Topic outline

  • B31ZZS - Základy zpracování signálů

    Úvodní předmět ke studiu číslicového zpracování signálů (DSP). Předmět představuje základní teorii signálů s důrazem na praktické využití a analýzu zejména reálných časových řad ale i obrazů z různých vědních oborů (měření, řeč, akustika, elektrofyziologie a biomedicína). Cvičení jsou postavena pro postupné osvojování si programového systému MATLAB, který poskytuje příjemné a snadno ovladatelné uživatelské prostředí s grafickým i zvukovým výstupem. Získané znalosti uplatníte v dalších předmětech, projektech, závěrečných pracích a zejména v široké technické praxi.

    • Přednášející

      Ing. Radek Janča, Ph.D. <jancarad>

      Cvičící

      Ing. Radek Janča, Ph.D. <jancarad>

      Ing. Lenka Svobodová <svobole5>

      Garant předmětu

      Prof. Ing. Roman Čmejla, CSc.   <cmejla>

      Rozvrh

      Přednášky: Po 12:45-14:15 C3-51

      Cvičení: Po 14:30-15:00, 16:15-17-45, 18:00-19:30  A3-413a

      Podmínky klasifikovaného zápočtu

      Účast na přednáškách doporučena pro navazující cvičení.

      Účast na cvičení povinná (max. 3 předem omluvené absence). Cvičení na sebe navazují, špatně se dohání skluz.

      Domácí příprava zahrnuje dokončení úkolů ze cvičení a splnění semestrálních úkolů. Znalosti budou průběžne testovány na začátku cvičení.  

      • 20 b - malé testy za 2 b na začátku cvičení z předchozí látky (min. 10 b)
      • 20 b - dva semestrální úkoly po 10 b (min. 5 b z každého)
      • 60 b - písemný zápočtový test z přednášek a cvičení (min. 30 b)
      • max. 10 b - bonusové úkoly (cv. 2, 5, 7, 8, 10, 11), aktivita
      V případě distanční výuky:
      • 10 b - odevzdání spustitelného kódu ze cvičení + vlastních souborů a funkcí, které zobrazí všechny grafy z návodu a vypíší odpovědi na slovní zadání do příkazového řádku (min. 10 b)
      • 0 b - malé testy z probírané látky (příprava na zápočtový test) 
      • 20 b - dva semestrální úkoly po 10 b (min. 5 b z každého)
      • 70 b - písemný zápočtový test z přednášek a cvičení (min. 30 b)
      • max. 10 b - bonusové úkoly (cv. 2, 5, 7, 8, 10, 11), aktivita


      Klasifikace

      A: >90 b
      B: 80-89 b
      C: 70-79 b
      D: 60-69 b
      E: 50-59 b
      F: <50 b

      Literatura

      Uvedený předmět kompletně nepokrývá žádná česká učebnice nebo skriptum. Většinu informací však lze nalézt v textech a na webech zabývajících se číslicovým zpracováním signálů.

      1. Čmejla, R., Sovka, P.: Úvod do číslicového zpracování signálů - cvičení. ČVUT Praha 2005.
      2. Uhlíř, J., Sovka, P., Čmejla, R.: Úvod do číslicového zpracování signálů. ČVUT Praha 2003.
      3. Zaplatílek, K., Doňar, B.: MATLAB - začínáme se signály. BEN 2006.
      4. McClellan, J.H, Schafer, R.W., Yoder, M.A..: DSP First, A multimedia Approach, Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1998.
      5. Openheim, A.V., Schafer, R.W.: Discrete-Time Signal Processing. Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1998.
      6. Ambardar, A., Borghesani, C.: Mastering DSP Concepts using MATLAB.Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1998.
      7. Vejražka, F.; Hrdina, Z.: Signály a soustavy. [Skriptum.] Praha, ČVUT 1997
      8. http://www.dspguide.com/pdfbook.htm

    • Osnova
      Týden Přednáška Link Cvičení Link
      1
      21.9.2020      		 Úvod do prostředí MATLAB
      • operace s vektory a maticemi
      • práce s funkcemi
      • vizualizace

      		 PPTX  60 min.

      Vyzkoušejte se:
      TEST
      TEST (řešení)      		 Základní skriptování
      • ovládání, dokumentace, help
      • operace s vektory a maticemi
      • řešení soustavy lineárních rovnic (graficky, analyticky)
      • konstrukce vlastních funkcí
      		 DOCX
      PDF
      2
      28.9.1010      		 Den české státnosti

      3
      5.10.2020      		 Signál
      • jendorozměrné, N-rozměrné
      • dělení z pohledu: kauzality, determinovanosti,
        integrability, spojitosti
      • kvantování
      • vzorkování
      		 PPTX  40 min.

      Vyzkoušejte se      :
      TEST
      TEST (řešení)      		 Geneze signálů
      • harmonický signál
      • vzorkovací teorém
      • kvantování, kvantizační šum
      • BONUS: sonifikace EKG
      		 DOCX
      PDF
      DATA (ZIP)
      4
      12.10.2020

      Fourierova transformace

      • Ortogonální systém funkcí
      • Fourierova transformace (FT)
      • Fourierovy řady (FŘ)
      • Diskrétní v čase Fourierova transformace (DTFT)
      • Diskrétní Fourierova transformace (DFT)
      • Základní věty (Parsevalova rovnost, konvoluce, ...)
      • Periodizace
      • Aliasing

      		 PPTX  80 min.

