Введение к работе
Актуальность темы. В современном обществе происходит бурный рост потоков информации во всех сферах жизни. Для решения актуальных проблем, связанных с внедрением новых информационных и промышленных технологий, с развитием науки и техники широко применяются информационно-измерительные системы. Опережающими темпами развиваются компьютерные информационные и управляющие сети и каналы видеоинформации.
Возрастающие требования к точности и скорости процессов измерения, обработки и передачи данных, высокая интенсивность информационных потоков вынуждают постоянно совершенствовать характеристики информационно-измерительных систем. Однако растущая сложность решаемых задач, высокие требования к качеству представляемой потребителю информации затрудняют резкое повышение производительности и экономичности систем.
В то же время радикальное повышение производительности информационно-измерительных систем встречает принципиальные трудности. Очевидные ограничения накладывает быстродействие элементной базы и технических устройств, а также то, что усложнение систем обычно связано с дополнительными временными затратами. На производительность и стоимость систем влияют также количество и форма представления данных.
Принципиальным путем повышения производительности информационно-измерительных систем является использование табличного представления данных. Применение табличных методов и средств преобразования информации открывает возможность создания структур, производительность которых приближается к предельно достижимой, обеспечивает высокую эксплуатационную надежность и низкую стоимость аппаратурных средств, позволяет сократить сроки и снизить стоимость разработки систем.
Под табличным представлением функции далее понимается набор (таблица) заранее вычисленных с определенной точностью параметров, характеризующих функцию. Цифровые изображения далее рассматриваются как таблицы двухмерных функций, отсчеты которых определяют интенсивность изображения.
Табличным воспроизведением функции будем называть выборку данных из таблицы и их преобразование в значения функции при помощи воспроизводящего алгоритма. Таблично-операционным будем называть воспроизведение функции при помощи таблиц вспомо-
гательных функций, имеющих допустимую суммарную емкость, и быстрого воспроизводящего алгоритма.
Другим актуальным путем радикального улучшения характеристик информационно-измерительных систем является компактная организация обрабатывающих структур, алгоритмов и данных, которая позволяет наиболее полно устранить статистическую, пространственную, временную, алгоритмическую, аппаратную и иные формы избыточности.
Термин "компактный"(плотный, сжатый), по-видимому, ясно отражает стремление к устранению всех форм избыточности, выбору оптимальных алгоритмов, рациональному использованию ресурсов технических средств, сжатому представлению данных, экономному построению программного обеспечения.
Объединение перечисленных составных частей и элементов в технической системе, использующей компактное табличное представление и воспроизведение функций, облегчает поиск системотехнических решений, ведущих к построению эффективных систем и устройств. Такой подход не призван заменить постоянно совершенствующиеся операционные методы и средства вычислительной техники. Он служит резервом традиционных методов, радикально расширяющим и дополняющим их возможности, в тех сложных ситуациях, когда требуются высокие точность и скорость процедур измерения и обработки, когда преобразуются сверхбольшие объемы данных, а также, когда не оправдано применение универсальных средств.
В измерительной технике применение табличного представления функций известно около 40 лет. Однако, широкого применения табличные методы не получили из-за трудности практической реализации таблиц большой емкости. Здесь можно назвать исследования М. П. Цапенко и О. В. Улина, работы В. И. Рабиновича по функциональным аналого-цифровым-преобразователям и др.
Исследования по применению табличных методов в вычислительной технике связаны с В. Б. Смоловьш, Б. Н. Малиновским, И. Ф. Образцовым, руководимыми ими коллективами и др.
Поиск компромисса между быстродействием и емкостью памяти вызвал появление в публикациях по данной тематике большого разнообразия частных подходов и методов, основной целью которых является повышение производительности за счет табличного представления функций, с одной стороны, и сокращение емкости таблиц - с другой. Такая ситуация сложилась, по-видимому, из-за отсутствия универсального и конструктивного метода, обеспечивающего
практическую реализацию устройств для воспроизведения функций самого широкого класса.
Уменьшение емкости памяти связано с устранением избыточности представления измерительных данных. Сюда можно отнести исследования, проводившиеся под руководством М. П. Цапенко (Ю. В. Носков, Н. В. Третьякова, Е. П. Дьяков и др.) в области построения аппроксимирующих измерительных систем и устройств.
Отечественные исследования по сжатию изображений представлены работами И. И. Цукермана, Л. П. Ярославского, В. М. Ефимова, 10. Н. Золотухина, А. Н. Колесникова, М. А. Старкова и др.
В настоящее время за рубежом продолжается активное совершенствование методов сокращения статистической и визуальной избыточности представления цифровых изображений (особенно цветных), имеющего размер в десятки и сотни мегабайт. Однако по-прежнему актуальным остается разработка методов сжатия, которые для уменьшения вычислительной сложности алгоритмов обработки изображений позволяют с контролируемой погрешностью применять сжатые изображения вместо исходных.
Таким образом, актуальность настоящей работы определяется как ключевой ролью информационно-измерительных систем в современной науке, технологии и технике, так и отсутствием достаточно развитой теории применения компактного табличного представления и воспроизведения функций для решения проблемы повышения эффективности систем этого класса.
