Розпізнавання злитної мови з великим словником - раздел Связь, Тема 1: Вступ до дисципліни Проектування цифрової обробки сигналів та зображень. Основні поняття та визначення 1. Області застосування та основні задачі цифрової обробки сигналів Сучасні Системи Для Розпізнавання Злитної Мови З Великим Словником Ґрунтуютьс...
Сучасні системи для розпізнавання злитної мови з великим словником ґрунтуються на принципах статистичного розпізнавання образів.
На першому етапі мовний сигнал перетворюється звуковий препроцесором на послідовність спектральних векторів Y=y1,y2,…,yT, як описано раніше. Кожен вектор є стислим поданням короткочасного мовного спектру на інтервалі, як правило, близько 25 мс зі зсувом інтервалів на 10 мс. Типова фраза з десяти слів по 6-7 звуків у кожному може мати тривалість біля 3 с і зображатися послідовністю з T=300 спектральних векторів.
У загальному, фраза складається з послідовності слів 
. Робота системи розпізнавання полягає у визначенні найбільш імовірної послідовності слів 
, маючи мовний сигнал Y. Для цього використовується правило Байєса:
.
Ця рівність показує, що для знаходження найбільш правдоподібної послідовності слів W, повинна бути знайдена послідовність, що робить максимальним добуток P(W) та P(Y|W).Так як знаменник P(Y) не залежить від W, то його при розпізнаванні ігнорують.
Перший із співмножників представляє апріорну ймовірність спостереження W незалежно від спостереження мовного сигналу. Ця ймовірність визначається моделлю мови.
Другий співмножник представляє ймовірність спостереження послідовності векторів Y при заданій послідовності слів W. Ця ймовірність визначається звуковою моделлю.
На рис.9.9 наведена структура типової системи статистичного розпізнавання. Вона включає чотири складових.
Рис.9.9. Структура системи розпізнавання мови
Розглянемо кожну з цих чотирьох складових більш детально.
Звуковий препроцесор. Потрібен початковий етап опрацювання, на якому з мовного сигналу вибирається вся необхідна звукова інформація в компактному вигляді. Дії, які виконуються для попереднього опрацювання мовних сигналів описані раніше.
Звукова модель. Мета звукової моделі – дати метод обчислення правдоподібності P(Y|W) будь-якої послідовності звукових векторів Y при заданій послідовності слів W.
У принципі потрібний розподіл імовірностей звукових векторів можна було б знайти, маючи багато зразків кожної послідовності слів та збираючи статистику відповідних послідовностей векторів. Проте це нереально для систем розпізнавання з великим словником.
Замість цього послідовності слів розбиваються на базові “будівельні” блоки (звуки), які називаються фонемами.
Кожна фонема зображається прихованою моделлю за Марківим (англійська назва – hidden Markov model (HMM)). HMM-модель складається з низки станів, з’єднаних дугами. HMM-модель фонеми, як правило, має три породжуючих стани (рис.). Формальні вхідний і вихідний стани дозволяють об’єднувати моделі фонем, щоб утворювати слова і об’єднувати слова з метою отримати фрази.
Рис.9.10. HMM-модель фонеми
HMM простіше зрозуміти як генератор послідовностей спектральних векторів. Це автомат зі скінченним числом станів, який змінює свій стан у кожний дискретний момент часу. Коли в момент часу t він переходить у стан j , утворюється спектральний вектор yt з щільністю ймовірності bj(yt). Більш того, перехід із стану i в стан j також імовірнісний і задається дискретною ймовірністю aij. Рис. дає приклад цього процесу, коли модель проходить послідовність станів X=1,2,2,3,4,4,5 і утворює послідовність векторів Y=y1,y2, y3, y4, y5.
Сумісна ймовірність послідовності векторів Y та послідовності станів X при певній заданій моделі M обчислюється просто як добуток ймовірностей переходів та ймовірностей виходів. Тобто, для послідовності станів X на рис.
P(Y,X|M)=a12·b2(y1)·a22·b2(y2)·a23·b3(y3)·a34·b4(y4)·a44·b4(y5)·a45
Більш загально, сумісна ймовірність послідовності векторів Y та деякої послідовності станів X=x(0),x(1),x(2),…,x(T),x(T+1) дорівнює
де x(0) вхідний, а x(T+1) вихідний стан моделі.
