B31ZZS - Základy zpracování signálů
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
- 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.
- Čmejla, R., Sovka, P.: Úvod do číslicového zpracování signálů - cvičení. ČVUT Praha 2005.
- Uhlíř, J., Sovka, P., Čmejla, R.: Úvod do číslicového zpracování signálů. ČVUT Praha 2003.
- Zaplatílek, K., Doňar, B.: MATLAB - začínáme se signály. BEN 2006.
- McClellan, J.H, Schafer, R.W., Yoder, M.A..: DSP First, A multimedia Approach, Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1998.
- Openheim, A.V., Schafer, R.W.: Discrete-Time Signal Processing. Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1998.
- Ambardar, A., Borghesani, C.: Mastering DSP Concepts using MATLAB.Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1998.
-
Vejražka, F.; Hrdina, Z.: Signály a soustavy. [Skriptum.] Praha, ČVUT 1997
- http://www.dspguide.com/pdfbook.htm
- Osnova
Týden Přednáška Link Cvičení Link 1
21.9.2020Úvod 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
PDF2
28.9.1010Den české státnosti 3
5.10.2020Signál
- 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
12.10.2020Fourierova 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
5
19.10.2020Výkonová 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
- Analýza samohlásek /a/, /e/, /i/, /o/, /u/
- Základní hlasivková frekvence (v čase, ve spektru)
- Spektrální analýza (1. a 2. formant)
- Vowel Space Area (VSA)
6
26.10.2020Lineární 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
7
2.11.2020Filtry 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)
8
9.11.2020Filtry 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
9
16.11.2020Převzorkování - Decimace + anti-aliasing filtr
- Interpolace + DAC filtr (digital to analog)
- Převzorkování v necoločíselném poměru
- Základní vlastnosti
- Absolutní obálka - demodulace
- Okamžitá frekvence
- Okamžitá frekvence vs. 1. spektrální moment
- 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
10
23.11.2020Nelineární 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
- Základní filtrace
- Energetická obálka
- Prahování, segmentace, detekce lokálních maxim
- R-R interval, okamžitá tepová frekvence, variabilita srdečního rytmu (HRV)
11
30.11.2020Obrazy 1:
Jasové a geometrické transformace
- Změna jasu, kontrastu
- Gama korekce
- Ekvalizace histogramu
- Klastrovací algoritmus: k-means
- Redukce barev: lineární kvantování, klastrování
- 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
- Změna rozlišení
- Posun, změna měřítka, sklonu, rotace
- Afinní transformace
- BONUS: koregistrace MR a CT obrazů
12
7.12.2020Obrazy 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
13
14.12.2020Opakování, konzultace Zápočtový test 14
4.1.2021Zajímavosti 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 epilepsieOpravný zápočtový test