这需要有发话者的语声识别器 例如 利用基频和音调等特征来识别出选择的对象 然后再将有关信息提取出来 在场景识别中 为了从背景中将活动物体图像分离出来 可以仿照蛙眼识别活动目标的原理 通过侧抑制方法来实现 4 1 5信息处理技术类型 1 信息系统技术人类对信息的管理和利用 都是通过信息系统这个工具来完成的 各种系统也只有集成为综合系统才能充分发挥作用 信息系统技术是以计算机为中心 以数据库和通信网络技术为依托实现对信息处理的技术 2 数据库技术我们生活在信息海洋中 但信息是混乱的 无序的 只有将混乱无序的信息变成有序 才能查找和利用 将信息进行整序是数据库技术的核心内容 它能将相关的信息集合 实现信息的有序存储和有效利用 3 检索技术 4 2数字信号处理 4 2 1相关概念4 2 2相关课程简介4 2 3数字信号处理技术的发展历程4 2 4数字信号处理技术的应用4 2 5数字信号处理技术发展趋势 4 2 1相关概念 信号 signal 是信息的物理体现形式 或是传递信息的函数 而信息则是信号的具体内容 模拟信号 analogsignal 指时间连续 幅度连续的信号 数字信号 digitalsignal 时间和幅度上都是离散 量化 的信号 数字信号可用一序列的数表示 而每个数又可表示为二制码的形式 适合计算机处理 信号处理的内容 滤波 变换 检测 谱分析 估计 压缩 识别等一系列的加工处理 模拟信号处理缺点 难以做到高精度 受环境影响较大 可靠性差 且不灵活等 数字系统的优点 体积小 功耗低 精度高 可靠性高 灵活性大 易于大规模集成 可进行二维与多维处理 数字信号处理就是用数值计算的方式对信号进行加工的理论和技术 英文digitalsignalprocessing 简称DSP 数字信号处理器 它是集成专用计算机的一种芯片 只有一枚硬币那么大 有时人们也将DSP看作是一门应用技术 称为DSP技术与应用 广义上 数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析 变换 滤波 检测 调制 解调以及快速算法的一门技术学科 狭义认为 数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术 离散变换快速算法和谱分析方法 4 2 2相关课程简介 数字信号处理 含实验 本课程在介绍数字信号 系统和信号处理等基本概念的基础上 讨论采样定理 离散时间信号与系统 信号的频率分析 线性时不变系统的频域分析 离散傅里叶变换及其快速实现算法 重点讲解数字滤波器的实现和设计 包括有限冲击响应和无限冲击响应两类滤波器 通过对本课程的学习 使学生了解数字信号的基本概念 掌握数字信号处理的基本理论和方法 为将来从事相关领域工作和科学研究奠定坚实的基础 4 2 3数字信号处理技术的发展历程 追其根源 数字信号处理技术的出现大约是在20世纪60年代左右 美国一家公司正式生产出第一个DSP 标志着数字化技术的诞生 到20世纪70年代的时候 这种技术得到了一定的发展 但是由于技术上的缺陷 这种技术也只能在医疗 生物方面得到应用 到了20世纪80年代 计算机技术的发展带来了编程能力的提高 DSP开始进入到了快速发展的阶段 DSP开始越来越多的应用到了某些高端的领域例如军事 勘测 由于技术发展并没有到普及的阶段 造价还是比较昂贵的 因此在现实生活中还是很难看到DSP技术的 20世纪90年代 DSP开始进入全面发展的阶段 在这个阶段内 无论是技术 理论还是制造都达到了一个很高的水平 由于造价的降低 DSP开始越来越多的应用到了日常生活当中 上述发展历程大多只停留在国际水平上 我国的数字技术的应用还只是局限在某些特定的领域 并没有实现全国范围内的普及 近几年来 广电总局一直在致力于数字技术的推广 相信在不久的未来 数字信号处理技术也能够走进千家万户 数字信号处理技术的发展一共有三个阶段 单片DSP的产生 在上世纪五十年代到六十年代 对于数字信号处理技术 只可在微处理器上方能实现 这种情况直至七十年代方有所突破 相关人员指出了有关DSP的计算基础以及理论研究 一些人认为 在1978年AMI公司研发的S2811 这就是全球第一块DSP器件 但是在之后的一年 由美国Intel公司所研发的胜勇可编程器件2920 无疑是数字信号处理技术发展的一大丰碑 之后日本NEC公司于1980年发布的PD7720 可谓是全世界第一个商用的DSP芯片 同时还具备硬件乘法器 该芯片被定义为全球第一块单片DSP器件 上述中所提及的各项技术 是数字信号处理技术发展的先行者 且正式终止了由单一微处理器开展信号处理的阶段 4 2 4数字信号处理技术的应用 