На практиці, звичайно, відома лише послідовність Y, а послідовність X невідома. Ось звідки взялася назва прихована за Марківим модель. Проте, потрібну ймовірність P(Y|M) легко знаходимо додаючи величини P(Y,X|M) для всіх можливих послідовностей станів X. Розроблено ефективний рекурсивний метод виконання цих обчислень, який називається алгоритмом руху вперед-назад. Суттєвою особливістю цього алгоритму є те, що він дозволяє обчислити ймовірність перебування в заданому стані моделі в заданий момент часу. З нього випливає дуже проста і ефективна процедура Баума-Велча знаходження за критерієм максимальної правдоподібності оцінок параметрів a та b моделі. Слід зауважити, що поява процедури Баума-Велча стала ключовим фактором домінування HMM в звуковій моделі.
Вважається, що наведене рівняння треба переписати в логарифмічній формі та розділити члени a і b
Імовірності переходу 
моделюють темпоральну структуру даних. Кожен доданок у першій сумі може розглядатися як ціна руху з одного стану в інший. У цьому разі маємо дуже бідну модель зміни реальної мови, але це не є критичним, оскільки на практиці в наведеному виразі домінують імовірності 
. Кожен стан HMM забезпечує спектральний вектор-прототип, а функція логарифму ймовірності виходу дає метрику відстані і, значить, можливість порівняти поточні спектральні вектори з прототипом.
Вибір функції вихідного розподілу є критичним, бо вона мусить моделювати притаманні спектральні варіації в реальній мові диктора. Ранні HMM системи використовували дискретні функції розподілу. Такий підхід дуже ефективний з обчислювальної точки зору, але квантування вносить шум, що обмежує точність розпізнавання, яку можна отримати. Тому сучасні системи використовують неперервні параметричні розподіли вихідних щільностей, які прямо моделюють спектральні вектори. У найбільш загальному випадку розподіл беруть як лінійну комбінацію багатовимірних розподілів Гауса
,
де cjv - вага v–го доданка для j–го стану; G(yt,μjv,Σjv) позначає багатовимірний розподіл Гауса з середнім вектором μjv та коваріаційною матрицею Σjv рівний
n означає розмірність спектральних векторів, | | - визначник матриці, T – транспонування вектора.
Приблизно 10 компонент лінійної комбінації дають добрі показники для системи розпізнавання.
На ранній стадії досліджень вважалося, що вимагається лише одна HMM для кожної фонеми.
Число фонем в українській мові рівне 38. Здавалось би, потрібно здійснити навчання лише 38 HMM-моделей. На практиці, проте, контекстні ефекти спричиняють значні зміни у способі утворення звуків (так зване явище коартикуляції). Тому, щоб досягти доброго фонетичного розрізнення, треба навчати різні HMM для різних контекстів.
Найбільш загальним є підхід з використанням трифонів, коли кожна фонема має окрему HMM-модель для кожної індивідуальної пари сусідів зліва та справа. В останніх публікаціях згадується і про використання квінфонів (сукупностей 5 сусідніх звуків: два сусіди зліва і два сусіди справа).
Наприклад, нехай позначення x-y+z представляє фонему y, що трапилась після x і перед z. Тоді фраза “Цей комп’ютер” подається послідовністю фонем È ц е і к о м п і у т е р È, де È позначає паузу. Якщо використовуються HMM-моделі трифонів, то фраза буде описуватися так:
È-ц+е ц-е+і е-і+к і-к+о к-о+м о-м+п м-п+і п-і+у і-у+т у-т+е т-е+р е-р+È
При 38 фонемах є 383=54872 можливих трифони, проте не всі трапляються через обмеження української мови.
Загальне число трифонів, необхідних для практичного вжитку, залежить від вибраної множини фонем, словника та граматичних обмежень.
Перед тим, як HMM може бути застосована, повинні бути визначені її параметри. Цей процес називають навчанням. Він вимагає три елементи.
1. Навчальну базу даних, у якій є мовні записи та відповідні їм тексти.
Для англійської мови існує багато загальнодоступних баз даних мовних зразків (ISOLET, CONNEX,Resource Management Database, Wall Street Journal Database та інші). Створення таких баз даних для української мови є завданням на часі.
Як для української, так і для англійської мов, завданням є якнайкраще розбиття мовного запису на фонеми відповідно до тексту.
2 Цільову функцію, яка разом з навчальною базою даних може бути використана, щоб поміряти “відповідність” HMM. Найбільш широко вживаною є цільова функція максимальної правдоподібності:
O - повна множина спектральних векторів усіх навчальних речень;
Ou - спектральні вектори u-го навчального речення;
Wu - синтезована HMM-модель для u -го навчального речення
λ – множина параметрів HMM-моделей усіх навчальних речень;
λu - множина параметрів HMM-моделі для u -го навчального речення.
