Insegnamento
ELABORAZIONE NUMERICA DEI SEGNALI
IN12102462, A.A. 2013/14

Principali informazioni sull'insegnamento
Corso di studio Corso di laurea magistrale in
INGEGNERIA INFORMATICA
IN0521, ordinamento 2009/10, A.A. 2013/14
1085728
Crediti formativi 9.0
Denominazione inglese DIGITAL SIGNAL PROCESSING
Dipartimento di riferimento Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione (DEI)
Obbligo di frequenza No
Lingua di erogazione ITALIANO
Sede PADOVA

Docenti
Responsabile GUIDO MARIA CORTELAZZO

Mutuante
Codice Insegnamento Responsabile Corso
IN12102462 ELABORAZIONE NUMERICA DEI SEGNALI GUIDO MARIA CORTELAZZO IN0524

Dettaglio crediti formativi
Tipologia Ambito Disciplinare Settore Scientifico-Disciplinare Crediti
AFFINE/INTEGRATIVA Attività formative affini o integrative ING-INF/03 9.0

Modalità di erogazione
Periodo di erogazione Primo semestre
Anno di corso A scelta dello studente
Modalità di erogazione frontale

Organizzazione della didattica
Tipo ore Crediti Ore di
Corso
Ore Studio
Individuale
Turni
LEZIONE 9.0 72 153.0 Nessun turno

Calendario
Inizio attività didattiche 26/09/2016
Fine attività didattiche 25/01/2014

Commissioni d'esame
Commissione Dal Al Membri
7 A.A. 2016/2017 01/10/2016 15/03/2018 CALVAGNO GIANCARLO (Presidente)
BADIA LEONARDO (Membro Effettivo)
BENVENUTO NEVIO (Supplente)
CORVAJA ROBERTO (Supplente)
ERSEGHE TOMASO (Supplente)
LAURENTI NICOLA (Supplente)
MILANI SIMONE (Supplente)
PUPOLIN SILVANO (Supplente)
ROSSI MICHELE (Supplente)
TOMASIN STEFANO (Supplente)
VANGELISTA LORENZO (Supplente)
ZANELLA ANDREA (Supplente)
ZANUTTIGH PIETRO (Supplente)
ZORZI MICHELE (Supplente)
6 A.A. 2015/2016 01/10/2015 15/03/2017 CALVAGNO GIANCARLO (Presidente)
BADIA LEONARDO (Membro Effettivo)
BENVENUTO NEVIO (Supplente)
CORVAJA ROBERTO (Supplente)
ERSEGHE TOMASO (Supplente)
LAURENTI NICOLA (Supplente)
MILANI SIMONE (Supplente)
PUPOLIN SILVANO (Supplente)
ROSSI MICHELE (Supplente)
TOMASIN STEFANO (Supplente)
VANGELISTA LORENZO (Supplente)
ZANELLA ANDREA (Supplente)
ZANUTTIGH PIETRO (Supplente)
ZORZI MICHELE (Supplente)
5 A.A. 2014/2015 01/10/2014 15/03/2016 CALVAGNO GIANCARLO (Presidente)
ZANUTTIGH PIETRO (Membro Effettivo)
BADIA LEONARDO (Supplente)
BENVENUTO NEVIO (Supplente)
CORVAJA ROBERTO (Supplente)
ERSEGHE TOMASO (Supplente)
PUPOLIN SILVANO (Supplente)
ROSSI MICHELE (Supplente)
VANGELISTA LORENZO (Supplente)
ZANELLA ANDREA (Supplente)
ZORZI MICHELE (Supplente)
01/10/2013 15/03/2015 CORTELAZZO GUIDO MARIA (Presidente)
ZANUTTIGH PIETRO (Membro Effettivo)
CALVAGNO GIANCARLO (Supplente)
3 2012 01/10/2012 15/03/2014 CORTELAZZO GUIDO MARIA (Presidente)
ZANUTTIGH PIETRO (Membro Effettivo)
CALVAGNO GIANCARLO (Supplente)

