Методи, алгоритми та засоби цифрової обробки сигналів та зображень
І. Методичні вказівки до курсових проектів
ВСТУП
В останні роки цифрова обробка сигналів та зображень (ЦОСЗ) суттєво впливає на такі ключові технологічні галузі, як телекомунікації, цифрове телебачення і засоби інформації, біомедицина і цифровий звукозапис. Сьогодні ЦОСЗ є основою багатьох новітніх видів цифрових розробок і різних застосувань в інформаційному середовищі (наприклад. цифровий мобільний зв'язок, цифрові відеокамери, телебачення і системи звукозапису). Поряд з тим ЦОСЗ ширше впроваджується і в класичні галузі застосування (радіолокація, геофізика, опрацювання мовних сигналів, сейсмологія, системи зв'язку і передачі даних, медична і технічна діагностика, системи керування). Такому широкому застосуванню сприяли успіхи в розробці швидких алгоритмів і методів ЦОСЗ (наприклад, хвилькові перетворення), досягнення в технології конструювання інтегральних схем (архітектура нових процесорів ЦОС, програмовані логічні інтегральні схеми – ПЛІС, системи на кристалі), використання програмних пакетів (MATLAB, база програм на мові С).
Суть ЦОСЗ як області науки пролягає у розв'язку на обчислювальній машині чотирьох основних задач:
- представлення сигналів та зображень в зручній для сприйняття формі;
- виділення із сигналів та зображень корисної інформації;
- внесення в сигнали та зображення корисної інформації;
- формування сигналів та зображень із заданими параметрами.
Основні переваги ЦОСЗ полягають в: можливості реалізації складних методів та алгоритмів обробки сигналів та зображень, недоступних для аналогових пристроїв; забезпеченні високої точності обробки; гнучкості і універсальності засобів, розвиненому користувацькому інтерфейсові тощо.
Головна проблема ЦОСЗ полягає у підвищенні швидкодії при реалізації певного набору математичних операцій над сигналами та зображеннями. Цей набір, як правило, визначається проблемною орієнтацією засобів ЦОСЗ. Для розв'язання цієї задачі комплексно застосовуються два напрямки - підвищення ефективності обчислювальних алгоритмів і вдосконалення архітектури комп'ютерних засобів. При цьому виходять з детального аналізу особливостей проблемної області. Власне, незалежно від вибраного напрямку і теми, студенти повинні виконувати курсові проекти з даного курсу виходячи з головної проблеми ЦОСЗ.
2. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ
2.1. Вибір теми курсового проекту слід проводити з врахуванням індивідуальних схильностей до певного напрямку творчої діяльності. Тематика курсових проектів охоплює основні напрямки розвитку цифрової обробки сигналів та зображень як галузі науки, а саме:
1) літературні огляди і доповіді;
2) розробку методів та процедур ЦОСЗ;
3) розробку програмованих комп'ютерних засобів ЦОСЗ;
4) розробку пристроїв ЦОСЗ на основі спеціалізованих НВІС;
5) проектування спеціалізованих НВІС ЦОСЗ.
2.2. У курсових проектах напрямку "Літературні огляди і доповіді" студент повинен вибрати тему і на основі аналізу науково-технічної літератури та періодичних видань деякої проблемної області застосування ЦОСЗ висвітлити перспективні напрямки розвитку засобів ЦОСЗ. Основна мета проекту - виявити найперспективніший напрямок розвитку ЦОСЗ в окремих проблемних областях застосування.
Курсові проекти цього напрямку вибирають студенти, які навчаються в магістратурі), що добре вміють працювати з літературними джерелами, засобами електронної комунікації, в достатній мірі володіють математичними методами і знають принципи побудови засобів ЦОСЗ, схильним до узагальнень.
При аналізі літератури потрібно надавати перевагу оглядовим матеріалам і монографіям узагальненого характеру, включаючи реферативні журнали. Аналіз літератури необхідно проводити за останні 5 років. Рекомендується аналізувати і суміжні (стосовно вибраної тематики) області науки, наприклад, теорію слуху чи зору людини.
2.3. У курсових проектах напрямку "Розробка методів та процедур ЦОСЗ" студент повинен вибрати тему і на основі поглибленого аналізу науково-технічної літератури запропонувати найефективніші для певної області застосування методи та процедури розв'язку типові задачі ЦОСЗ.
Тут особливо ціниться взаємно пов'язана оптимізація алгоритмів та архітектури комп'ютерних засобів обробки сигналів та зображень з орієнтацією на проблемні області застосування, сформовані в темах попереднього напрямку. Основна мета проекту передбачає одержання ефективної процедури ЦОСЗ.