数字电视数字化电视能够使用数字计算技术对电视的视频和音频进行编码 视频和音频的处理效果比传统的模拟信号电视的处理效果好上很多 能够很大程度上满足用户对视觉和听觉方面的要求 传输过程中设置了自动的纠错程序 很好地体现了智能化因素 数字化电视主要包括数字化演播室设备 数字化传输设备以及数字电视接收机三个方面 目前市场上所出售的数字处理电视机虽然在画面处理上较之于以前有了很大程度上的提高 但是很大一部分仍然是属于模拟电视机的范围 无论是其画面还是性能仍然会有一些差距 数字化音响设备目前很多唱片公司为歌手录制唱片时都会使用这种新式设备 相较于传统的唱片 这种全数字化的模式能够大幅度地提高其处理声音的效率和质量 庞大的存储能力增加了录音的时间 能够很好地满足录制的需求 数字化手机数字化的手机在国外的发展已经很成熟了 通过高端的数字处理芯片 能够很快地对手机信息进行处理 大大地提高了手机的上网速度 再加上数字化的音频 视频处理能力 能够为手机使用者带来很好的体验 4 2 5数字信号处理技术发展趋势 当前 随着数字信号的处理技术的不断更新 不断发展 其应用领域就像是个浩渺的宇宙 人们对它的研究还远远没有结束 现在对数字信号的处理问题仍是值得思考的课题 随数字信号处理技术的不断进步及应用范围越来越广 数字信号的处理器不断革新 经过半个世纪的不断发展 数字信号处理技术不断更新发展 占据了信息技术的主要地位 目前发展主要趋势 1 数字信号处理技术将会向更高的运算速度 更低的功耗 更小的几何尺寸方向发展 随着电子设备的个性化发展 数字信号处理技术的运算的速率必然会提高 功耗的降低才能同电子设备的发展同步 2 数字信号处理技术向rDSPCore的微体系内核结构方向发展 3 随着单片微型计算机 MCU 在现代视频会议中的核心作用 通过MCU设备能够实现完整的网络视频会议 数字信号处理技术和单片微型计算机结合发展为数字信号处理技术的新方向 4 随着新型的数字信号处理技术的广泛应用 对数字信号处理装备的编译器和高级的语言书写代码 成为新一代数字信号处理技术的研究方向 4 3图形与图像 多媒体技术 4 3 1相关课程简介4 3 2图形与图像相关概念4 3 3图像处理技术的发展与应用4 3 4计算机图形图像处理技术4 3 5计算机图形图像技术应用发展4 3 6多媒体技术相关概念4 3 7多媒体技术的应用4 3 8多媒体技术发展状况4 3 9多媒体技术的发展趋势 4 3 2图形与图像相关概念 在这个信息爆炸 信息过剩的社会中 面对纷杂的信息 人们为了快速有效地交流信息 越来越注重对图形 图像的利用 图形 一般是指计算机绘制的画面 如直线 园 圆弧 矩形 任意曲线和图表等 图像 指由输入设备捕捉的实际场景画面或以数字化形式存储的画面 图像的细化分类 模拟图像是固定在图层上的画面 如一张照片 就是通过化学摄影术而制成的一幅静态的画面 它一旦形成就很难再改变 数字图像是以0或1的二进制数据表示的 其优点是便于修改 易于复制和保存 数字图像可以分为以下2种形式 矢量图和位图 图像文件存储格式 常用的文件格式 BMP PSD TIFF GIF JPEG EPS DXF PS WMF SWFBMP 标准的WINDOWS或OS 2的图形图像的基本位图格式 JPG 有损压缩的静态图像文件存储格式 GIF 压缩图像存储格式 使用LZW压缩方法 压缩比较高 文件长度比较小 TIF 工业标准格式 支持所有图像类型 分为压缩和非压缩两大类 BMP 最典型的应用BMP格式的程序就是Windows的画笔 BMP是用于Windows和OS 2的位图 Bitmap 格式 文件几乎不压缩 占用磁盘空间较大 它的颜色存储格式有1位 4位 8位及24位 开发Windows环境下的软件时 BMP格式是最不容易出问题的格式 并且DOS与Windows环境下的图像处理软件都支持该格式 因此 该格式是当今应用比较广泛的一种格式 但缺点是该格式文件比较大 所以只能应用在单机上 不受网络欢迎 4 3 3图像处理技术的发展与应用 图像处理的发展与计算机以及硬件技术的发展是紧密联系的 大致上可以分为四个阶段 第一阶段的时间大体上是20世纪60年代到80年代中期 这个时期的图像处理系统采用机箱式结构 主要采用小型机 第二阶段的时间大体上是20世纪80年代中期到90年代初期 这个阶段的主要特点是小型化 采用插卡式 采用双屏操作方式 第三阶段的时间大体上是从20世纪90年代初开始 这一阶段图像处理系统突出特点是单屏方式 以微机PCI总线支持的单屏方式和图像压缩传输的通信方式成为主流 第四阶段随着运算能力很强的数字信号处理器 DSP 的问世 使现代图像处理系统进入了和计算机紧密结合的全数字阶段 