3. Процедуру оптимізації, яку можемо використати, щоб максимізувати цільову функцію.
При цьому найчастіше використовують рекурсивний у часі алгоритм Баума-Велча для повторного оцінювання (перерахунку) параметрів моделей. Теоретично доведено, що при такому перерахунку значення максимальної правдоподібності навчальних даних є неспадною величиною, тобто збільшується або залишається таким самим.
Таким чином, навчання звукової моделі зводиться до послідовним ітерацій, на кожній з яких перераховуємо всі параметри HMM-моделей усіх навчальних речень. Ітерації припиняємо, коли різниця двох послідовних значень цільової функції стає меншою від наперед заданої величини.
Звідки взяти початкові значення (до початку навчання) параметрів моделей усіх навчальних речень?
Один можливий варіант: вручну розбити невелику кількість навчальних речень на окремі фонеми та їх стани, і за рахунок цього отримати певні початкові оцінки параметрів (виходячи з 38 різних звуків).
Інший, ширше вживаний сьогодні варіант, так званого плоского старту: взяти як початкові значення парметрів будь-які теоретично можливі їх значення.
Ключовим у використанні звукової моделі є зменшення числа параметрів, які треба оцінити. Це необхідно, бо надто велике число оцінюваних параметрів приводить при обмежених навчальних даних до нереальних оцінок Крім того, зменшення числа параметрів зменшує обчислювальну складність.
Ця проблема настільки серйозна, що використовуються додаткові еврістичні обмеження:
1.Розподіли ймовірностей появи звукових векторів для різних станів моделей можуть бути зв’язані, тобто користуватися тими самими параметрами. Звичайно це корисно лише тоді, коли вони представляють подібні звукові ситуації.
2.Коваріаційна матриця розподілів припускається діагональною.
3.Число розподілів Гаусса, сума яких моделює розподіл імовірностей для стану, може змінюватися, щоб досягти найкращого балансу між гнучкістю моделювання і складністю.
Ідея полягає в тому, щоб зв’язати стани, які акустично не відрізняються. Це дозволяє всі дані, які відповідають кожному індивідуальному станові, об’єднати і за допомогою цього дати більш робастні оцінки параметрів зв’язаного стану. Після зв’язування ряд станів використовують один і той самий розподіл.
Наприклад, трифон м-о-р в слові море та трифон н-о-л в слові ноль можна вважати такими, що описують подібні звукові ситуації: як у першому, так і в другому випадку середній звук о має сусіда зліва квазіперіодичний звук (м або н) та сусіда справа квазіперіодичний звук (р або л).
Вибір того, які стани зв’язувати, здійснюється за допомогою фонетичних вирішуючих дерев. Це передбачає побудову бінарного дерева для кожного стану кожної фонеми. У кожному вузлі такого дерева ставиться питання, на яке треба відповісти “так” або “ні”. Питання відносяться до фонетичного оточення (контексту) безпосередньо зліва і справа. Одне дерево будується для кожного стану кожної фонеми, щоб розбити на підмножини всі відповідні стани всіх відповідних трифонів.
У результаті такого зв’язування замість 383=54872 трифонів отримуємо 2000–8000 зв’язаних трифонів.
На етапі підготовки навчальних даних для звукової моделі диктор вільно начитує запропонований текст в мікрофон, і в результаті маємо відповідний цьому тексту (множині речень) мовний сигнал.
Модель мови. Метою моделі мови є дати метод обчислення апріорної ймовірності послідовності слів незалежно від спостереження мовного сигналу. Для цього треба забезпечити механізм оцінки ймовірності певного слова wk у фразі, якщо знаємо попередні слова 
.
Простий, але ефективний шлях зробити це – використати N-ки слів, у яких приймається, що дане слово wk залежить лише від попередніх N-1 слів, тобто
.
N-ки слів одночасно мають у собі граматику, смисл і предметну область та зосереджуються на локальних залежностях. Більш того, розподіли ймовірностей для N-ок можна обчислити прямо з текстових навчальних даних. Тому не потрібно мати такі точні лінгвістичні правила, як формальна граматика мови.
У принципі, N-ки можна оцінити простим підрахунком частоти повторюваності слова в навчальних текстах і зберігати ці дані в таблицях. Наприклад, для випадку трійок слів (N=3)
де t(wk,wk-1,wk-2) число появ трійок wk,wk-1,wk-2 в навчальних даних та b(wk-1,wk-2) число появ двійок слів wk-1,wk-2.