Курсові проекти цього напрямку рекомендується вибирати студентам, що добре володіють математичними методами і теорією побудови швидких алгоритмів, знають принципи побудови засобів ЦОСЗ, а також методами математичного моделювання. При аналізі літературних джерел потрібно надавати перевагу новітнім матеріалам і монографіям з поглибленим висвітленням особливостей задачі.
2.4. У курсових проектах напрямку "Розробка програмованих комп'ютерних засобів ЦОСЗ" студент повинен зосередити увагу на питаннях програмної реалізації процедур та алгоритмів ЦОСЗ. Тут особливо ціниться вдалий вибір структури засобів і розробки програм, що реалізують методи та алгоритми ЦОС, забезпечуючи при цьому кращі від відомих характеристики швидкодії. Передбачається, що обробка сигналів ведеться на універсальних комп'ютерах і на програмованих процесорах обробки сигналів (ППОС).
Основний спосіб покращення характеристик тут полягає у взаємно пов'язаному виборі і оптимізації алгоритмів та архітектури засобів обробки сигналів в рамках проблемної області застосування. Основна мета проекту - в розробці структури засобів і окремих, найкритичніших для задачі програмних модулів, написаних на асемблері ППОС або на мові високого рівня.
Курсові проекти цього напрямку рекомендується вибирати студентам, що добре володіють математичними методами і теорією побудови швидких алгоритмів, знають принципи побудови засобів ЦОСЗ, а також методи математичного моделювання. При аналізі літературних джерел потрібно надавати перевагу новітнім матеріалам і монографіям з поглибленим висвітленням особливостей задачі.
2.5. У курсових проектах напрямку "Розробка пристроїв ЦОСЗ на основі спеціалізованих НВІС" студент повинен зосередити увагу на питаннях апаратної реалізації процедур та алгоритмів ЦОСЗ. Тут особливо ціниться вдалий вибір структури засобів і отримання нових схемних рішень, котрі забезпечують покращення характеристик у порівнянні з відомими аналогічними за призначенням засобами.
Основний спосіб покращення характеристик тут полягає у взаємно пов'язаному виборі і оптимізації алгоритмів та схемних рішень пристроїв ЦОСЗ. Основна мета проекту полягає в розробці функціональної і принципової схеми пристрою. Моделювання на ПЕОМ використовується на етапах модернізації алгоритмів і перевірки правильності отриманих схемних рішень.
Курсові проекти цього напрямку рекомендується вибирати студентам, що добре підготовлені в теорії проектування комп'ютерів і володіють методами побудови швидких алгоритмів, а також методами моделювання дискретних систем. При аналізі літературних джерел доцільно орієнтуватися на матеріали, в котрих розглядаються теоретичні основи побудови швидких алгоритмів і схемні рішення.
2.6. У курсових проектах напрямку "Проектування спеціалізованих НВІС ЦОСЗ" студент повинен зосередити увагу на питаннях апаратної реалізації базових операцій ЦОСЗ. Алгоритмічний аспект цього напрямку в основному проявляється при дослідженні способів ефективної реалізації арифметичних та математичних операцій.
Основний спосіб покращення характеристик тут полягає у взаємно пов'язаному виборі і оптимізації алгоритмів та схемних рішень. Основна мета проекту полягає в розробці функціональної і принципової схеми пристрою на основі бібліотеки функціональних елементів НВІС. Моделювання на універсальному комп'ютері використовується на етапах модернізації алгоритмів, розробки принципових схем і перевірки правильності отриманих рішень на рівні логічних елементів.
Курсові проекти цього напрямку рекомендується вибирати студентам, що добре підготовлені в теорії та практиці проектування комп'ютерів, досконало володіють методами моделювання та проектування обчислювальних пристроїв. При аналізі літературних джерел доцільно надавати перевагу матеріалам, в котрих основна увага приділена розробці спеціалізованих комп'ютерних засобів реального часу, опису схемних рішень, зокрема, патентам і авторським свідоцтвам.
3. ТЕМИ КУРСОВИХ ПРОЕКТІВ
У відповідності до вибраного напрямку пропонується наступний перелік тем курсових проектів, більш конкретизовані завдання з яких уточняються викладачем на основі попередньої співбесіди з студентом:
3.1. Літературні огляди і доповіді:
1) Обробка звукових та мовних сигналів.
2) Обробка зображень.
3) Технічна діагностика.
4) Медична діагностика.
5) Криптологія.
6) Зв'язок, системи мультимедіа.
7) Робототехніка, системи штучного інтелекту.
3.2. Розробка методів та процедур ЦОСЗ:
1) Згортка і фільтрація сигналів.
2) Згортка і фільтрація зображень.
3) Узагальнена фільтрація, гомоморфна обробка сигналів.
4) Узагальнена фільтрація, гомоморфна обробка зображень.
5) Інтерполяція та кодування сигналів.