数字图像处理技术的传统应用领域 1 遥感中的应用 遥感图像处理的用处越来越大 并且其效率和分辨率也越来越高 它被广泛应用于土地测绘 资源调查 气象监测 环境污染监督 军事侦察等领域 虽然目前遥感技术已经比较成熟 但是还必须解决其数据量庞大 处理速度慢的缺点 2 医学中的应用 在医学领域利用图像处理技术可以实现无痈 安全方便的诊断和治疗 其中最突出的临床应用就是超声 核磁共振 CT技术等 比如 可以采用模式识别技术进行染色体数量的统计与识别 其步骤 1 先通过低通滤波去噪音 2 提取边缘 3 通过腐蚀去粘连 4 统计连通区域的个数 得到染色体的数量 4 3 4计算机图形图像处理技术 计算机图形图像处理技术实质上就是把概念或者描述性形象用数据或者几何模型在计算机中的显现 修改 优化和定稿存储的一系列过程 其用途主要是 对图像做几何方式的显示形式转换 具体形式为平移 旋转 缩放 投影等 图像存储的数字化以及图像复原 增强 编码 分析与分割等操作 图形曲面与曲线进行拟合操作 图像隐面和隐线的消除 计算机图像进行造型和建模设计 做相关的明暗和纹理贴图处理以及色彩设计 五大基本功能 计算机图形图像处理技术主要基于计算机图形系统形成五项基本功能 分别是 计算 存储 输出 输入和对话这五项功能 计算功能就是在设计图形图像时借助计算机图形图像处理技术做必要的计算分析和数据交换 存储功能就计算机上的图形图像数据进行实时监控下的维护和检索 输出和输入功能是借助计算机图形系统达到图形图像数据输出和输入的目的 对话功能则是利用计算机显示器与交互通讯设备实现人机之间的数据交流 4 3 5计算机图形图像技术应用发展 1 辅助工业设计和制造当前 工业界图形图像处理技术应用极为广泛 其中最为活跃的基于计算机图图像处理技术的设计软件是CAu和CAD软件 在工业产品设计和产品制造 甚至土木工程等都得到广泛应用 并在电子线路 网络分析和集成电路等多个电子工业领域得到广泛应用 相比人工设计具有高精度和快速的优势 并避免了人工设计的高误差问题 有利于提高工业设计质量 保证工业产品大批量生产质量 同时在降低质检投入时保证质检质量 伴随着信息网络技术的发展 基于网络经济下多地域协同设计工作也日益频繁 这也使得工业设计对计算机图形图像处理技术更加依赖 2 可视化科学计算计算机图形图像处理技术和计算机信息技术的结合可以实现对海量和复杂结构的数据信息用计算机图形做出有效的数据归类 并可以在操作人员的操作过程用具有数据信息本质特征和共性特征进行类别检索 从而提高了数据处理的效率 19世纪美国科学基金会提出了科学计算的可视化 目前该科学计算的可视化技术被广泛应用于医学 流体力学 气象分析等领域 而科学计算的可视化技术在医学领域具有较大的发展空间 其中医学领域的脑部远程手术技术是利用高精密度的远程可视化科学计算来实现的 4 3 6多媒体技术相关概念 媒体 Media 就是人与人之间实现信息交流的中介 简单地说 就是信息的载体 也称为媒介 媒体有两种含义 其一是指传播信息的载体 如语言 文字 图像 视频 音频等等 其二是指存贮信息的载体 如ROM RAM 磁带 磁盘 光盘等 目前 主要的载体有CD ROM VCD DVD 网页等 多媒体 Multimedia 就是多种媒体的意思 可以理解为直接作用于人感官的文字 图形 图像 动画 声音和视频等各种媒体的统称 即多种信息载体的表现形式和传递方式 多媒体技术 MultimediaTechnology 是利用计算机对文本 图形 图像 声音 动画 视频等多种信息综合处理 建立逻辑关系和人机交互作用的技术 多媒体技术涉及面广 主要包括 音频技术 音频采样 压缩 合成及处理 语音识别等 视频技术 视频数字化及处理 图像技术 图像处理 图像 图形动态生成 图像压缩技术 图像压缩 动态视频压缩 通信技术 语音 视频 图像的传输 标准化 多媒体标准化 4 3 7多媒体技术的应用 多媒体系统的应用更以极强的渗透力进入人类生活的各个领域 如游戏 教育 档案 图书 娱乐 艺术 股票债券 金融交易 建筑设计 家庭 通讯等等 1 教育与培训世界各国的教育家们正努力研究用先进的多媒体技术改进教学与培训 以多媒体计算机为核心的现代教育技术使教学手段丰富多彩 使计算机辅助教学 CAI 如虎添翼 实践已证明多媒体教学系统有如下效果 1 学习效果好 2 说服力强 3 教学信息的集成使教学内容丰富 信息量大 4 感官整体交互 学习效率高 5 各种媒体与计算机结合可以使人类的感官与想象力相互配合 产生前所未有的思维空间与创造资源 多媒体技术应用领域 1 教育 形象教学 模拟展示 电子教案 形象教学 模拟交互