交通信息工程

1、2015年3月27日 交通信息工程交通信息工程( (四四) ) 道路交通信息處理 交通信息處理：交通信息處理： 預(yù)處理： （數(shù)字化、數(shù)據(jù)壓縮、清洗修補、數(shù)據(jù)融合 ） 信息提?。?（事件檢測、狀態(tài)判別、交通預(yù)測、號牌識別） 道路交通信息處理 地圖匹配技術(shù)地圖匹配技術(shù) 樣本過濾技術(shù)樣本過濾技術(shù) 數(shù)據(jù)融合技術(shù)數(shù)據(jù)融合技術(shù) 狀態(tài)估計技術(shù)狀態(tài)估計技術(shù) 狀態(tài)預(yù)測技術(shù)狀態(tài)預(yù)測技術(shù) 參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù) 交通模型實時交通狀態(tài) 道路交通信息處理 道路交通信息處理 模擬信號數(shù)字化：模擬信號數(shù)字化： 采樣、量化、編碼 采樣：離散化 量化：有限取值 編碼：轉(zhuǎn)換為二進制序列 道路交通信息處理 采樣采樣(Nyquis

2、t)(Nyquist)定理：定理： 設(shè)連續(xù)信號X(t)的最高頻率分量為Fm，以等間隔 Ts（Ts稱采樣間隔，fs=1/Ts稱為采樣頻率）對X(t)進行 采樣，得到Xs(t)。如果Fs=2Fm，則Xs(t)保留了X(t ) 的全部信息（從Xs(t)可以不失真地恢復(fù)出 X(t)）。 道路交通信息處理 量化后的離散模擬信號，不僅在時間上離散的， 而且在數(shù)值上也是離散的。 量化過程將引入誤差，量化精度取決于最小的量 化單位，即二進制數(shù)碼最低有效位所對應(yīng)的模擬信 號數(shù)值。例如=100mV，即數(shù)字量的最低有效位對應(yīng) 100mV，顯然越小，A/D轉(zhuǎn)換的精度越高。 道路交通信息處理 量化精度的表示方法是量化信

3、號噪聲比，簡稱為量化信噪量化精度的表示方法是量化信號噪聲比，簡稱為量化信噪 比(signal-to-noise ratio,SNR) ： SNR 10 log (Vs)2 / (Vn) / (Vn)2 20 log (Vs/ Vn) 20 log (Vs/ Vn) (dB) 其中，VsVs表示信號電壓，表示信號電壓，VnVn表示噪聲電壓；表示噪聲電壓； SNR的單位為分貝的單位為分貝(dB)(dB)。 道路交通信息處理 每個量化后的離散模擬信號樣值，用一組二進制 序列表示，因此編碼速率取決于采樣速率和量化級數(shù)。 道路交通信息處理 數(shù)據(jù)壓縮：數(shù)據(jù)壓縮： 減少語音、圖像等信息冗余，提高資源利用率。

4、 語音信號壓縮的主要依據(jù)： 一、語音信號的物理特征 聲音信號的基本參數(shù)：頻率和振幅。 聲音按照頻率分為三種類型：次聲、可聽聲、超聲。低于 20Hz的聲音為次聲，或稱為亞音信號(subsonic)；可聽聲的聲音 頻率范圍為2020000 Hz；高于20000 Hz的聲音為超聲，或稱超 聲波(ultrasonic)信號，頻率能反映出聲音的聲調(diào)。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 聲音信號的另一個基本參數(shù)是振幅，表示聲音信號的強弱。 聲音信號的強度相差很大，從可以聽見的最弱聲到最強聲，其強 度相差1萬億倍。聲音的強弱采用分貝作為量綱： 聲音分貝數(shù) = 10*log(P1/ P0) 一般情況下人說話的

5、話音信號的頻率范圍在3003000 Hz， 稱為話音(speech)信號，在這種頻率范圍里感知的聲音幅度大約 在0120 dB之間。 在心理上，聲音有兩個最重要的要素，即響度和音調(diào)，其他 還有音色、和諧等。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 振幅和頻率不變的聲音信號為單音，或稱純音。不同的振幅 和頻率合成得到的聲音信號稱為復(fù)音。 基頻是決定聲音音調(diào)的基本因素，基頻和諧音合成復(fù)音，形成 了聲音的不同音質(zhì)和音色。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 二、語音信息冗余度 1、語音信息（時域、頻域短時功率譜密度）冗余度 2、幅度非均勻分布 3、相關(guān)性（樣本之間、周期之間、基音之間） 4、靜止系數(shù)（話音間