6) Інтерполяція та кодування сигналів.
7) Спектрально-кореляційний аналіз сигналів.
8) Спектрально-кореляційний аналіз зображень.
9) Статистичний аналіз сигналів та зображень.
3.3. Розробка програмованих комп'ютерних засобів ЦОСЗ:
1) Кодування мовних сигналів.
2) Обробка мовних сигналів.
3) Обробка звукових сигналів.
4) Технічна діагностика (в окремих галузях техніки).
5) Медична діагностика (в окремих галузях медицини).
6) Системи мультимедіа.
7) Обробки зображень (з проблемною орієнтацією).
8) Системи зв'язку.
9) Системи виявлення (радіолокація, гідроакустика тощо).
3.4. Розробка пристроїв ЦОСЗ на основі спеціалізованих НВІС:
1) Попереднє зважування сигналів.
2) Фільтрація та кореляційний аналіз сигналів в часовій області.
3) Фільтрація та кореляційний аналіз сигналів в частотній області.
4) Обчислення швидкого перетворення Фур'є.
5) Обчислення двовимірного швидкого перетворення Фур'є.
6) Обчислення швидкого перетворення Хартлі.
7) Обчислення двовимірного швидкого перетворення Хартлі.
8) Обчислення швидкого перетворення Фур'є.
9) Обчислення швидкого косинусного перетворення.
10) Обчислення двовимірного швидкого косинусного перетворення.
11) Виконання арифметичних і математичних операцій над великими числами.
12) Сортування масивів даних.
3.5. Проектування спеціалізованих НВІС ЦОСЗ:
1) Формування адрес.
2) Виконання базових операцій алгоритмів швидкого перетворення Фур'є.
3) Виконання базових операцій алгоритмів косинусного перетворення.
4) Виконання малоточкових перетворень Фур'є.
5) Виконання малоточкових перетворень Хартлі.
6) Виконання малоточкових косинусних перетворень.
7) Обчислення математичних функцій.
8) Статистичне кодування.
9) Виконання арифметичних операцій в модулярній арифметиці.
10) Побітові операцій над великими числами.
11) Медіанна фільтрація масивів.
12) Сортування і екстремальна фільтрація масивів даних.
4. ЗМІСТ ПОЯСНЮВАЛЬНОЇ ЗАПИСКИ
У пояснювальній записці студент повинен викласти основну суть виконаної проекту. Рекомендований загальний обсяг проекту - 25-30 с. Матеріал повинен рівномірно розміщуватися в основних розділах. Слід уникати довгих вступів, необгрунтованих висновків, детальних роз'яснень і відхилень від вибраної теми. Бажаний стиль викладу матеріалу записки - лаконічний і одночасно обгрунтований.
У відповідності до напрямку курсової проекту в ній висвітлюються такі питання:
4.1. Літературний огляд і доповіді:
1) коротко описати задачу і мету дослідження;
2) розглянути математичні основи розв'язку задачі, провести аналіз існуючих шляхів розв'язку;
3) на основі теоретичного аналізу вибрати найдоцільніші методи і алгоритми розв'язку задачі;
4) обгрунтувати вибір алгоритмів за допомогою моделювання на універсальному комп'ютері;
5) дослідити їх характеристики точності і швидкодії;
6) запропонувати тип засобів ЦОСЗ, що найкраще відповідають умовам задачі;
7) намітити перспективні шляхи підвищення ефективності реалізації задачі;
8) висновки;
9) перелік літературних джерел.
4.2. Розробка методів та процедур ЦОСЗ:
1) коротко описати задачу і мету дослідження;
2) розглянути математичні основи розв'язку задачі, провести аналіз існуючих шляхів розв'язку;
3) на основі теоретичного аналізу вибрати найдоцільніші методи і алгоритми розв'язку задачі;
4) обгрунтувати вибір алгоритмів за допомогою моделювання на універсальному комп'ютері;
5) дослідити їх характеристики точності і швидкодії;
6) запропонувати тип засобів ЦОСЗ, що найкраще відповідають умовам задачі;
7) намітити перспективні шляхи підвищення ефективності реалізації задачі;
8) висновки.
4.3. Розробка програмованих комп'ютерних засобів ЦОСЗ:
1) суть поставленої задачі;
2) аналіз математичного і алгоритмічного забезпечення;
3) формування основних вимог до технічних засобів, насамперед, за швидкодією і розрядною сіткою;
4) розробка структурної та функціональної схеми апаратних засобів ЦОСЗ;
5) розробка (комплексування) програмних засобів ЦОСЗ;
6) моделювання проекту засобу ЦОСЗ, виявлення критичних за швидкодією алгоритмів;
7) оптимізація коду програм, проведення підтверджуючих модельних розрахунків;
8) висновки.