      Vyzkoušejte se      :
      TEST
      TEST (řešení)      		 Rychlá Fourierova transformace (FFT)
      • Spektrum
      • Nejednoznačnost vzorkování, vzorkovací teorém
      • Aliasing
      • Filtrace ve spektru

      DOCX

      PDF

      DATA (ZIP)
      5
      19.10.2020      		 Výkonová spektrální hustota
      • Zahuštění spektra
      • Prosakování
      • Váhování oknem
      • Heterodynní směšování
      • Časová segmentace s překryvem
      • Spektrogram
      • Odhad výkonové spektrální metody (Welchova metoda)
             		PPTX  70 min.

      Vyzkoušejte se:
      TEST
      TEST (řešení)
      		 Spektrogram
      • Odstranění prosakování
      • Zahuštění spektra
      • Časová segmentace a vliv na časové/frekvenční rozlišení
      • Implementace spektrogramu
      1.  zápočtový úkol - Formantová analýza lidské řeči (do 9.11.2020)
      • Analýza samohlásek /a/, /e/, /i/, /o/, /u/
      • Základní hlasivková frekvence (v čase, ve spektru)
      • Spektrální analýza (1. a 2. formant)
      • Vowel Space Area (VSA)

      DOCX

      PDF

      DATA (ZIP)
      6
      26.10.2020      		 Lineární časově invariantní systémy (LTI)
      • Přenosová funkce
      • Impulzní odezva
      • Konvoluce a cyklická konvoluce
      • LTI jako filtr
      • Křížová korelace a autokorelace
      • Vzájemná spektrální hustota
      		 PPTX  60 min.

      Vyzkoušejte se:
      TEST
      TEST (řešení)      		 Identifikace systému a časové zpoždění mezi signály
      • Identifikace neznámého systému (blackbox)
      • Konvoluce signálu a impulzní odezvy
      • Určení časového zpoždění pomocí křížové korelace a autokorelace
      • BONUS: Rychlost šíření pulzní vlny a tepová frekvence ze vzájemné PSD

      DOCX

      PDF

      DATA (ZIP)
      7
      2.11.2020      		 Filtry s konečnou impulzní odezvou (FIR) 
      • Normovaný kmitočet
      • Ideální/reálná dolní propust sinc()
      • Realizace horní, pásmové propusti/zádrže
      • Mřížková struktura filtru
      • Z-transformace, membránový model z-roviny
      • FIR: diferenciátor, klouzavý průměr (MA), hřebenový filtr
             		PPTX  90 min.

      Vyzkoušejte se:
      TEST
      TEST (řešení)      		 Filtry s konečnou impulzní odezvou (FIR) 
      • Realizace filtru metodou oken a sinc()
      • Filtrace násobků rušení 50 Hz (hřebenový filtr)
      • Vyhlazení signálu a detekce náběžných hran (MA, diferenciátor)

      DOCX

      PDF

      DATA (ZIP)
      8
      9.11.2020      		 Filtry s nekonečnou impulzní odezvou (IIR)
      • Mřížková struktura, rekurzivní výpočet
      • Typy aproximací: Butterworth, Chebyshev(I, II), Eliptické
      • Stabilita
      • Vybrané typy IIR: integrátor, rezonátor, bi-kvadratický
      • Filtrace bez posunu fáze
      • Autoregresní modelování - Linear Prediction Coefficients (LPC)
      • Informační kritéria odhadu řádu
      		 PPTX  120 min.

      Vyzkoušejte se:
      TEST
      TEST (řešení)
      		 Filtry s nekonečnou impulzní odezvou (IIR)
      • Návrh IIR filtru
      • Horní propust (HP) - eliptický
      • Dolní propust (DP) - Butterworth
      • Pásmová zádrž (PZ) - banka bi-kvadratických filtrů (nx50 Hz)
      • Pásmová propust (PP) - Chebyshev typ II
      • Kaskádní filtrace iEEG bez posunu fáze
      • Odhad spektra pomocí LPC - formantová analýza
      • Odhad řádu modelu pomocí informačního kritéria 
      • BONUS: formnatová analýza pomocí LPC

      DOCX

      PDF

      DATA (ZIP)
      9
      16.11.2020      		 Převzorkování
      • Decimace + anti-aliasing filtr
      • Interpolace + DAC filtr (digital to analog)
      • Převzorkování v necoločíselném poměru
      Hilbertova transformace
      • Základní vlastnosti
      • Absolutní obálka - demodulace
      • Okamžitá frekvence
      • Okamžitá frekvence vs. 1. spektrální moment
      Obálka signálu
      • Absolutní Hilbertova obálka
      • Vyhlazení usměrněného signálu
        • MA-filtr
        • IIR integrátor
      • Teagerův energetický operátor
      		 PPTX  80 min.