Syllabus
Prerequisiti: Il corso di "Segnali e sistemi"
Conoscenze e abilita' da acquisire: Elaborazione Numerica dei Segnali estende le conoscenze acquisite nel corso di Segnali e Sistemi in 4 direzioni:
1) Segnali:
Sul fronte Segnali verranno visti in modo dettagliato i seguenti argomenti: Trasformata Discreta di Fourier 1D (DFT),
Analisi spettrale di segnali sinusoidali,
Trasformata Z,
Trasformata di Fourier Multidimensionale (MD)

2) Sistemi:
Sul fronte Sistemi verranno visti in modo dettagliato i seguenti argomenti: Sistemi lineari (tempo invarianti) causali e non causali, 1D e MD,
Sistemi non lineari 1D e MD.

3) Implementazione e progetto di sistemi lineari:
Sul fronte Implementazione e progetto di sistemi lineari verranno visti in modo dettagliato i seguenti argomenti:
Strutture per sistemi FIR e IIR,
Aritmetica finita nell' implementazione di sistemi LSI,
Tecniche di progetto di filtri FIR e IIR.

4) Applicazioni :
Sul fronte Applicazioni verranno visti in modo dettagliato i seguenti argomenti:
Implementazione e progetto di sistemi lineari “multi-rate” per la conversione della frequenza di campionamento.

Gli studenti acquisiranno anche dimestichezza operativa con MATLAB, SIMULINK e con materiale multimediale (audio, immagini, video, dati di geometria 3D) utilizzati per esemplificare le proprietà dei segnali e sistemi considerati nel corso.

Il programma dettagliato del corso è reperibile in http://lttm.dei.unipd.it/nuovo/teaching/ens/
Modalita' di esame: Prova scritta ed orale
Criteri di valutazione: Il corso di Elaborazione Numeria dei Segnali copre di proposito un percorso molto ampio ed approfondito il cui obiettivo non è quello di rendere lo student edotto su ogni singolo argomento trattato nel cosro, ma fornire allo studente una casistica ampia che renda molto chiari alcuni concetti fondamentali di segnali e sistemi. Si presentano molte sfaccettature degli stessi concetti al fine di rendere chiari I concetti tradizionali di segnali e sistemi.
Lo studente viene valutato in base alla sua conscenza degli strumenti classici di elaborazione dei segnali. Gli si richiede disinvoltura (= velocità e capacità di analisi) nei concetti che riguardano l’ analisi nel dominio in frequenza dei segnali e nella realizzazione di sistemi lineari sia a livello generale (convoluzione, equazione alle differenze finite) che in contesti specifici (funzioni di trasferimento con specifiche prestabilite e realizzate tramite le strutture tipiche).
Conoscenze specifiche che rivelino particolare lavoro di studio e di rielaborazione personale vengono aprezzatate e riconosciute in termini di voto.
Contenuti: 1 Segnali 1D e MD

1.1 Classificazione dei segnali in base a dominio e codominio

1.2 Trasformata di Fourier

1.2.1 Caso 1D

1.2.2 Caso MD

Trasformata di Fourier a dominio continuo (CTFT), dominio discreto (DTFT), a dominio periodico (DTF).
Teorema del campionamento per segnali 2D

1.3 Trasformata Zeta

2 Sistemi 1D e MD

2.1 Classificazione dei sistemi MD

2.2 Sistemi senza memoria o puntuali

Definizione ed esempi di sistemi puntuali: Negativo, Bit-plane slicing, Correzione Gamma, Variazione del contrasto
Sistemi puntuali di natura statistica: Equalizzazione dell' istogramma, Specifica dell' istogramma

2.3 Sistemi con memoria o a finestra

2.3.1 Sistemi lineari a finestra MD

2.3.1.2 Sistemi LSI 1D: proprietà generali

2.3.1.3 Calcolo dell' uscita dei Sistemi LSI
Caso FIR 1D
Caso FIR 2D
Caso IIR 1D

2.3.1.4 Miscellanea sui Sistemi LSI 1D
Risposta in regime permanente e transitorio
Ritardo di fase e di gruppo
Posizioni dei poli per sistemi stabili causali e non causali
Implementazione dei sistemi non-causali
Fase lineare per IIR e FIR
Simmetria della risposta impulsiva dei fitri FIR a fase lineare
Sistemi passatutto ed equalizzazione del ritardo di gruppo

