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1主讲人：周华平23451.1信息融合的起源与一般概念1.起源萌芽于第二次世界大战中对飞机、轮船、潜艇和V-1导弹的导航制导，当时叫做组合导弹制导美国：70年代：多个连续的声纳信号－潜艇位置检测1985年：JDL（实验室联合理事会）下设的C3I委员会成立了信息融合专家组，统一信息融合概念，建立信息融合公共参考框架1988年：信息融合列为重点开发的20项关键技术之一，且为最优先发展的A类61.1信息融合的起源与一般概念开发了多个系统，用于目标跟踪识别、态势评估与威胁估计：TCAC（军用分析系统）、TOP（海军战争状态分析系统）、TRWDS（目标获取与武器输送系统）、INCA（多平台多传感器跟踪信息相关处理系统）国内：1995年：由国防科工委组织召开了第一次信息融合研讨会1997年，国家自然科学基金把信息融合技术作为鼓励研究领域重点推出目前：多源信息融合的研究已经引起了国家有关部门的高度重视，并列入了863计划71.1信息融合的起源与一般概念学术界：1997年：在美国成立了国际信息融合学会(ISIF:InternationalSocietyofInformationFusion)各种学术会议和期刊：美国三军数据融合年会、SPIE国际年会，IEEETrans.onAES，IT(InformationTheory)，AC，SMC(Systems,ManandCybernetics)，IP(ImageProcessing)，以及其它IEEE的相关会议和会刊中。目前国内出版了一批信息融合方面的专著，有大量学术期刊刊登信息融合方面的研究成果，2007年自动化学报还将出版信息融合专刊。89智能信息处理技术9数据融合的基本原理1、人模仿自身信息处理能力的过程；特点：1)自适应性(信息的多样性)2)高智能化处理(各种解决手段)3)先验知识(先验知识越丰富，综合信息处理能力越强)10智能信息处理技术102、传感器感测外部信息，数据融合系统模仿人信息处理能力；特点：利用多传感器资源，把多传感器在空间或时间上可冗余或互补信息，依据某种准则来进行组合，获得被测对象的一致性描述。11智能信息处理技术11数据融合系统研究的对象研究对象：各类信息表现形式：信号、波形、数据、文字或声音等信息获取：各类传感器（信息的多样性）后端系统用12智能信息处理技术12数据融合技术的出现前提1）传感器的性能提高；2）多传感器信息系统出现；3）信息具有多样性；4）信息容量以及信息处理速度的要求超出了传统信息处理方法的能力。13智能信息处理技术13多传感器数据融合系统特点单传感器信号处理或低层次的多传感器数据处理不能有效地利用多传感器资源；多传感器系统可以更大程度地获得被探测目标和环境的信息量；数据融合所处理的多传感器信息具有更复杂的形式，可在不同的信息层次上出现，这些信息抽象层次包括数据层、特征层和决策层。14智能信息处理技术14数据融合系统的目的多源信息的综合分析、判断、决策通过数据组合而不是出现在输入信息中的任何个别元素，推导出更多的信息，得到最佳协同作用的结果；利用多个传感器共同或联合操作的优势，提高传感器系统的有效性，消除单个或少量传感器的局限性。15智能信息处理技术15数据融合系统的应用特点综合利用来自多传感器的信息，获得对被测对象一致性的可靠了解和解释，以利于系统作出正确的响应、决策和控制。有助于改善系统的性能，使系统具有专家系统的特征。降低对个别传感器的依赖性。161718INS全称InertialNavigationSystem，即惯性导航系统1920212223定义1从军事应用的角度：一个处理探测、互联、相关、估计以及组合多源信息和数据多层次、多方面的过程，以便获得准确的状态和身份估计、完整而及时的战场态势和威胁估计。定义2利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程。总结：a.信息融合试图组合来自多个传感器的数据，以完成一个单一的传感器独自所不能进行的推理；b．对多源信息进行综合处理，从而得出更为准确的结论。2425定义三个要点：（1）数据融合是多信源、多层次的处理过程，每个层次代表信息的不同抽象程度；（2）数据融合过程包括数据的检测、关联、估计与合并；（3）数据融合的输出包括低层次上的状态身份估计和高层次上的总战术态势的评估。26多传感器数据融合包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测。基本目的：通过融合得到比单独的各个输入数据更多的信息。这一点是协同作用的结果，即由于多传感器的共同作用，使系统的有效性得以增强。多传感器数据融合系统可更大程度获取被探测目标和环境的信息量。单传感器信号处理或低层次的数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。实质：一种多源信息的综合技术，通过对来自不同传感器的数据进行分析和综合，可以获得被测对象及其性质的最佳一致估计。多传感器数据融合：将经过集成处理的多种传感器信息进行合成，形成对外部环境某一特征的一种表达方式。27数据融合的优点增加了系统的生存能力扩展了空间覆盖范围扩展了时间覆盖范围提高了可信度降低了信息的模糊度改善了探测性能提高了空间分辨率增加了测量空间的维数2829303132信息融合层次的划分主要有两种方法。第一种方法是按照融合对象的层次不同，将信息融合划分为低层（数据级或像素级）、中层（特征级）和高层（决策级）。另一种方法将是将传感器集成和数据融合划分为信号级、证据级和动态级。信息融合的分类数据级融合(或像素级融合)对传感器的原始数据及预处理各阶段上产生的信息分别进行融合处理。