Проблема полягає в тому, що при словнику V слів є V3 можливих трійок. Навіть для помірного словника в 10000 слів це дуже велике число. Тому багато трійок не з’явиться в навчальних даних, а багато інших з’явиться лише раз чи двічі. Внаслідок цього отримані для них згідно з наведеним виразом оцінки будуть нереальними.
Підхід до вирішення цієї проблеми полягає в тому, що оцінки трійок, які найчастіше з’являються, зменшуються, а отримана залишкова ймовірнісна маса розподіляється між трійками, що рідко зустрічаються.
Класифікатор (декодер). Ця складова системи зводить воєдино дані від трьох раніше описаних компонент і знаходить найбільш імовірний текст (транскрипцію).
Як правило, усі можливі гіпотези відслідковуються паралельно. Цей підхід спирається на принцип оптимальності Белмана (динамічного програмування) і його часто називають алгоритмом Вітербі.
Для розуміння проблеми декодування, уявимо конструювання такого дерева, де на початку є галуження до будь-якого можливого початкового слова в реченні. Усі перші слова потім з’єднуються зі всіми можливими черговими словами і так далі. Це проілюстровано на рис. а). Зрозуміло, що таке дерево буде дуже великим, але якщо брати його достатньої глибини, воно в принципі зобразило б усі можливі речення.
а)
б)
в)
Рис.9.11.
Замінимо кожне слово в цьому дереві послідовністю моделей згідно з його вимовою. Якщо є кілька можливих вимов, то можна дати паралельне з’єднання моделей в межах слова. Рис. б) показує фрагмент дерева, деталізованого введенням моделей. Нарешті, зіллємо моделі однакових фонем або фонем, які за рахунок зв’язування потрапили в одну групу. Це проілюстровано на рис. в).
Отримуємо дерево з вершин HMM станів, які зв’язані ребрами переходів між станами, та вершин закінчення слів, зв’язаних ребрами переходів між словами. Кожен маршрут від початкової вершини до деякої вершини в дереві можна оцінити, додаючи всі логарифми ймовірностей переходів між станами, всі логарифми ймовірностей виходів станів та логарифми ймовірностей моделі мови. Такий шлях можна зобразити рухомою міткою, розташованою у вершині в кінці шляху. Мітка має рахунок, який є сумою логарифмів імовірностей до даної вершини, та історію, в якій зберігається послідовність вершин закінчення слів, через які пройшла мітка. Кожен шлях можна доповнити, рухаючи мітку з поточної до сусідньої вершини та змінюючи її рахунок згідно з поточними імовірністю переходу між станами, імовірністю виходу стану та імовірністю моделі мови, якщо остання має місце.
Проблему пошуку тепер можна переформулювати у вигляді алгоритму руху міток. На початку одну мітку ставлять у початкову вершину дерева. При появі чергового спектрального вектора кожну мітку копіюють у всі сусідні вершини і змінюють рахунки. Якщо більш ніж одна мітка опиняється у вершині, слід зберегти лише мітку з найбільшим рахунком, бо згідно з принципом оптимальності Белмана всі інші мітки не дають під шляхів оптимального шляху. Коли опрацьовані всі спектральні вектори, переглядаємо вершини закінчень слів: мітка з найбільшим рахунком дає найімовірніший маршрут, а, значить найбільш правдоподібну послідовність слів.
Цей базовий алгоритм руху міток ґарантує знаходження найкращого можливого маршруту, проте, на жаль, його реалізація потребувала б занадто багато часу і пам’яті.
Щоб уможливити реалізацію алгоритму, використовуємо відсікання можливих варіантів. На кожному часовому інтервалі, фіксуємо найбільший для всіх міток рахунок, і всі мітки, чиї рахунки відрізняються за модулем від найбільшого рахунку більше, ніж на певну наперед встановлену величину (ширину пучка), знищуємо. Оскільки в пам’яті тепер треба зберігати лише активні мітки, які потрапляють у пучок, в кожен момент часу потрібен лише фрагмент описаного раніше дерева. Коли мітки рухаються вперед, пред ними створюємо нову структуру дерева, а стару структуру позаду знищуємо.
Ескіз програмної реалізації системи розпізнавання злитної мови з великим словником можна, зокрема, знайти за адресою www.isip.msstste.edu.
Все темы данного раздела:
Основні поняття та визначення. Основні характеристики сигналів
Сигнал (в теории информации и связи) — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигналом может быть люб
Природа сигналів. За своєю природою, сигнали можуть бути випадкові або детерміновані.