4.4. Розробка пристроїв ЦОСЗ на основі спеціалізованих НВІС:
1) суть поставленої задачі;
2) аналіз відомих методів, алгоритмів і схемних рішень;
3) аналіз та оптимізація алгоритму;
4) проробка основних напрямків реалізації та аналіз елементної бази;
5) розробка структури пристрою;
6) розробка функціональної та принципової схеми пристрою;
6) перевірка правильності вибраних рішень шляхом моделювання проекту пристрою;
8) висновки.
4.5. Проектування спеціалізованих НВІС ЦОСЗ:
1) суть поставленої задачі;
2) аналіз схемних рішень і алгоритмів обчислення;
3) вибір основних напрямків вдосконалення;
4) оптимізація алгоритму у відповідності з можливостями перспективних технологій проектування НВІС;
5) розробка функціональної схеми НВІС;
6) перевірка правильності вибраних рішень шляхом моделювання проекту пристрою на мові високого рівня;
7) розробка принципової схеми НВІС, моделювання її проекту на рівні логічних елементів;
8) оцінка досягнутих параметрів;
9) висновки.
ЛІТЕРАТУРА
Айфичер, Эммануил С., Джервис, Барри У. Цифровая обработка сигналов: практический поход, 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом “Вильямс”, 2004. – 992с.
Бабак В.П., Хандецький А.І., Шрюфер Е. Обробка сигналів: підручник для вузів., К., Либідь, 1996.- 390с.
Цифровая обработка сигналов/ А.Б.Сергиенко – СПб.:Питер, 2002.
Бондарев В.Н., Трестер Г., Чернега В.С. Цифровая обработка сигналов: методы и средства. - Харьков: Конус, 2001 (підручник для вузів).
Куприянов М. С., Матюшкин Б. Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. – Спб. : Политехника, 1998.
Винцюк Т.К.Анализ, распознавание и интерпретация речевых сигналов.-К.,Наукова думка,1987.-264с.
Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов /Пер. с англ. А.Л.Зайцева, Э.Г.Назаренко, Н.Н.Тетекина; Под ред. Ю.Н.Александрова. - М.:Мир, 1978. - 848 с.
Сверхбольшие интегральные схемы и современная обработка сигналов: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1989.- 472с.
Яцимірський М. М. Швидкі алгоритми ортогональних тригонометричних перетворень. - Львів: Академічний Експрес, 1997. - 219 с.
Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы Altera: проектирование устройств обработки сигналов. – М.:ДОДЭКА, 2000. – 128 с.
11. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. – М.:СОЛОН—Р, - 2002.448 с.
12. Брейсуэлл Р.Н. Преобразование Хартли: Пер с англ. - М.:Мир, 1990. - 175 с.
13. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов.- М.:Мир, 1989. - 448с.
14. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений/ Т.С.Хуанг, Дж.-О. Эклунд, Г.Дж.Нуссбаумер и др.; Под ред. Т.С.Хуанга: Пер. с англ.- М.:Радио и связь, 1984. - 224с.
15. Залманзон Л.А. Преобразование Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.- 496с.
16. Мельник А.А. Проектирование поточного процессора БПФ на специализированных БИС.- Львов, 1990.- 43с.
17. Справочник по устройствам цифровой обработки информации/ Н.А.Виноградов, В.Н.Яковлев, В.В.Воскресенский и др.- К:Техника, 1988.- 455с.
18. Цифровой процессор обработки сигналов TMS32010 и его применение/Под ред. А.А.Ланнэ.-Л.:ВАС,1990.-296с.
УВАГА!!!!
1. Дані напрямки вибираються студентом і погоджуються з викладачем тільки після попереднього опрацювання теми. Необхідно, щоб вибрана тема співпадала з напрямком дослідницької роботи студента або темою його магістерської роботи чи дипломного проекту.
2. У випадку роботи студента над магістерською роботою чи дипломним проектом тема яких відноситься до засобів обробки сигналів і зображень, але не міститься у вищененаведеному переліку, можлива зміна, за пропозицією студента, теми курсового проекту.
3. Оскільки продуктом роботи студента є КУРСОВИЙ ПРОЕКТ (а не курсова робота) до складу пояснювальної записки (крім напрямку «Літературні доповіді») повинна входити графічна частина (лист формату А1), виконана згідно з вимогами нормативних документів.
4. У випадку неможливості чи небажання студента вибрати і запропонувати самостійно тему, викладачем видається завдання, вимоги, варіанти, приклади реалізації і теоретичний матеріал до яких наведений нижче.
5. Застереження для „творчих” студентів у випадку виконання ними курсового проекту за п.4:
Завдання до кожного з варіантів щороку змінюються, шукати готовий курсовий проект за минулі роки марна і невдячна справа.