Операційний базис обчислювальних систем обробки сигналів і зображень

Проведений аналіз показав, що для реалізації інформаційних технологій ЦОС і зображень використовується відносно невелика кількість алгоритмів, які для забезпечення обробки інтенсивних потоків даних у реальному часі доцільно реалізувати апаратними засобами. Перелік таких апаратних засобів для ОС обробки сигналів і зображень у реальному часі та вирішувані ними задачі, наведені у таблиці.

Таблиця

Перелік апаратних засобів ОС обробки сигналів і зображень

Алгоритмічні пристрої	Вирішувані задачі
Пристрої реалізації ортогональних тригонометричних перетворень: · швидке дискретне косинус- і синус-перетворення Фур’є; · спеціальні випадки дискретних перетворень на основі швидких дискретних косинус- і синус-перетворень Фур’є; · універсальні алгоритми швидких тригонометричних пепертворень	· спектрального аналізу; · фільтрації; · кодування сигналів та зображень; · відтворення зображень за проекціями; · аналізу та синтезу зображень
Пристрої реалізації дискретних хвильових перетворень: · швидке хвильове перетворення	· компресії та декомпресії відеоінформації; · фільтрації
Медіанний фільтр	· обробки зображень
Пристрої сортування даних: · паралельне сортування; · паралельно-потокове сортування	· упорядкування та пошуку даних
Пристрої для реалізації штучних нейронних мереж: · Багатошарові перцептрони з неітеративним навчанням	· видобутку даних (Data Mining); · класифікації та розпізнавання зображень

 

 

Особливості задач і алгоритмів цифрової обробки сигналів.

 

Аналіз основних алгоритмів цифрової обробки показав, що вони характеризуються такими особливостями:

1. Великий об’єм обчислень з переважанням обчислювальних операцій над логічними.

2. Неперервність потоків даних, які опрацьовуються

3. Велика інтенсивність надходження даних

4. Регулярність і рекурсивність алгоритмів цифрової обробки сигналів

5. Широкий діапазон сигналів, що опрацьовуються

6. Розв’язання поряд з прямою задачею оберненої задачі

7. Постійне ускладнення нових алгоритмів і підвищення вимог до точності опрацювання даних

8. Структура даних дозволяє використовувати векторну обробку з двома видами паралелізму

9. Багатоканальне введення та виведення даних з виконанням функцій переставляння і затримки даних на певну кількість тактів.

 

Операційний базис комп’ютерної системи обробки сигналів

 

Для визначення операційного базису комп’ютерних систем обробки сигналів і зображень необхідно виділити базові операції алгоритмів цифрової обробки сигналів.

Базовими операціями алгоритмів цифрової обробки сигналів є:

1. Операція затримки

2. Операція додавання/віднімання

3. Операція множення

4. Операція обчислення сум парних добутків

5. Операція додавання/віднімання/множення комплексних чисел

Операція швидких тригонометричних перетворень.

 

Операційний базис КСЦОС

 

8. Операційний базис комп’ютерних систем обробки сигналів

 

Аналіз задач, методів і алгоритмів ЦОС і зображень дозволив виділити наступні характерні особливості:

· великий об’єм обчислень з перевагою обчислювальних операцій над логічними;

· регулярність і рекурсивність алгоритмів;

· структура даних дозволяє застосувати векторну обробку з використанням обох видів паралелізму (просторового і часового);

· велику інтенсивність і постійність потоків даних;

· широкий динамічний і частотний діапазон сигналів, що обробляються;

· багатоканальне введення та виведення даних з виконанням функцій переставляння і затримки даних на необхідну кількість тактів;

· можливості розпаралелювання як в часі, так і в просторі;

· розв’язання поряд з прямою, оберненої задачі;

· постійне ускладнення нових алгоритмів і підвищення вимог до точності результатів.

Для визначення операційного базису комп’ютерних систем обробки сигналів і зображень необхідно виділити базові операції алгоритмів ЦОС і зображень [9]. Операції затримки, додавання, віднімання, множення та обчислення сум парних добутків є БО для алгоритмів цифрової фільтрації, обчислення кореляційної і взаємнокореляційної функцій. Складнішими є БО швидких алгоритмів ортогональних тригонометричних перетворень дійсної та комплексної послідовності, які зводяться до табличного обчислення коефіцієнтів та виконання послідовності операцій множення, додавання, віднімання дійсних і комплексних. Для ефективної реалізації швидких алгоритмів ортогональних тригонометричних перетворень дійсної та комплексної послідовності в склад комп’ютерних систем обробки сигналів і зображень доцільно включити багатооперандні операційні пристрої для обчислення БО та малоточкові процесори швидких дискретних тригонометричних перетворень.

 

Рис.8.1 Операційний базис комп’ютерних систем обробки сигналів

Окрім перерахованих БО, при розв’язанні задач ЦОС і зображень великий об’єм обчислень займають операції обчислення тригонометричних функцій, добування квадратного кореня, піднесення до степені, ділення, сортування, переставляння елементів вхідних, вихідних масивів даних і генерації необхідних послідовностей адрес при звертанні до пам’яті.

Окрім перерахованих БО, при розв’язанні задач ЦОС і зображень великий об’єм обчислень займають операції обчислення тригонометричних функцій, добування квадратного кореня, піднесення до степені, ділення, сортування, переставляння елементів вхідних, вихідних масивів даних і генерації необхідних послідовностей адрес при звертанні до пам’яті.

На рис.8.1 наведений операційний базис комп’ютерних систем обробки сигналів і зображень, де MAC – множення з підсумовуванням; ШОТП – швидкі ортогональні тригонометричні перетворення; ШКПФ–ШСПФ - швидке косинус-синус перетворення Фур’є; УШТП – універсальні швидкі тригонометричні перетворення, які забезпечують реалізацію Фур’є, Хартлі, косинусного та синусного перетворень дійсної послідовності. Необхідно зауважити, що операційні можливості сучасних мікропроцесорів, на базі яких реалізуються комп’ютерні системи обробки сигналів і зображень, обмежені в частині команд обробки. Більшість сучасних мікропроцесорів апаратно реалізують тільки операції множення. Складніші операції реалізуються програмним способом, який є відносно повільним і вимагає значної кількості пересилань між операційними пристроями та пам’яттю. Для досягнення високої швидкодії в комп’ютерних систем обробки сигналів і зображень пропонується виділені БО і малоточкові ШОТП реалізувати апаратно.