До детермінованих відносять сигнали, значення яких у будь-який момент часу або в довільній точці простору є апріорно відомими або можуть бути досить точно визначені (обчислені) за відомою чи передб
Аналогові та цифрові сигнали.
До основних типів відносять аналоговий, дискретний і цифровий сигнали.
Аналоговим називають сигнал, неперервний у часі і значеннях. Такий сигнал описується неперервною або кусочно н
Основні типи сигналів
Фінітні сигнали. Фінітним називається сигнал, який визначений лише на деякому часовому проміжку і не існує поза ним, тобто при t>T, амплітуда сигналу рівна нулю.
Пер
Елементарні сигнали, що найчастіше використовуються ЦОС
Всі сигнали ми будемо розглядати в аналоговому та неперервному варіантах.
1. Неперервний випадок
Властивості спектрів дискретних сигналів
1. Неперервність.
2. Періодичність..
3. Спектр дійсного сигналу. Якщо - д
Режим реального часу
Основними прикладними (інженерними, практичними) задачами обробки сигналів є:
1. Ідентифікація і розпізнавання.
2. Телекомунікації.
3. Обробка музичних і мо
Переваги і недоліки ЦОС
Перевагами ЦОС є:
Гарантована точність
Цілковита відтворюваність. Можна ідентично відтворити кожний елемент, оскільки відсутні відхилення, обумовлен
Основні операції цифрової обробки сигналів
Проте всі ці алгоритми, як правило - блокового типу, тобто побудовані на як завгодно складних комбінаціях досить невеликого набору типових цифрових операцій, до основного з яких відносяться: зго
Застосування ДПФ
На рис. 5.1 наведена схема взаємодії між часовою та частотною областями.
Основними сферами застосування ДПФ є:
- цифровий спектральний аналіз - аналізатори спектра, обробка мови,
ДПФ як згортка сигналу з базисними функціями
Оскільки комплексна експонента може бути представлена у виді дійсної та уявної частини (формула Ейлера), то основне рівняння ДПФ може бути записано таким чином:
Основні операції фільтрації
До основних операцій фільтрації інформації відносять:
- згладжування;
- прогнозування;
- диференціювання;
- інтегрування;
- поділ на певні складові;
Класи і параметри фільтрів
Залежно від призначення фільтру, а отже і загального виду його частотної характеристики, виділяють такі основні, найбільш розповсюджені, типи фільтрів (вибіркові фільтри):
-
Поняття про швидкі алгоритми
При побудові швидких алгоритмів використовують кілька основних прийомів. Серед них найголовнішими є :
1. Розбиття задачі на підзадачі.
2. Рекурсія - коли деякий метод чи прийом мо
Вправи і завдання до теми №1
1. Визначити період заданого сигналу: .
Відповідь :
Зменшення частоти дискретизації: децимація із цілим кроком
На рис. 1.1, а наведена блок-схема процесу децимації сигналу х(n) із цілим кроком М. На ній зображені цифровий фільтр захисту від накладення спектрів h(k) і схема стиску (компресор) частоти дискрет
Збільшення частоти дискретизації: інтерполяція із цілим кроком
Інтерполяція - це цифровий еквівалент процесу цифроаналогового перетворення, коли із цифрових вибірок, поданих на цифроаналоговий перетворювач, за допомогою інтерполяції відновлюється аналоговий си
Перетворення частоти дискретизації з нецілим кроком
У деяких ситуаціях часто буває потрібно змінити частоту дискретизації в неціле число раз. Приклад - цифрове аудіо, де може вимагатися передача даних з одного запам'ятовувального пристрою на інше, п
Багатокаскадне перетворення частоти дискретизації
У п.1.3 зміна частоти дискретизації відбувалося відразу з використанням єдиного коефіцієнта децимації або інтерполяції. Якщо потрібне значна зміна частоти дискретизації, такий підхід неефективний;
Розробка практичних конвертерів частоти дискретизації
Розробку практичного багатокаскадного конвертера частоти дискретизації можна розбити на чотири етапи:
Задати загальні вимоги до фільтрів захисту від накладення спектрів і придушення
Специфікація фільтру
Фактично продуктивність системи обробки при декількох швидкостях критично залежить від типу НІХ
і якості використовуваного фільтра. Відзначимо, що при децимації й інтерполяції можуть викор
Високоякісне аналого-цифрове перетворення в цифровому аудіо
У сфері цифрового аудіо постійно потрібно підвищувати якість, дозвіл і швидкість АЦП. Це привело до розробки однобітових АЦП із використанням методів дельта-сігма-модуляції. У результаті з'явилася
Ефективне аналого-цифрове перетворення у високоякісних системах відтворення компакт-дисків
Одним з перших серйозних застосувань методів з обробкою при декількох швидкостях стало відтворення звуку й музики в програвачах компакт-дисків.
