"Цифровая обработка сигналов" - научно-технический журнал

"Цифровая обработка сигналов" №3-2022 год : рефераты статей

Пономарева О.В., Пономарев А.В., Пономарева Н.В.
Двумерные быстрые преобразования Фурье с варьируемыми параметрами // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 3-13.

Аннотация:
Развитие информационных технологий значительно расширило сферы приложения методов цифровой Фурье-обработки финитных дискретных сигналов. Среди них такие предметные области как томография, активная и пассивная гидролокация, радиолокация, сейсмология, техническое диагностирование, медицина, криминалистическая кибернетика, искусственный интеллект. Усложнение задач, решаемых методами цифровой Фурье-обработки в информационных технологиях, стимулировало переход от одномерной к двумерной цифровой Фурье-обработке. Системный анализ перехода от одномерного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) к двумерному дискретному преобразованию Фурье (2D ДПФ) показал, что, во-первых, такой переход далеко не тривиален и, во-вторых, переход носит, прежде всего, качественный, а не количественный характер. В то же время обобщение результатов двумерного случая на многомерный, как правило, не вызывает сложностей поскольку носит в основном количественный, а не качественный характер. Как известно, для практического применения методов Фурье-обработки, расширения сфер их приложения, важная роль принадлежит процедурам быстрой реализации соответствующих преобразований Фурье. История с алгоритмом БПФ, предложенного в 1965 году, яркое тому подтверждение. В статье рассматривается решение важной и актуальной задачи разработки быстрых алгоритмов реализации нового дискретного преобразования Фурье: двумерного дискретного преобразования Фурье с варьируемыми параметрами (2D ДПФ-ВП). В работе предложены и исследованы следующие три группы методов повышения быстродействия 2D ДПФ-ВП. Первая группа методов повышения быстродействия 2D ДПФ-ВП основана на свойстве сепарабельности ядра 2D ДПФ-ВП и применении одномерных параметрических ДПФ (ДПФ-П). Вторая группа методов повышения быстродействия 2D ДПФ-ВП основана на свойстве сепарабельности ядра 2D ДПФ-ВП и применении одномерных параметрических быстрых преобразований Фурье (1D БПФ-П). Третья группа методов повышения быстродействия 2D ДПФ-ВП основана на двумерном быстром преобразования Фурье (2D БПФ-ВП) по векторному основанию 2, с прореживанием в пространстве. Проведен сравнительный анализ эффективности предложенных трех групп методов повышения быстродействия 2D ДПФ-ВП на основе компьютерного комплекса, разработанного на языке четвертого поколения МАТLAB (4GLS).

Ключевые слова:
информационная технология, Фурье-обработка, финитный сигнал, параметрическое дискретное преобразование Фурье, двумерное дискретное преобразование Фурье c варьируемыми параметрами, сепарабельность ядра преобразования.

Об авторах:
Пономарева О.В., д.т.н., профессор Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова, e-mail: ponva@mail.ru

Пономарев А.В., к.э.н., доцент Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова, e-mail: palexizh@gmail.com

Пономарева Н.В., к.т.н., доцент Севастопольского государственного университета, e-mail: yolkanv@gmail.com

Джиган В.И.
Многоканальные эквалайзеры амплитудно-частотных характеристик акустических каналов // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 14-23.