2.3.2 (Alcuni) Sistemi non-lineari a finestra

Sistemi ottenuti da fusione di più operatori non-lineari
Filtraggio omomorfo
Filtri di media non lineare
La famiglia dei filtri di rango
Filtro Max e Filtro Min
Filtro mediano, mediano pesato e alpha-trimmed
Filtri adattativi spaziali

3 Implementazione e progetto di filtri lineari

3.1 Implementazione di filtri LSI 1D

3.1.1 Strutture

3.1.2 FDATool e Simulink
Progettazione di filtri tramite FDATool
Simulazione di sistemi tramite Simulink
3.1.3 Quantizzazione dei coefficienti
3.1.4 Propagazine all' uscita del rumore di quantizzazione in ingresso
3.1.5 Rumore di round-off e scalamento della dinamica dei segnali
3.1.6 Cicli limite e rumore di round-off nella DFT

3.2 Progetto di filtri LSI

3.2.1 Interpretazione geometrica della risposta in frequenza e filtri semplici del primo ordine
3.2.2 IIR semplici del secondo ordine
3.2.3 Progetto di filtri FIR tramite campionamento in frequenza
3.2.4 Progetto di filtri FIR tramite il metodo delle finestre
3.2.5 Progetto di filtri FIR ottimi in norma di Chebycehv
3.2.6 Progetto di filtri analogici
3.2.7 Progetto di filtri IIR tramite trasformazione bilineare
3.2.8 Metodi CAD per il progetto di filtri IIR

4 Applicazioni

4.1 Cambio della frequenza di campionamento

4.1.1 Concetti di base di "multirate signal processing"
"Up-sampler" nel dominio del tempo e della frequenza
"Down-sampler" nel dominio del tempo e della frequenza
Interpolazione per un fattore intero nel dominio del tempo e della frequenza
Decimazione per un fattore intero nel dominio del tempo e della frequenza
Convertitire di frequenza frazionario nel dominio del tempo e della frequenza
Relazioni di equivalenza nella cascata e identità nobili
Requisiti computazionali di decimazione e interpolazione
4.1.1 Progetto e implementazione dei sistemi per il cambio della frequenza di campionamento
Specifiche per il progetto di filtri a stadio multiplo
Progetto di decimatori a stadio multiplo
Progetto di interpolatori a stadio multiplo
Decomposizione polifase di tipo I e II per filtro FIR
Decomposizione polifase per decimatori
Decomposizione polifase per interpolatori
Decomposizione polifase per FIR a faes lineare
Cambio della frequenza di campionamento via MATLAB
Decomposizione polifase per conve
Attivita' di apprendimento previste e metodologie di insegnamento: L’ attività di apprendimento prevista riguarda una profonda assimilazione dei concetti alla base dei sistemi lineari e non lineari attraverso un percorso molto più ampio di quello dei corsi di Elaborazione Numerica dei Segnali di tipo standard con un diretto coinvolgimento dello studente posto continuamente di fronte a situazioni concrete frutto degli argomenti teorici presentati a lezione. Il modo in cui ciascun argomento (1) Segnali; 2) Sistemi; 3) Progetto ed implementazione dei sistemi lineari; 4) Applicazioni ) viene presentato non è quello tipico dei corsi di Elaborazione Numerica dei Segnali che riguardano solo segnali 1D e che sono a forte polarizzazione teorica. Nella fattispecie l’ argomento Segnali, viene trattato in contesto 1D e multidimensionale (MD). Gli strumenti di elaborazione dei segnali vengono presentati non solo per il caso 1D e MD, ma vengono anche usati su dati audio, immagini, video e dati 3D gestiti tramite MATLAB. L’ utilizzo di materiale multimediale consente di associare ad elementi percettivi i concetti classici dei segnali. Ossia, ad esempio con le immagini lo studente impara che il concetto di alta frequenza corrisponde ai bordi degli oggetti rappresentati e con l’ audio a suoni acuti e acquisice un senso pratico che l’ utilizzo di segnali matematici (sinusoidi, esponenziali e simili) non può dare.
L’ argomento Sistemi, che nei cosri di Elaborazione Numerica dei Segnali riguarda solo sistemi lineari causali tempo-varianti 1D, viene invece trattato con notevole generalità. Il corso non considera solo sistemi di tipo lineare ma anche di tipo non-lineare e nel caso 1D e MD. Inoltre il concetto di causalità viene considerato in maniera critica: viene mostrata l’ utilità di sistemi non-causali con le immagini e si insegna la loro realizzazione pratica. Nella parte di Progetto e Implementazione dei sistemi lineari che attiene alle strutture, agli effetti dell’ aritmetica finita e alle tecniche di progetto, gli studenti apprendono l’ uso di strumenti pratici per il progetto (FDAToolo di Matlab) e la realizzazione di filtri SIMULINK unito a MATLAB (con o senza FDATool). L’ argomento Applicazioni per ragioni di tempo viene limitato al cambio della frequenza di campionamento. Una applicazione che amplia ulteriormente la visione dello studente perchè lo porta per la prima volta a considerare e usare sistemi lineari non tempo varianti (o spazio varianti) .