6、隙） 5、長時自相關(guān)函數(shù) 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 三、人的聽覺特性 1、人的聽覺具有掩蓋效應(yīng) 2、對不同頻率聲音的敏感程度不同，對低頻率比較敏感 3、對語音信號的相位變化不敏感 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 目前常用的話音編譯碼器可以分成以下三種類型：波形 編譯碼器(waveform codecs)，音源編譯碼器(sourcecodecs)和 混合編譯碼器(hybridcodecs)。通常，波形編譯碼器的話音質(zhì) 量較高，但數(shù)據(jù)率也高；音源編譯碼器的數(shù)據(jù)率很低，產(chǎn)生的 合成話音的音質(zhì)有待提高；混合編譯碼器使用音源編譯碼技術(shù) 和波形編譯碼技術(shù)，數(shù)據(jù)率和音質(zhì)介于兩者之間。 語音信號壓縮

7、編碼語音信號壓縮編碼 語音編譯碼器的音質(zhì)與數(shù)據(jù)率語音編譯碼器的音質(zhì)與數(shù)據(jù)率 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 常見的音頻數(shù)據(jù)壓縮方法 無 損 壓 縮 有 損 壓 縮 哈夫曼編碼 算術(shù)編碼 行程編碼 波形編碼 音源編碼 混合編碼 PCM DM、ADM DPCM、ADPCM 子帶編碼 失量編碼 LPC MPE、RPE、CELP、MP-LPC 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation，PCM) 是使用 較為廣泛，數(shù)據(jù)量較大的編碼系統(tǒng)。 量化方法可歸納成兩類：一類稱為均勻量化，另一類稱 為非均勻量化。 非均勻量化常用兩種壓擴(companding)算法

8、：律（北 美、日本標(biāo)準(zhǔn)），和A律（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 增量調(diào)制(DM) 也稱調(diào)制(delta modulation)，是 一種預(yù)測編碼技術(shù)。PCM是對每個采樣信號的整個幅度 進行量化編碼，因此它具有對任意波形進行編碼的能力； DM是對實際的采樣信號與預(yù)測的采樣信號之差的極性進 行編碼，將極性變成“0”和“1”這兩種可能的取值之 一。如果實際的采樣信號與預(yù)測的采樣信號之差的極性為 “正”，則用“1”表示；相反則用“0”表示。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 自適應(yīng)增量調(diào)制(ADM) ： 根據(jù)輸入信號斜率的變化自動調(diào)整量化階的大小，以

9、減小 斜率過載和粒狀噪聲。 基本方法是：如果連續(xù)可變斜率增量調(diào)制器的輸出連續(xù)出 現(xiàn)三個相同的值，量化階就加上一個大的增量，反之，就加一 個小的增量。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制(APCM)： 自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制(adaptive pulse code modulation， APCM)是根據(jù)輸入信號幅度大小來改變量化階大小的一種波形編 碼技術(shù)。這種自適應(yīng)可以是瞬時自適應(yīng)，即量化階的大小每隔幾 個樣本就改變，也可以是音節(jié)自適應(yīng)，即量化階的大小在較長時 間周期里發(fā)生變化。 改變量化階大小的方法有兩種：一種稱為前向自適應(yīng)，另一 種稱為后向自適應(yīng)。前者是根據(jù)未量化的樣本值的均

10、方根值來估 算輸入信號的電平，以此來確定量化階的大小，并對其電平進行 編碼作為邊信息(side information)傳送到接收端。后者是從量化 器剛輸出的過去樣本中來提取量化階信息。由于后向自適應(yīng)能在 發(fā)收兩端自動生成量化階，所以不需傳送邊信息。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 前向自適應(yīng)前向自適應(yīng) 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 后向自適應(yīng)后向自適應(yīng) 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM) ： 差分脈沖編碼調(diào)制DPCM(differential pulse code modulation)是利用樣本與樣本之間存在的信息冗余度來進行編碼 的一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。其原