Аннотация:
Рассмотрены эквалайзеры амплитудно-частотных частотных характеристик каналов распространения акустических волн в закрытых помещениях. Эквалайзеры используют так называемые традиционные и модифицированные адаптивные алгоритмы с фильтрацией входных сигналов. По сравнению с традиционными алгоритмами, модифицированные алгоритмы позволяют ускорить сходимость адаптивного фильтра эквалайзера, если для вычисления его весовых коэффициентов используются простые с точки зрения арифметической сложности градиентные алгоритмы по критерию наименьшего квадрата (Least Means Square, LMS) или нормализованные LMS (Normalized LMS, NLMS) алгоритмы. Модификация также позволяет использовать в эквалайзерах вычислительно более сложные, но одновременно и более эффективные адаптивные рекурсивные алгоритмы по критерию наименьших квадратов (Recursive Least Squares, RLS). Представлены архитектуры предложенных многоканальных эквалайзеров и вычислительные процедуры алгоритмов их работы. Результаты компьютерного моделирования демонстрируют эффективность эквалайзеров в терминах таких показателей качества, как неравномерность выровненной амплитудно-частотной характеристики акустического канала, расстояние между кривыми графиков спектральных плотностей мощности неискаженного речевого сигнала и этого же сигнала, прошедшего через эквалайзер и акустический канал, длительность переходного процесса адаптивного фильтра и значение сигнала ошибки на его выходе в установившемся состоянии. Эквалайзеры обеспечивают неравномерность около 2 дБ в основной части выровненной АЧХ акустического канала, за исключением области низких и высоких частот. Качество выравнивания АЧХ ухудшается в области высоких частот в случае использования NLMS-алгоритмов. Предлагаемое решение может быть легко распространено на эквалайзеры с несколькими входами и выходами (MIMO). MIMO-эквалайзеры позволяют улучшить качество звука в интересуемой области помещения.

Ключевые слова:
выравнивание АЧХ, адаптивный фильтр, LMS, NLMS, RLS, традиционный алгоритм с фильтрацией входного сигнала, модифицированный алгоритм с фильтрацией входного сигнала, акустический импульсный отклик.

Об авторах:
Джиган В.И., д.т.н., главный научный сотрудник Института проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, e-mail: djigan@ippm.ru

Андреев В.Г., Белокуров В.А., Кагаленко М.Б., Кошелев В.И., Чёрный А.Н.
Моделирование радиоотражений для систем спутникового землеобзора // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 24-29.

Аннотация:
Предложен метод построения модели радиолокационного отражения от поверхности Земли по цифровой карте местности. Эталонные радиоизображения подстилающей поверхности могут использоваться в задачах идентификации, мониторинга и обнаружения объектов. Метод формирования детального радиолокационного изображения поверхности земли основан на использовании трехмерной цифровой топографической карты местности и характеристики рассеяния радиоволн различными типами поверхностей и объектов. На основе сопоставления разработанной модели отражений и реального радиоизображения показана возможность обнаружения и классификации наземных неподвижных объектов на фоне отражений от подстилающей поверхности. Оценен выигрыш μ1/μ2 в отношениях сигнал-фон по сравнению с известным методом, не учитывающим картографическую информацию, который составил (для приведенного примера) 7,31 дБ. Цель статьи – построение и оптимизация моделей радиоотражений для задач радиолокационного спутникового землеобзора.

Ключевые слова:
РСА, радиолокационное изображение, искусственный спутник Земли, моделирование изображений.

Об авторах:
Андреев В.Г., д.т.н., доцент, профессор кафедры РТС РГРТУ, e-mail: andrejev.v.g@rsreu.ru

Белокуров В.А., к.т.н., доцент, доцент кафедры РТС РГРТУ, belokurov.v.a@rsreu.ru

Кагаленко М.Б., к.т.н., доцент кафедры РТС РГРТУ, e-mail: kagalenko.m.b@rsreu.ru

Кошелев В.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой РТС РГРТУ, e-mail: koshelev.v.i@rsreu.ru

Чёрный А.Н., с.н.с., к.в.н., НИИ КС им. А.А. Максимова – филиал АО «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева»

Шипко В.В., Борзов С.М.
Визуализация гиперспектральных изображений в задаче дешифрирования малоразмерных, низкоконтрастных объектов // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 30-37.

