Міністерство Освіти і Науки України

Національний Університет “Львівська Політехніка”

Кафедра ЕОМ

Цифрове опрацювання сигналів та зображень:

Алгоритми та реалізація

Навчальний посібник

до лекційного курсу

з дисципліни “Проектування комп’ютерних засобів обробки сигналів та зображень” для студентів спеціальностей

7.091501 І 8.091501 "Комп'ютерні системи та мережі"

7.091503 І 8.091503 “Спеціалізовані комп'ютерні системи“

Львів – 2008

Цифрове опрацювання сигналів та зображень: Алгоритми та реалізація. Навчальний посібник до лекційного курсу з дисципліни “Проектування комп’ютерних засобів ообробки сигналів та зображень” для студентів спеціальностей 7.091501 і 8.091501 "Комп'ютерні системи та мережі", 7.091503 і 8.091503 “Спеціалізовані комп'ютерні системи“ / Укладачі: Р. Попович, Є. Ваврук – Львів: Національний університет “Львівська політехніка”, 2008, 147 с.

Укладачі: Є. Ваврук, к.т.н., доцент

Р. Попович, к.т.н., доцент

Відповідальний за випуск: Мельник А. О., професор, завідувач кафедри

Рецензенти: Ткаченко Р.О., д. т. н, професор

Голембо В.А. В.В., к. т. н, доцент

Анотація

Даний навчальний посібник укладений відповідно до навчальної програми з дисципліни "Проектування комп’ютерних засобів обробки сигналів та зображень". В ньому розглянуті основні питання проектування алгоритмічних, програмних та апаратних засобів опрацювання сигналів та зображень, вивчення яких допоможе студентам спеціальностей 7.091501 і 8.091501 /"Комп'ютерні системи та мережі"/ та 7.091503 і 8.091503 /"Спеціалізовані комп'ютерні системи"/ здобути початкові практичні навички у оптимальному виборі алгоритмів, їх програмній та апаратній реалізації.

Зміст

Вступ	5
1. Особливості задач і алгоритмів цифрового опрацювання сигналів та зображень	7
2. Алгоритми швидкого перетворення Фур’є та їх програмна реалізація	13
3. Організація DSP- процесорів для задач опрацювання сигналів та зображень	26
4: Інтерфейси DSP-процесорів	30
5. Проектування процесора ШПФ на ПОС	38
6: Проектування засобів опрацювання сигналів та зображень на ПЛІС	53
7. Реалізація алгоритмів опрацювання сигналів та зображень на нейропроцесорах	62
8. Стиск нерухомих зображень з використанням перетворень різного типу дискретних косинусних перетворень	71
9. Опрацювання мовних сигналів	95
10. Використання вікон для опрацювання сигналів	122
11. Діагностика і контроль процесорів і систем опрацювання сигналів та зображень	135
Висновки	145
Література	146

ВСТУП

В останні роки цифрове опрацювання 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 ЦОСЗ, 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 опрацювання сигналів та зображень, недоступних для аналогових пристроїв; забезпеченні високої точності опрацювання; 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 роботи з даного курсу виходячи з головної проблеми ЦОСЗ.

Метою вивчення дисципліни є засвоєння основних методів та алгоритмів опрацювання сигналів та зображень, принципів та шляхів проектування апаратних і програмних комп’ютерних засобів опрацювання сигналів та зображень, набуття початкових практичних навиків проектування таких засобів.

В результаті вивчення дисципліни студенти повинні:

знати: типи і особливості алгоритмів опрацювання сигналів та зображень, математичні основи їх реалізації, характеристики елементної бази та основи реалізації алгоритмів на її основі, особливості і етапи розробки цифрових пристроїв на процесорах і вузлах, орієнтованих на задачі опрацювання сигналів та зображень; мови програмування та мови опису апаратних засобів; пакети моделювання, опрацювання і фільтрації сигналів та зображень

вміти: вибирати найефективніший метод і алгоритм, здійснювати математичне формування алгоритму та методу його розв’язання, розробляти блок-схеми алгоритмів, розробляти програмну реалізацію виконання алгоритмів, розраховувати технічні параметри апаратних і програмних засобів, проектувати структурні та функціональні схеми процесорів та вузлів опрацювання сигналів; моделювати і опрацьовувати сигнали різної форми.

Для тих, хто хоче краще орієнтуватися в перспективних напрямках розвитку комп’ютерних засобів опрацювання сигналів та зображень, краще розуміти специфіку і особливості їх проектування радимо, насамперед, скористатись матеріалами Internet-сайтів

1. Особливості задач і алгоритмів цифрового опрацювання сигналів та зображень