Processamento de Sinais Áudio-Visuais

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1 Processamento de Sinais Áudio-Visuais Parte I Noções de Sinais Digitais Prof. Celso Kurashima Introdução à Engenharia da Informação Fevereiro/ motivação 2 1

2 processamento de imagem 3 Agenda 1. Introdução 2. Conteúdo programático 3. Noções de Sinais Digitais 4 2

3 1. Introdução Área de Processamento Multimídia Linha: Processamento de Sinais em Comunicações Linha: Processamento de Sinais ÁudioVisuais 5 Processamento Multimídia Estudo do processamento de sinais multimídia Está relacionada com a busca de técnicas, abordagens e paradigmas inovadores para garantir a qualidade de geração, transmissão e recepção de sinais, modelagem de sistemas, representação, interpretação e apresentação da informação A crescente demanda por novos serviços multimídia requer que as novas redes de informação utilizem técnicas modernas de processamento de sinais para atender aos novos requisitos impostos 6 3

4 Linha: Processamento de Sinais Áudio-Visuais O seu escopo é o tratamento de todos os tipos de sinais produzidos por e para os humanos em seu processo de interação com quaisquer dispositivos, aparelhos ou sistemas de informação Especial atenção é dedicada aos sinais relacionados com os sentidos humanos da visão e da audição, contemplando a ampla gama dos diversos processamentos aplicáveis aos sinais de áudio e vídeo Pode-se considerar o tratamento em separado destes sinais ou usar uma abordagem unificada (sistemas imersivos - realidade virtual) 7 Tópicos de Pesquisa Principais Supressão de Ruído em Sinais Áudio-Visuais Reconhecimento Automático de Fala Codificação de Voz e Áudio Comunicações Áudio-Visuais Imersivas Visualização de Imagens Auxílio Digital a Deficientes Auditivos Arquitetura de Processamento Multimídia Computação Gráfica 8 4

5 Docentes da Linha de Pesquisa Sinais Áudio-Visuais Celso S. Kurashima Francisco de A. Zampirolli Francisco J. Fraga da Silva Guiou Kobayashi Marcelo Zanchetta do Nascimento Mario Minami João Ricardo Sato... 9 Principais Disciplinas da Área Comunicações Digitais Processos Estocásticos Processamento Digital de Sinais Filtragem Adaptativa Processamento de Voz e Áudio Processamento e Visualização de Imagens Projeto de Circuitos Integrados Sensores e Condicionamento do Sinal Sistemas Computacionais para Processamento Multimídia Tópicos Especiais em Codificação Tópicos Especiais em Processamento de Sinais 10 5

6 Relação com as linhas de pesquisa Interação do Processamento de Sinais Audio-visuais e as demais linhas de pesquisa, existe em maior ou menor grau; dependendo do tipo de pesquisa e/ou da aplicação Todos alunos da Engenharia de Informação devem compreender os objetivos dessa linha Conteúdo Programático desta Série de Apresentações Noções de Sinais Digitais Sinais de Voz Sinais de Áudio Imagem Digital Video Modelagem Gráfica Hardware e Software para Processamento Áudio-Visual 12 6

7 Metodologia Aulas Expositivas Demonstração Leitura de Textos Selecionados Noções de Sinais Digitais Conteúdo: DSP Sinais Digitais Sistemas Digitais 14 7

8 DSP? DSP é uma sigla que encontramos comumente com dois usos: Digital Signal Processing (teoria) Digital Signal Processor (Componente Eletronico) Portanto, temos que distinguir o contexto e inferir a que caso se refere a sigla 15 Histórico - i Na década de 1960, houve um grande impulso da teoria de processamento digital de sinais, motivados pelo desenvolvimento de computadores digitais e pela crescimento da eletrônica transistorizada. 16 8