Аннотация:
Проведен анализ основных подходов к визуализации гиперспектральных изображений, выделены их достоинства и недостатки. Предложен новый подход и разработан соответствующий алгоритм контрастной визуализации гиперспектральных изображений малоразмерных, низкоконтрастных объектов. Разработанный алгоритм основан на расчете коэффициента контраста заданных спектральных характеристик объекта и фона, нахождении локальных максимумов спектральной функции контраста, выборе по соответствующим максимумам набора спектральных изображений и синтез полутонового или цветного изображения по этому набору. Представлены примеры и результаты численных исследований, подтверждающие эффективность предложенного подхода.

Ключевые слова:
гиперспектральное изображений, контраст, вероятность обнаружения, дешифрирование.

Об авторах:
Шипко В.В., к.т.н., докторант кафедры автоматизации управления летательных аппаратов (и вычислительных систем), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, e-mail: shipko.v@bk.ru

Борзов С.М., к.т.н., заведующий лабораторией информационной оптики, Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск, e-mail: borzov@iae.nsk.su

Гуляев П.В.
Бинарная классификация изображений реперной микромаркировки в зондовой микроскопии с использованием конвенциальных методов обработки // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С.38-44.

Аннотация:
Рассмотрена задача бинарной классификации (распознавания) изображений реперной микромаркировки и фонового рельефа поверхности вокруг микромаркировки, получаемых в процессе ее поиска с помощью зондового микроскопа. Представлены типовые изображения маркировки, состоящей из ортогонально ориентированных линейных фрагментов. Проведен анализ возможностей конвенциональных методов обработки изображений для распознавания маркировки. Описан алгоритм классификации, основанный на морфологической операции эрозии, пороговой фильтрации и преобразовании Хафа. При классификации использовался структурный анализ результатов преобразования Хафа, настроенного на поиск отрезков прямых линий. Приведены метрики оценки эффективности предложенных решений.

Ключевые слова:
микромаркировка, реперные метки, зондовая микроскопия, обработка изображений, распознавание, бинарная классификация.

Об авторах:
Гуляев П.В., к.т.н., старший научный сотрудник, Удмуртский Федеральный Исследовательский центр, РАН, Институт Механики, email: lucac@inbox.ru

Еремеев В.А., Макаренков А.А.
Использование сверточных нейронных сетей для идентификации структурно-однородных областей на космических снимках Земли // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 45-48.

Аннотация:
Выполнен анализ подходов к автоматической идентификации однородных по яркости и структуре объектов по данным ДЗЗ. Обосновано использование для решения этой задачи свёрточной нейронной сети U-Net с привлечением текстурных признаков изображений. Представлены результаты экспериментальных исследований предложенного подхода на примерах использования натурной информации от российской системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) «Ресурс-П».

Ключевые слова:
дистанционное зондирование Земли, идентификация однородных областей, текстурный признак, сверточная нейронная сеть U-Net.

Об авторах:
Еремеев В.А., НИИ «Фотон» РГРТУ, инженер, e-mail: foton@rsreu.ru

Макаренков А.А., НИИ «Фотон» РГРТУ, с.н.с., к.т.н., e-mail: foton@rsreu.ru

Еремеев В.В., Еремеев В.А., Макаренков А.А.
Выделение границ объектов на гиперспектральных спутниковых снимках земной поверхности // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 49-52.

Аннотация:
Рассматриваются вопросы выделения границ объектов на гиперспектральных снимках поверхности Земли. Обосновывается преимущество гиперспектральных изображений по отношению к панхроматическим в задаче выделения контуров объектов. Рассмотрены вопросы влияния электронного шума на эффективность процесса выделения границ.

Ключевые слова:
дистанционное зондирование Земли, гиперспектральные снимки, выделение границ объектов, электронный шум.

Об авторах:
Еремеев В.В., д.т.н., профессор, директор НИИ «Фотон» РГРТУ, e-mail: foton@rsreu.ru

Еремеев В.А., инженер НИИ «Фотон» РГРТУ, e-mail: foton@rsreu.ru

Макаренков А.А., с.н.с., к.т.н., НИИ «Фотон» РГРТУ

Никифоров М.Б., Тарасова В.Ю.
Алгоритм обнаружения визуального сходства изображений // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 53-57.