На рис. 6.2 зображена схема відновлення анал
Особливості діагностики та контролю процесорів та систем опрацювання сигналів та зображень
Для контролю і діагностики вузлів опрацювання сигналів застосовуються різні сполучення відомих методів вбудованого і зовнішнього контролю ЕОМ, або методи діагностики складних систем, що базуються н
Рархічність засобів діагностики та контролю процесорів та систем опрацювання сигналів та зображень
Ієрархічність засобів діагностики відповідає ієрархічності обчислювальних засобів. Тому розглядається ієрархічність на рівні: систем, процесорів та окремих вузлів.
Використовуються такі за
Процес формування АЧХ
Для обчислення АЧХ нерекурсивних ЦФ здебільшого застосовують метод передаточних функцій. Від передаточної функції, яка в загальному вигляді записується як многочлен виду:
H(Z)= a
Визначення і дослідження виду АЧХ
Нехай задано проаналізувати АЧХ фільтра з такими параметрами сигналу: l = 0,1, ...,31; А = 1, 2,...,100; S = 8, 16; Q = -64...64; N = 0,1, …, 31.
Згідно
Структура потокового (ковзаючого) процесора ШПФ.
6.Методика вибору оптимального складу НВІС
Розглядаються передумови і методика однокристальної реалізації швидкого перетворення Фур'є на приладах програмувальної логіки фі
Використання ПЛІС для високопродуктивної цифрової обробки сигналів та зображень
Є ряд альтернативних рішень побудови високопродуктивних систем, зокрема на замовлених інтегральних схемах (ASІ) і спеціалізованих процесорах цифрової обробки сигналів (DSP). Розглядати питання реал
Таблиця 1. Основні характеристики ПЛІС Xіlіnx серій Vіrtex, Vіrtex-e, XC4000XL/XLAXV, Spartan/XL
Сімейство ПЛІС
Системна частота, МГЦ
Швидкодія, нс/вентиль
Швидкість обміну chіp-to-chіp, МГЦ
Ємність ПЛІС, системних вентилів
Таблиця 1. Основні характеристики ПЛІС Xіlіnx серій Vіrtex, Vіrtex-e, XC4000XL/XLAXV, Spartan/XL
Сімейство ПЛІС
Системна частота, МГЦ
Швидкодія, нс/вентиль
Швидкість обміну chіp-to-chіp, МГЦ
Ємність ПЛІС, системних вентилів
Оцінка продуктивності вузла виконання операцій ШПФ на ПЛІС.
Оцінимо необхідну продуктивність пристрою обробки. Для обчислення ШПФ 256 точок за основою 2 з комплексними вхідними даними потрібно приблизно 3 тис. множень дійсних операндів і 5,5 тис. додавань д
Таблиця 1. Характеристики М-модулів ШПФ на ПЛІС серії Vіrtex
Розмір перетворення
Системних вентилів, тис.
Частота надходження вхідних даних, Мгц-real-tіme
Час перетворення, мкс
Структура потокового (ковзаючого) процесора ШПФ.
У загальному випадку при побудові М-модуля ШПФ можна піти декількома шляхами: або спроектувати модулі з малими займаними обсягами, великим часом перетворення і малою швидкістю надходження вхідних д
Таблиця 2. Характеристики М-модулів ковзного ШПФ на ПЛІС Xіlіnx
Число точок
Тактова частота, МГц
Час перетворення, мкс
Об’єм модуля, логічних комірок
Необхідна ПЛІС
Визначення нейрокомп’ютера.
Нейрокомпьютери - дуже модне слово, яке використовують направо і наліво. На початку 90-х років був дуже бурхливий розвиток даної тематики у вітчизняних розробках. Але разом з рядом серйозних розроб
Базова структура нейрокомп’ютера на основі ПОС.
Зупинимося на особливостях апаратної реалізації нейрообчислювача (НО) (див. рис.5) з можливістю паралельної обробки, що реалізують елементи нейромережі.
Порівняльні характеристики нейрокомп’ютерів на базі ПОС.
Для побудови НО (нейрообчислювач) перспективним є використання сигнальних процесорів із плаваючою крапкою ADSP2106x, TMS320C4x,8x, DSP96002 і ін. Типова структурна схема реалізації НО на основі сиг
Реалізація ШПФ на нейрокомп’ютері.