11、理是根據(jù)過去的樣本去估算(estimate) 下一個樣本信號的幅度大小，將其作為預(yù)測值，然后對實際信號值 與預(yù)測值之差進行量化編碼，從而減少表示每個樣本信號的位數(shù)。 與脈沖編碼調(diào)制(PCM)不同的是，PCM是直接對采樣信號進行量化 編碼，而DPCM是對實際信號值與預(yù)測值之差進行量化編碼，存儲 或者傳送的是差值而不是幅度絕對值，這就降低了傳送或存儲的數(shù) 據(jù)量，還能適應(yīng)大范圍變化的輸入信號。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 編碼器 S(k) ek Xk 量化器 預(yù)測器 ? k e ? k X k X S(k) 解碼器 預(yù)測器 ? k e ? k X k X ?發(fā)送端先發(fā)送一個起始值X0 ?接著只

12、發(fā)送預(yù)測誤差值： ek = Xk ? k X ?如果信道傳輸沒有誤碼，則在如果信道傳輸沒有誤碼，則在 接受端復(fù)原信號與發(fā)送信號的 誤差為： Xk k X = Xk （ ? k X ? k e +） = Xk （ ? k X ? k e） = ? k eek = qk (量化誤差） ?預(yù)測編碼的失真完全由發(fā)送端 量化器產(chǎn)生，與解碼器無關(guān)。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 ADPCM編譯碼： ADPCM是利用樣本與樣本之間的高度相關(guān)性和量化階自適 應(yīng)來壓縮數(shù)據(jù)的一種波形編碼技術(shù)，ITUT制定了G.721推薦標(biāo)準(zhǔn)， 32 kb/s自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制，以及數(shù)據(jù)率可降低到40 kb/s 和24 k

13、b/s的擴充推薦標(biāo)準(zhǔn)G.723 。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 子帶編碼： 音頻信號、視頻信號或其他信號在比較寬的頻帶中不同頻率 段上的分量對信號的質(zhì)量影響并不相同。通常，低頻段分量對 信號的質(zhì)量影響大而高頻段要影響小一些。 子帶編碼器，將輸入的音頻信號分成若干個連續(xù)的頻段 （子帶），再分別對這些子帶中的音頻分量進行采集和編碼。 再將各子帶的編碼信號組合，進行存儲或傳送。 在接收端，得到各子帶編碼的混合信號，首先將各子帶的 編碼分離，分別譯碼，產(chǎn)生各子帶的音頻分量。再將各子帶的 音頻分量組合在一起，恢復(fù)原始的音頻信號。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼

14、帶通濾波1 帶通濾波n 帶通濾波2 帶通濾波1 帶通濾波1 帶通濾波1 編碼器 編碼器 編碼器 綜 合 器 分 配 器 譯碼器 譯碼器 譯碼器 輸出 輸入 信 號 輸 入 信 號 輸 出 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 線性預(yù)測編碼(linear predictive coding，LPC) 是一種因音 源編碼。LPC是通過分析話音波形來產(chǎn)生聲道激勵和轉(zhuǎn)移函數(shù)的參 數(shù)，對聲音波形的編碼實際就轉(zhuǎn)化為對這些參數(shù)的編碼，這就使聲 音的數(shù)據(jù)量大大減少。在接收端使用LPC分析得到的參數(shù)，通過話 音合成器重構(gòu)話音。合成器實際上是一個離散的隨時間變化的時變 線性濾波器，它代表人的話音生成系統(tǒng)模型。時變線性濾波器既當(dāng) 作預(yù)測器使用，又當(dāng)作合成器使用。分析話音波形時，主要是當(dāng)作 預(yù)測器使用，合成話音時當(dāng)作話音生成模型使用。隨著話音波形的 變化，周期性地使模型的參數(shù)和激勵條件適合新的要求。 語音信號壓縮編碼語音信號壓縮編碼 時變線性 濾波器 （預(yù)測器） 時變線性 濾波器 （合成器） ?預(yù)測系數(shù) ?音調(diào) ?清音/濁音 ?信號的幅度