La metodologia assieme alla scelta degli argomenti mira ad obbligare lo studente a una rimeditazione critica di quanto ha appreso in precedenza relativamente ai macroargomenti di segnali e sistemi e consegnargli su questo argomento un bagaglio concettuale ampio e approfondito nel contesto di una abbondante casitica pratica.
La metodologia di insegnamento consiste nel presentare i concetti teorici e quindi svolgere in aula esercitazioni pratiche che mostrano il loro utilizzo in contesti concreti di elaborazione di dati audio, immagini e altro. Ad esempio l’ analisi spettrale di sinusoidi viene illustrata con il progetto di sistemi “dual-tone multi-frequency” (DTMF) usato in tutte le tastiere telefoniche di tipo touch-tone e presentato in classe in termini generali e dato come esercizio relativamente ad un caso specifico nel primno homework, la correlazione viene esemplificata come strumento di retrieval di dati audio e video, il filtraggio lineare e non lineare viene mostrato in contesti di denoising audio e video, gli effetti dell’ aritmetica finita vengono verificati tramite SIMULINK nella realizzazione di specifici filtri digitali analogamente alle varie tecniche di progetto di funzioni di trasferimento, il cambio della frequenza di campionamento in situazioni di cambio delle dimensioni di imma
Eventuali indicazioni sui materiali di studio: Il libro di testo di riferimento è il libro di Elaborazione Numerica dei Segnali di S. Mitra, "Digital Signal Processing:a Computer-based Approach", McGraw-Hill, Fourth Edition, New York, 2011che il testo di Elaborazione Numerica dei Segnali con maggiore diffusine nel mondo.
Tuttavia i contenuti del corso anche se provengono dalle discipline di Elaborazione Numerica dei Segnali e di Elaborazione delle Immagini non si trovano in quanto tali in alcun libro di testo relativo a queste discipline.
Di fatto il materiale di studio è dato dagli appunti del docente distribuiti in pdf ad ogni lezione e dai molti esempi MATLAB discussi e consegnati agli studenti ad ogni lezione.
Gli argomenti di lezione per alcune parti sono tratti da G.A. Mian: "Dispense di Elaborazione Numerica dei Segnali" scaricabili dal sito del corso.
Per le parti di immagini un riferimento è dato da
Rafael C. Gonzalez and Richard E. Woods, "Digital Image Processing", McGraw-Hill, Fourtth Edition, New York, 2011.
Testi di riferimento:
  • S. Mitra, Digital Signal Processing:a Computer-based Approach. New York: McGraw-Hill, 2011. 4 Ed. Cerca nel catalogo
  • G.A. Mian, Dispense di Elaborazione Numerica dei Segnali. --: --, 2006. scaricabili da http://lttm.dei.unipd.it/nuovo/teaching/ens/
  • R. C. Gonzalez and R. E. Woods, Digital Image Processing. New York: McGraw-Hill, 2011. 4 Ed. Cerca nel catalogo