Розглянемо реалізацію ШПФ на базі процесора Л1879ВМ1(NM6403). Процесор Л1879ВМ1 - високопродуктивний спеціалізований мікропроцесор, що об’єднює в собі риси двох сучасних архітектур: VLIW (Very Long
Співпроцесора NM6403 при розбитті матриці співпроцесора NM6403 при розбитті матриці
вагових коефіцієнтів - (2х32біти)/(8х8біт) вагових коефіцієнтів - (2х32біти)/(2х32біти)
По приведених двох варіантах розбивки матриці векторного помножувача виробляється п
Таблиця 2. Порівняльна характеристика точності відновленого сигналу після прямого і зворотного ШПФ із різними основами
Перетворення Фур'є
Систематична похибка-M
СКО -s
6 біт/1.0
7 біт /1.0
6 біт/1.0
7 біт /1.0
Таблиця 3. Продуктивність функцій прямого і зворотного ШПФ на процесорі NM6403
Кільк. комплекс. відліків
Без нормалізації
З однією нормалізацією
З двома нормализациями
Тактів
Аналіз задач і алгоритмів
До основних галузей, де використовується опрацювання сигналів та зображень відносяться:
1. Радіолокація (РЛ) — виявлення, фільтрація сигналу з режекцією завад та накопичення сигналу.
Особливості задач і алгоритмів.
Аналіз наведених задач і алгоритмів їх розв’язання показує, що вони мають такі особливості:
- широкий динамічний і частотний діапазон сигналів, що обробляються;
- велика інтенсивн
Особливості організації обчислювальних засобів
1.2.1. Методи аналізу обчислювальних засобів архітектур.Технічно системи керування та опрацювання інформації реалізуються як комплекс спеціалізованих і універсальних засобів обчисл
Основні положення алгоритму ШПФ
Визначення 1. Дано кінцеву послідовність x0, x1, x2,..., xN-1 (у загальному випадку комплексних чисел). ДПФ полягає в пошуку послідовності
Основні формули
Теореми, що пояснюють суть перетворення Фур’є (наведені без доведення).
Теорема 1. Якщо комплексне число представлене у вигляді e j2πN, де N - ціле, то
Програмна реалізація основних елементів ШПФ
Алгоритм попередньої перестановки
Розглянемо конкретну реалізацію ШПФ. Нехай є N=2T елементів послідовності x{N} і треба одержати послідовність
Fft.cpp
/*
Fast Fourier Transformation
=====================================================
*/
#include "fft.h"
// This array contains values from 0
Організація DSP- процесорів для задач опрацювання сигналів та зображень
Для опрацювання сигналів та зображень найчастіше використовуються DSP- процесори. Розглянемо підходи до їх реалізації на базі обчислення алгоритму ШПФ.
В загальному випадку, вимоги по вико
Типова структура процесора опрацювання сигналів та зображень
На рис. 3.1 наведена спрощена система на базі процесора ADSP-2189M, що використовує повномасштабну модель пам'яті.
Нтерфейси DSP-процесорів
Ефективність роботи DSP- процесора в структурі системи залежить від організації каналів вводу-виводу. До складу сучасних DSP- процесорів (наприклад, ADSP-21ESP202) входять інтегровані АЦП/ЦАП, що з
Аналіз паралельного інтерфейсу з DSP-процесорами: читання даних з АЦП, що під’єднаний до адресного простору пам’яті
Підключення АЦП або ЦАП через паралельний інтерфейс до DSP-процесора вимагає розуміння специфіки процесів читання/запису даних DSP-процесором з/в периферійних пристроїв при їх під’єднані до
Аналіз паралельного інтерейсу з DSP-процесорами: запис даних в ЦАП, що під’єднаний до адресного простору пам’яті
Спрощена блок-схема інтерфейсу між DSP-процесором і наприклад ЦАП) наведена на рис. 4.4. Діаграми циклу запису в пам'ять для сімейства ADSP-21xx наведені на рис.6.
В системах реального час
Аналіз послідовного інтерфейсу з DSP-процесорами
Наявність послідовного порту усуває необхідність використання паралельних шин для підключення АЦП і ЦАП до DSP-процесорів.