Аннотация:
В настоящее время объем обрабатываемой информации постоянно увеличивается. Отыскать в таком потоке данных необходимое является сложной задачей. Для оперативного поиска в системах с большим объемом данных используют концепцию индексирования ключевыми словами, индексы. В том случае если необходимо осуществить обнаружение изображений со схожим содержанием (на изображении представлено один и тот же объект, но под разными углами съемки, в разное время года и д.р.) применение данной концепции затруднительно. Разработанный алгоритм обнаружения визуального сходства изображений не использует априорной информации, а учитывает только пиксели изображения. Он может быть применен при решении задач визуального поиска, классификации, а также в качестве программного обеспечения систем для поиска достопримечательностей по фотографиям в туристических фирмах, в системах поиска текстов и изображений, в электронных каталогах открытого доступа (краеведческие музеи, кадастровые карты). Алгоритм позволяет повысить вероятность нахождения изображений, исходя из их содержания, за счет хэширования каждого изображения из поисковой базы с использованием сверточных нейронных сетей

Ключевые слова:
визуальный поиск, визуальное сходство, сверточные нейронные сети, хэш.

Об авторах:
Никифоров М.Б., к.т.н., доцент кафедры «Электронные вычислительные машины» Рязанского государственного радиотехнического университета имени В.Ф. Уткина e-mail: nikiforov.m.b@evm.rsreu.ru

Тарасова В.Ю., аспирант кафедры «Электронные вычислительные машины» Рязанского государственного радиотехнического университета имени В.Ф. Уткина, e-mail: Valentina2008.91@mail.ru

Попов Д.И.
Синтез нерекурсивных режекторных фильтров высоких порядков // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 58-62.

Аннотация:
Рассмотрен метод синтеза нерекурсивных режекторных фильтров, основанный на раздельном формировании полосы режекции и полосы пропускания и позволяющий при ограниченном порядке фильтра обеспечить заданные требования к полосе режекции, заданную неравномерность в полосе пропускания и минимально возможную ширину переходной полосы частотной характеристики. Формирование полосы режекции основывается на размещении на единичной окружности взаимно смещенных нулей системной функции. Формирование полосы пропускания основывается на методах линейного программирования из условия минимизации ширины переходной полосы фильтра при заданной величине максимальной ошибки в полосе пропускания. В итоге предложенный метод синтеза цифровых нерекурсивных режекторных фильтров позволяет при заданном порядке фильтра получить заданные показатели полос пропускания и режекции при минимально возможной ширине переходной полосы. Проведен сравнительный анализ качества режектирования помехи фильтрами, синтезированными предложенным и известными методами по критериям коэффициента прохождения помехи и коэффициента подпомеховой видимости. Сравнительный анализ подтвердил возможности предложенного метода синтезировать эффективные режекторные фильтры, обладающие высокими показателями качества выделения доплеровских сигналов на фоне коррелированных помех. Простейший метод синтеза на основе разложения в ряд Фурье с последующим введением весовой функции в силу своей простоты может найти применение при отсутствии жестких требований к показателям фильтра, обеспечивая при этом приемлемые результаты.

Ключевые слова:
коэффициент подпомеховой видимости, коэффициент прохождения помехи, ошибки квантования, пассивная помеха, режекторный фильтр, синтез.

Об авторах:
Попов Д.И., д.т.н., профессор кафедры радиотехнических систем Рязанского государственного радиотехнического университета, e-mail: adop@mail.ru

Быховский М.А.
Метод формирования оптимальных многомерных сигнальных конструкций и их свойства // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 63-71.

Аннотация:
Предложен метод формирования ансамблей многомерных сигналов с гиперфазовой модуляцией (ГПФМ) для передачи сообщений, имеющих определенный номер. Исследуются зависимость удельной скорости передачи сообщений при ГПФМ от величины минимального расстояния между сигналами, а также вопросы, связанные со структурой этого ансамбля. Рассмотрен метод оценки энергетических потерь, которые имеют системы связи, использующие для передачи сообщений двумерные ансамбли сигналов и помехоустойчивые коды, по сравнению с системами, в которых для этого применяются ГПФМ.