尽可能多地保持了原始信息，能够提供其它两个层次融合所不具有的细微信息。局限性：(1)由于所要处理的传感器信息量大，故处理代价高；(2)融合是在信息最低层进行的，由于传感器的原始数据的不确定性、不完全性和不稳定性，要求在融合时有较高的纠错能力；(3)由于要求各传感器信息之间具有精确到一个像素的配准精度，故要求传感器信息来自同质传感器；(4)通信量大。监测对象传感器1特征提取传感器2传感器N数据融合识别决策…数据级融合(或像素级融合)特征级融合利用从各个传感器原始数据中提取的特征信息，进行综合分析和处理的中间层次过程。通常所提取的特征信息应是数据信息的充分表示量或统计量，据此对多传感器信息进行分类、汇集和综合。特征级融合分类：目标状态信息融合目标特性融合。监测对象特征融合传感器1传感器2传感器N…识别决策特征提取特征提取特征提取…特征级融合分类目标状态信息融合主要应用于多传感器目标跟踪领域。融合系统首先对传感器数据进行预处理以完成数据配准。数据配准后，融合处理主要实现参数相关和状态矢量估计。目标特性融合特征层联合识别，具体的融合方法仍是模式识别的相应技术，只是在融合前必须先对特征进行相关处理，对特征矢量进行分类组合。在模式识别、图像处理和计算机视觉等领域，已经对特征提取和基于特征的分类问题进行了深入的研究，有许多方法可以借用。决策级融合在信息表示的最高层次上进行的融合处理。不同类型的传感器观测同一个目标，每个传感器在本地完成预处理、特征抽取、识别或判断，以建立对所观察目标的初步结论，然后通过相关处理、决策级融合判决，最终获得联合推断结果，从而直接为决策提供依据。因此，决策级融合是直接针对具体决策目标，充分利用特征级融合所得出的目标各类特征信息，并给出简明而直观的结果。决策级融合优点：实时性最好在一个或几个传感器失效时仍能给出最终决策，因此具有良好的容错性。监测对象决策融合传感器1传感器2传感器N…决策特征提取特征提取特征提取…识别识别识别…决策级融合信息融合过程首先将被测对象它们转换为电信号，然后经过A／D变换将它们转换为数字量。数字化后电信号需经过预处理，以滤除数据采集过程中的干扰和噪声。对经处理后的有用信号作特征抽取，再进行数据融合；或者直接对信号进行数据融合。最后，输出融合的结果。42二、意义及应用1、在信息电子学领域信息融合技术的实现和发展以信息电子学的原理、方法、技术为基础。信息融合系统要采用多种传感器收集各种信息，包括声、光、电、运动、视觉、触觉、力觉以及语言文字等。信息融合技术中的分布式信息处理结构通过无线网络、有线网络，智能网络，宽带智能综合数字网络等汇集信息，传给融合中心进行融合。43444546474849信息融合结构形式三种结构形式：串联、并联和混合融合形式。1.加权平均2.嵌入约束法：卡尔曼滤波、贝叶斯估计3.多贝叶斯方法4.统计决策理论5.证据组合法：概率统计方法、Dempster-Shafer证据推理法6.模糊逻辑法7.产生式规则法8.神经网络方法信息融合的一般方法信息融合的应用领域a.军事应用是信息融合的来源和主要应用领域，主要包括多探测器环境下目标的检测、定位、跟踪与识别，以及在此基础上的态势评估与威胁估计技术，具体应用如自动目标识别、自主车辆导航、遥感、战场侦测、自动威胁识别等表1信息融合军事应用1.1信息融合的起源与一般概念b.民用领域图像融合：检测、医疗诊断；遥感，环境与资源监测智能机器人：对视频图像、声音、电磁等进行融合以实现高速、高精度控制以及推理判断－－ARPA的自主式行走的车辆，采用彩色TV摄像机、激光测距仪和声纳传感器等，用信息融合的方法对多种传感器信息进行并行处理与综合；外星探测车；故障诊断：大型工业监控应用智能交通系统：车辆导航、自动驾驶、自动规避防撞信息融合的应用领域551、在信息电子学领域•除了自然(物理)信息外，信息融合技术还融合社会类信息，以语言文字为代表，涉及到大规模汉语资料库、语言知识的获取理论与方法、机器翻译、自然语言解释与处理技术等，信息融合采用分形、混沌、模糊推理、人工神经网络等数学和物理的理论及方法。它的发展方向是对非线性、复杂环境因素的不同性质的信息进行综合、相关，从各个不同的角度去观察、探测世界。562、在计算机科学领域在计算机科学中，目前正开展着并行数据库、主动数据库、多数据库的研究。信息融合要求系统能适应变化的外部世界，因此，空间、时间数据库的概念应运而生，为数据融合提供了保障。空间意味着不同种类的数据来自于不同的空间地点，时间意味着数据库能随时间的变化适应客观环境的相应变化。信息融合处理过程要求有相应的数据库原理和结构，以便融合随时间、空间变化了的数据。在信息融合的思想下，提出的空间、时间数据库，是计算机科学的一个重要的研究方向。573、在自动化领域以各种控制理论为基础，信息融合技术采用模糊控制、智能控制、进化计算等系统理论，结合生物、经济、社会、军事等领域的知识，进行定性、定量分析。按照人脑的功能和原理进行视觉、听觉、触觉、力觉、知觉、注意、记忆、学习和更高级的认识过程，将空间、时间的信息进行融合，对数据和信息进行自动解释，对环境和态势给予判定。目前的控制技术，已从程序控制进入了建立在信息融合基础上的智能控制。智能控制系统不仅用于军事，还应用于工厂企业的生产过程控制和产供销管理、城市建设规划、道路交通管理、商业管理、金融管理与预测、地质矿产资源管理、环境监测与保护、粮食作物生长监测、灾害性天气预报及防治等涉及宏观、微观和社会的各行各业。58今后主要研究方向发展和完善信息融合基本理论；改进融合算法以提高计算性能；适应并行处理的融合估计算法；传感器资源优化管理；融合系统的数据库与知识库；工程化的设计方法；系统性能评估方法；