Цель исследования. Целью диссертации является разработка основ теории, методов организации и обработки данных, а также принципов построения структур нового класса информационно-измерительных систем повышенной эффективности. Для достижения поставленной цели' в диссертации решаются следующие основные задачи:
развитие методов и средств построения табличных устройств, совмещающих выполнение процедур обработки и аналого-цифрового преобразования сигналов;
разработка и исследование методов компактного представления таблиц функций самого широкого класса;
разработка и исследование методов компактного представления двумерных массивов данных, сохраняющих с контролируемой точностью структуру и основные свойства исходных данных;
создание принципов построения и структур таблично-опера-
ционных спецпроцессоров воспроизведения функций нескольких переменных и функций одной высокоразрядной переменной;
создание алгоритмов сжатия полутоновых и цветных изображений, позволяющих применять к сжатым изображениям те же процедуры обработки, что и к исходным;
разработка методик оценки быстродействия, точности и сложности табличных измерительно-вычислительных средств и алгоритмов;
расчетная и экспериментальная проверка конкретных методов, алгоритмов и структур, предназначенных для построения информационно-измерительных систем.
Методологические основы исследования. В диссертации проводились исследования с использованием математического аппарата методов вычислений, теорий приближения функций, вероятностей, информации и математической статистики, а также современных методов теории измерений.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается математическим моделированием на ЭВМ и экспериментальной проверкой макетных образцов разработанных устройств.
Научная новизна. В диссертации поставлена и решена задача создания методов и средств компактного табличного представления и воспроизведения функций, обеспечивающих достижение высоких характеристик информационно-измерительных систем.
Предложены и исследованы новые принципы построения и структуры табличных устройств, обеспечивающих совместное выполнение процедур цифровой обработки и аналого-цифрового преобразования сигналов.
Впервые решены задачи табулирования функций, практическое табличное представление которых является особенно сложным -функций нескольких высокоразрядных переменных. Разработан метод расщепления функций, позволяющий представлять таблицы функции нескольких переменных в виде совокупности таблиц функций одной переменной. Полученные результаты послужили теоретическим обоснованием разработки таблично-операционных спецпроцессоров.
Предложен и исследован ряд методов адаптивной кусочной аппроксимации функций, являющейся основой метода компактного представления табличных данных. На этой базе созданы новые методы сжатия цифровых изображений, которые кроме компактного
описания изображений позволяют снижать сложность алгоритмов их обработки.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации методы, структурные решения и программные средства, а также расчетные соотношения являются базой инженерного проектирования информационно-измерительных систем. Эти материалы направлены на уменьшение временных затрат за счет подготовки таблиц вне рамок режима реального времени, совмещения измерительных и вычислительных процедур, снижения сложности алгоритмов обработки при помощи сжатия данных.
Предложенные регулярные методы компактного табличного представления и воспроизведения функций позволяют создавать аппаратные и программные средства для получения, обработки, хранения и передачи информации в различных областях науки и техники.
Самостоятельное практическое значение имеют измерительновы-числительные устройства, а также алгоритмы сжатия изображений, разработанные в соответствии с полученными в диссертации научными результатами.
На защиту выносятся:
-
Принципы построения и структуры табличных функциональных аналого-цифровых преобразователей и препроцессоров, обеспечивающих совместное выполнение процедур сбора и обработки информации.
-
Метод представления таблиц функций, позволяющий практически выполнять компактное табулирование функций нескольких переменных и функций одной высокоразрядной переменной.
-
Принципы построения и структуры таблично-операционных спецпроцессоров.
-
Компактная модель представления цифровых изображений, сохраняющая с контролируемой точностью структуру и основные свойства исходных данных, а также обеспечивающая простоту выделения и локализацию контуров.
-
Адаптивные методы сжатия полутоновых и цветных изображений, позволяющие применять к сжатым изображениям те же алгоритмы обработки, что и к исходным, снижая тем самым вычислительную сложность этих алгоритмов.
Реализация результатов работы. Материалы диссертации являются составной частью научно-исследовательских работ, проводимых в соответствии с межвузовской целевой комплексной програм-
мой "Микропроцессоры и микроЭВМ" (приказ Минвуза СССР N455 от 18.06.86, пункт 2.2), комплексной программой МАП и Минвуза РСФСР "Полет"и Всероссийской программой "Технические университеты", раздел 2.5. Связь. Проблемы информационного обмена.
Результаты исследований используются в Новосибирском государственном техническом университете в учебном процессе при подготовке специалистов в области информационно-измерительных систем и цифровой обработки сигналов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались в ряде организаций страны и докладывались на 12 международных, всесоюзных, и российских научно-технических конференциях и симпозиумах. На VI Всесоюзном симпозиуме "Проблемы автоматизации в прочностном эксперименте" (Новосибирск, 1986 г.), на Всесоюзной конференции "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов" (Рига, 1986 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы автоматизации технологических процессов" (Новосибирск, 1987 г.), на VIII Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные информационные системы "ИИС-87"" (Ташкент, 1987 г.), на VI Всесоюзном симпозиуме "Проблемы создания преобразователей формы информации" (Киев, 1988 г.), на Региональной научно-технической конференции "Измерение характеристик случайных сигналов с применением микромашинных средств" (Новосибирск, 1988 г.), на IX Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные информационные системы "ИИС-89"" (Ульяновск, 1989 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990 г.), на Российской научно-технической конференции "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск, 1994 г.), на Международной научно-технической конференции "Измерительные информационные системы"(Москва, 1994 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика" (Москва, 1995 г.), на III Международной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1996 г.), на II Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 1996 г.), на 4th UK /Australian International Symposium on DSP for Communication Systems (Perth, Australia, 1996), на 30th Annual Conference on Information Science and Systems (Princeton, USA, 1996), на Международной научно-технической конференции "Научные основы высоких технологий"(Новосибирск, 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 работа, 8 отчетов по НИР и принята к опубликованию монография.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из' введения, 5 глав, заключения, двух приложений и содержит 212 страниц основного текста, 49 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 120 наименований.
Обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи исследования, дается характеристика и краткое содержание выполненной работы.