Получены формулы, позволяющие определять зависимость удельной скорости передачи сигналов от нормированного значения минимального расстояния между сигналами, принадлежащими ГПФМ, и рассмотрены вопросы формирования индексов модуляции сигналов при передаче сообщений с определенным номером. Показано, что, применяя ГПФМ, можно обеспечить высокую достоверность приема сообщений без применения помехоустойчивых кодов (ПК). Даны оценки энергетических потерь систем связи с ПК по сравнению с системами, в которых применяются сигналы с ГПФМ, а также увеличение в них длительности сигналов для обеспечения требуемой надежности связи. Результаты статьи показывают, что ансамбли сигналов с ГПФМ целесообразно применять в новых системах, которые должны обеспечивать передачу сообщений по каналам связи с высокой скоростью.

Ключевые слова:
формирования оптимальных многомерных сигналов, помехоустойчивые коды, скорость передачи сообщений, энергетическая эффективность, помехоустойчивость приема сигналов.

Об авторах:
Быховский М.А., д.т.н., профессор, e-mail: bykhmark@gmail.com

Алдонин Г.М., Черепанов В.В.
Вейвлет-интроскопия биосистем организма человека // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 72-76.

Аннотация:
Актуальной задачей мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы является создание эффективных алгоритмов компьютерных технологий обработки биосигналов на основе нелинейных динамических моделей систем организма, поскольку биопроцессы имеют нелинейный характер и фрактальную структуру. Работа основывается на важной связи состояния систем организма человека с их организацией в виде самоподобных фрактальных структур со скейлингом, близком к «золотому сечению» в норме.

Получение детальной информации о состоянии биосетей организма человека для топической диагностики возможно на основе «вейвлет-интроскопии» биосистем.

Ключевые слова:
электрокардиограмма, фотоплетизмограмма, самоорганизация, самоподобие, фракталы, скейлинг, деревья Кейли, автоволны, солитон, ренормгрупповой анализ, вейвлет-анализ, «вейвлет-интроскопия».

Об авторах:
Алдонин Г.М., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Приборостроение и наноэлектроника» Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского Федерального Университета, e-mail: GAldonin@sfu-kras.ru

Черепанов В.В., аспирант кафедры «Приборостроение и наноэлектроника» института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского Федерального Университета

Васильев Д.А., Лёвкин Т.В., Сконников П.Н., Трофимов Д.В.
Модификация детектора объектов YOLO для реализации на ПЛИС в реальном времени // Цифровая обработка сигналов. 2022. №3. С. 77-79.

Аннотация:
Рассмотрен принцип работы детектора объектов на изображении YOLO. Выделены операции, используемые данным детектором, реализация которых на ПЛИС затруднительна. Предложена замена преобразований, требующих значительных вычислительных затрат, на более простые. Для предложенных преобразований аналитически выведены формулы для расчёта обратного распространения ошибки. С использованием полученных формул обучен детектор YOLO, основанный на модифицированной нейронной сети. Данный детектор аппаратно реализован на плате с ПЛИС производства Xilinx. Созданный макет системы технического зрения с распознаванием образов работает с малой задержкой в режиме реального времени и показывает высокие качественные характеристики.

Ключевые слова:
цифровая обработка изображений, искусственные нейронные сети, YOLO, обратное распространение ошибки.

Об авторах:
Васильев Д.А., МГТУ им. Н.Э. Баумана, e-mail: vasilev.bmstu@gmail.com Лёвкин Т.В., АО «НПК «Альфа-М», e-mail: tim-12345@mail.ru

Сконников П.Н., АО «НПК «Альфа-М», e-mail: skonnikovpn@yandex.ru Трофимов Д.В., АО «НПК «Альфа-М», e-mail: samael1978@rambler.ru