9 Histórico - ii Empresas de telefonia colocavam grandes investimentos na pesquisa de codificação digital de voz: Padrão PCM Pulse Code Modulation Codificação LPC Linear Predictive Coding 17 Artigos Históricos Aplicação da predição linear em sinais de voz Dois trabalhos independentes: S.Saito & F. Itakura 1966 B. S. Atal & M. R. Schroeder

10 Livros Históricos Alan V. Oppenheim, Ronald W. Schafer. Digital Signal Processing. Prentice Hall, J. D. Markel and A. H. Gray Jr. Linear Prediction of Speech. Springer Verlag, 1976 Lawrence R. Rabiner, Ronald W. Schafer. Digital Processing of Speech Signals. Prentice Hall, Processadores DSP Anos 1980 empresas colocam processador DSP no mercado Texas Instruments (TMS320C10) Motorola (56000) NEC Corp. (µpd7720) AT&T (DSP1) 20 10

11 Evolução Teoria DSP & Eletrônica DSP caminham juntos Cada vez mais complexos Matematica & computacional Material tecnologia microeletrônica Cada vez mais áreas de aplicações Especialização das novas áreas Surgimento da carreira de DSP Engineer 21 Cenário recente Há cerca de dez anos DSP já faz parte do currículo de Graduação em Engenharia Elétrica, Computação, e Informação Antes, DSP era restrito à pós-graduação, mas hoje há demanda da indústria e do mercado por esse tipo de conhecimento Enorme quantidade de grupos de pesquisa aplicada com base em DSP Idem para Empresas de Hardware & Software 22 11

12 Cenário recente - hardware Principais fornecedores de processadores DSP Texas Instruments Analog Devices Freescale (ex-motorola) 23 Para saber mais Leitura ilustrativa (não obrigatória) Chapter 1 do livro online: The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing, by Steven W. Smith. <

13 Sinais Digitais Ibovespa 30/10/ Sinais Sinais geralmente transportam informações a respeito do estado ou do comportamento de um sistema físico, e Geralmente, sinais são sintetizados para o propósito de comunicações entre humanos ou entre humanos e máquinas

14 Sinais Sinais são representados matematicamente como funções de uma ou mais variáveis independentes. Por exemplo, um sinal de voz é representado matematicamente como uma função do tempo, e uma imagem fotográfica é representada como o brilho em função de duas variáveis no espaço 27 Classificação dos tipos de sinais 28 14

15 Tipos de Sistemas de processamento de sinais Sistemas de tempo-contínuo são sistemas em que ambas a entrada e a saída são sinais de tempocontínuo, incluindo os sinais digitais de tempo-contínuo. Sistemas de tempo-discreto são aqueles em que ambas a entrada e a saída são sinais de tempo-discreto. Sistemas digitais de tempo-discreto são aqueles em que ambas a entrada e a saída são sinais digitais de tempo-discreto. 29 Proc. De Sinais Digitais Processamento de Sinais Digitais, portanto, trabalha com a transformação de sinais que são discretos tanto na amplitude quanto no tempo. A teoria de sinais e sistemas de tempodiscreto e a teoria de sinais e sistemas digitais de tempo-discreto são totalmente compatíveis entre si

16 PROCESSAMENTO DE SINAIS Processamento analógico : Sinal analógico de entrada Processador analógico de sinais Sinal analógico de saída Processamento digital : Sinal analógico de entrada A/D Processador digital de sinais D/A Sinal analógico de saída 31 Sinais de Tempo-Discreto: Sequências Sinais de tempo-discreto são matematicamente representadas como sequencias de números. Uma sequencia de números x, em que o n-ésimo número na sequencia é denotada por x[n] Exemplo: x = { } 32 16

17 Amostragem do sinal Num cenário prático, tais sequências podem ser oriundas de uma amostragem periódica de um sinal analógico. Neste caso, o valor numérico do n-ésimo número na sequência é igual ao valor do sinal analógico, x a (t), num instante n.t x[ n] = xa ( nt ), < n < 33 Digitalização de Sinais Amostragem/Discreti zação. Amostras discretas representam a informação contínua. Quantização. As amostras são convertidas à forma numérica. Teorema de Nyquist 34 17