      Vyzkoušejte se:
      TEST
      TEST (řešení)      		 Převzorkování
      • Implementace algoritmu decimace
      • Implementace algoritmu interpolace
      • Extrakce isolinie v EKG signálu postupnou decimací, filtrací a zpětnou interpolací
      • BONUS: Detekce srdečních cyklů v EKG: lokální maxima energetické obálky 

      DOCX

      PDF

      DATA (ZIP)
      10
      23.11.2020      		 Nelineární operace a parametrizace signálu
      • Nelineární úprava signálu (usměrnění, umocnění, mediánová filtrace)
      • Parametrický a neparametrický popis stochastických signálů
      • Parametrizace amplitudy (intenzita, energie, polarita, trend, ...)
      • Parametrizace frekvence (spektrální momenty, zero-crossing, medián spektra)
      • Parametrizace stochastických vlastností (průměr, směr. odchylka, kvartily, iqr,...)
      • Časová segmentace: rovnoměrná oknem s překryvem / oblasti zájmu
      • Prahování - detekce lokálních maxim
      • Morfologické operace: dilatace, eroze
      		 PPTX  105 min.

      Vyzkoušejte se:
      TEST
      TEST (řešení)
      		 Parametrizace signálu
      • Identifikace svalové kontrakce v EMG (energetická obálka, prahování, segmentace)
      • Parametrizace kontrakcí: extrakce amplitudových a frekvenčních vlastností
      2.  zápočtový úkol - Detekce R-špiček v EKG (do 21.12. 2020)
      • Základní filtrace
      • Energetická obálka
      • Prahování, segmentace, detekce lokálních maxim
      • R-R interval, okamžitá tepová frekvence, variabilita srdečního rytmu (HRV)

      DOCX

      PDF

      DATA (ZIP)
      11
      30.11.2020      		 Obrazy 1:
      Jasové a geometrické transformace
      • Změna jasu, kontrastu
      • Gama korekce
      • Ekvalizace histogramu
      • Klastrovací algoritmus: k-means
      • Redukce barev: lineární kvantování, klastrování
      Geometrické transformace
      • Změna rozlišení
      • Posun, změna měřítka, sklonu, rotace
      • Afinní transformace
      		 PPTX  80 min.

      Vyzkoušejte se:
      TEST
      TEST (řešení)      		 Jasové transformace
      • Změna jasu, kontrastu
      • Gama korekce
      • Ekvalizace histogramu
      • Klastrovací algoritmus: k-means
      • Redukce barev: klastrování
      Geometrické transformace
      • Změna rozlišení
      • Posun, změna měřítka, sklonu, rotace
      • Afinní transformace
      • BONUS: koregistrace MR a CT obrazů

      DOCX

      PDF

      DATA (ZIP)
      12
      7.12.2020      		 Obrazy 2: 
      Filtrace obrazu
      • 1D filtry
      • 2D Fourierova transformace
      • 2D konvoluce - FIR
      • Rozostření, zaostření, hrany, mediánová filtrace
      • 2D korelace

      		 PPTX  60 min.


      		 BONUS: Hledání vzorců v obraze (OCR Morseovy abecedy) 
      • Jasová korekce - binarizace
      • Detekce symbolů (ROI)
        • 1) Korelace ROI s definovanými vzory
        • 2) Parametrizace ROI výškou a šířkou znaku
      • Rozpoznání znaku dle:
        • 1) Maximální korelace
        • 2) Shlukovacím algoritmem k-means

      DOCX

      PDF

      DATA (ZIP)
      13
      14.12.2020      		 Opakování, konzultace
      		Zápočtový test
      14
      4.1.2021      		 Zajímavosti z praxe:
      Ing. Michal Novotný, Ph.D. 
      Anlýzy hlasu v léčbě Parkinsonovi nemoci

      Ing. Radek Janča, Ph.D.
      Analýzy intrakraniálního EEG a medicínských obrazů v léčbě epilepsie      		 Opravný zápočtový test


  • Pokyny pro vypracovávání úkolů

      • úkoly ze cvičení se odevzdávají přes moodle (viz odkazy níže)
      • odevzdává se spustitelný m-file (*.m) + všechny volané funkce a data, případně v ZIP archivu (nikoli protokol ve formátu DOCX/PDF)
      • skript vykreslí všechny grafy uvedené v zadání
      • slovní odpovědi se vypíší do command window pomocí funkcí disp/fprintf (odpovědi v komentářích nebo výpis proměnných bez středníku nebudou uznány)
      • před odevzdánímsi si zkontrolujte výsledky a zymyslete se nad interpretací (průměrná hodnota nemůže být vektor, potenciál EKG nebude v kV, hlasitost řeči nepřehluší triskový motor, 0.1 h není 10 min. apod.)
      • v případě vrácení úkolu k přepracování odevzdávejte znovu všechny soubory, opravené kódy doplňte příponou (např. *v2.m) 

  • Odevzdání zápočtových úkolů

  • Odevzdávání protokolů (distanční výuka)

  • This topic

    Zápočtový test