18 Amostragem do sinal A quantidade T é denominada período de amostragem, e sua recíproca é a frequência de amostragem. 35 T=125 µs, Exemplo: sinal de voz 36 18

19 Exemplo: digitalização de Imagem AMOSTRAGEM PONDERAÇÃO QUANTIZAÇÃO Imagem natural A imagem é amostrada face à matriz de pixels As amostras discretas (pixels) são ponderadas Os pixels são convertidos à forma numérica 37 Sistemas de Tempo-Discreto Um sistema de tempo-discreto é definido matematicamente como uma transformação ou operador que mapeia uma sequência de entrada com valores x[n] para uma sequência de saída com valores y[n]. { x[ ]} y [ n] = T n 38 19

20 Vantagens do Processamento Digital Flexibilidade (reprogramável em tempo real) Portabilidade (software) Estabilidade (indep. do ambiente) Exatidão (tolerância de componentes X nº de bits) Maior imunidade a ruído (0 ou 1) Transportabilidade (processamento off-line ) Operações mais sofisticadas (ex. Cancelador de eco) Custo reduzido (VLSI e flexibilidade) Limitação: Altas freqüências (microondas) 39 Categorias do Processamento Digital de Sinais Sinal digital (digitalizado) ANÁLISE FILTRO DIGITAL Medidas Sinal digital 40 20

21 Operações Básicas em Sinais Digitais Soma (ou subtração) Com uma constante Com outro sinal Multiplicação do sinal por uma constante por outro sinal Atraso do sinal no domínio do tempo Deslocamento do sinal no domínio do espaço 41 Operações mais elaboradas Aplicação de Filtragem no sinal digital Aplicação de uma Transformada Matemática Exemplos: Transformada Discreta de Fourier, Transformada Wavelet Discreta Extração de características do sinal Cálculo de parâmetros (ex. Coeficientes LPC) (ex. potência média do sinal) 42 21

22 Operações na amostragem Sub-amostragem Interpolação Aplicação de codificação / compressão de grupos de amostras 43 Desenvolvimento de Aplicações em Hardware Processadores DSP Kit de Desenvolvimento: facilita o desenvolvimento de Software (Firmware) inicial. Emulador de processador: facilita o Debug do projeto (HW e SW) 44 22

23 Exemplos Kit de desenvolvimento para o Processador ADSP-BF533 Blackfin ADSP-BF533 Blackfin Processor 64 MB (32M x 16-bit) SDRAM 2 MB (512K x 16-bit x 2) FLASH memory video decoder w/ 3 input RCA jacks 96 khz audio codec w/ 4 input and 6 output RCA jacks video encoder w/ 3 output RCA jacks RS-232 line driver/receiver 45 BF-533 EZ-KIT Lite 46 23

24 Visão Digital Signal Processing is one of the most powerful technologies that will shape science and engineering in the twenty-first century. Steven W. Smith 47 Bibliografia Básica OPPENHEIM, A.V.; SCHAFER, R.W.; BUCK, J.R. Discrete Time Signal Processing. 2nd ed., Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall pp. PROAKIS, J.G., MANOLAKIS, D. Digital Signal Processing: Principles, Algorithms, and Applications. 3rd ed, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, pp. HAYES, Monson H. Schaum s Outline of Theory and Problems of Digital Signal Processing. New York: McGraw-Hill, pp. DINIZ, P.S.R., da SILVA, E.A.B., LIMA NETTO, S. Processamento Digital de Sinais: Projeto e Análise de Sistemas. Porto Alegre, RS: Bookman, pp. HAYKIN, S., VEEN, B.V. Sinais e Sistemas. Porto Alegre, RS: Bookman, pp