Структурна схема одного з двох послідовних портів процесора сімей
Проектування процесора ШПФ на ПОС
Алгоритм ШПФ із проріджуванням за часом
Нехай
Розділимо послідовність x(n) на парні (ev
Аналіз (розробка) блок-схеми виконання алгоритму ШПФ на заданому типі процесора
Алгоритм базової операції ШПФ за основою 4 і проріджування за часом можна представити так:
А'1 = А1 + A2W1 + A3W2 + A
Розрахунок основних параметрів
Частота роботи процесора: , звідси цикл виконання команди:
Привабливою рисою ПЛІС для реалізації алгоритмів ЦОС є наявність внутрішнього швидкодіючого розподіленого ОЗП, вбудованих вузлів обчислення ШПФ тощо.
На рис. 6.1 наведена структурна схема вузла реалізації алгоритм ШПФ на ПЛІС. Вхідне ОЗП використовується для завантаження вхідної послідовності, збереження результатів проміжних обчислень і виванта
Оцінка продуктивності вузла реалізації алгоритму ШПФ на ПЛІС
Швидкодія виконання алгоритму ШПФ на ПЛІС визначається в NMAC (кількість операцій типу множення-нагромадження) за такою формулою:
Побудова граф-алгоритму ШПФ з основою 2 наведена в попередніх розділах.
При апаратній реалізації графу ШПФ виникають незручності через неспівпадіння адрес комірок пам'яті з яких потрібно вичитувати елементи на кожному ярусі. Тому на рис.6.2. наведений граф, де для кожн
Реалізація алгоритмів опрацювання сигналів та зображень на нейропроцесорах
Нейрокомпьютер - це обчислювальна система з MSІMD архітектурою, тобто з паралельними потоками однакових команд і множинним потоком даних. На сьогодні можна виділити три основних напрямки розвитку о
ВЕКТОРНИЙ СПІВПРОЦЕСОР
Векторний співпроцесор - основний функціональний елемент Л1879ВМ1. Структурно він являє собою матрично-векторний операційний пристрій і набір регістрів різного призначення.
Операційний при
Організація паралельних обчислень в алгоритмах ШПФ на процесорі NM6403
Значна частина задач аналізу часових рядів зв'язана з перетворенням Фур'є і методами його ефективного обчислення. У цих задачах перетворення Фур'є відіграє важливу роль як необхідний проміжний крок
Продуктивність і точність обчислень.
Точність обчислень визначається кількістю біт, що відводяться для представлення коефіцієнтівW. Є два способи представлення значень косинусів і синусів у 8 розрядній сітці:
1. W =round(64.0
Загальна характеристика функцій ШПФ.
Вхідні і вихідні дані - цілі 32р. комплексні числа, формат збереження наведений на рис.3
Діапазон вхідних даних зазначений у таблиці 3.
Розрядність коефіцієнтів перетворення - 8 б
Стиск нерухомих зображень з використанням дискретних косинусних перетворень
Безвтратні методи стиску не забезпечують потрібного у багатьох випадках степеня стиску зображень. У цьому разі необхідно застосовувати методи стиску з втратою інформації. Одним із найбільш поширени
Стиск нерухомих зображень з використанням хвилькових перетворень
Поняття хвилькового перетворення
Дискретне хвилькове перетворення (dyscrete wavelet transform (DWT)) принципово відрізняється від спектральних перетворень.
На рис.8.3 показано стр
Стиск зображень з використанням методу кодування областей хвилькового перетворення
У цьому методі розглядаються області коефіцієнтів логарифмічного хвилькового перетворення зображення, які мають різні розміри. Ідея полягає в тому, щоб коефіцієнти в різних областях опрацьовувати (
Стиск зображень з використанням методу дерев нулів хвилькового перетворення
Хвильковий розклад зображення можемо мислити собі як просторову множину коефіцієнтів, яка складається з дерев. Дерево коефіцієнтів хвилькового перетворення означається як множина коефіцієнтів із рі
Адаптивні хвилькові перетворення : Хвилькові пакети.
Слід зауважити, що традиційний підхід використання хвилькових перетворень з фіксованою частотною роздільною здатністю (логарифмічне хвилькове перетворення) є добрий лише в загальному для типового с
Опрацювання мовних сигналів
Багато напрямків мовних технологій (опрацювання мовних сигналів з певною метою: стиск мовних сигналів, cинтез мови, зміна темпу мовлення, розпізнавання або визначення емоційного стану людини за гол
Мовні технології
Виділяють такі напрямки мовних технологій.
1. Стиск (кодування) мови.
Високого степеня стиску досягаємо використанням дискретних косинусних перетворень.
2. Синтез мови
Алгоритм динамічного часового вирівнювання для розпізнавання слів з невеликого словника
На фазі навчання як мовні еталони записуємо якнайкоротше вимовлені диктором слова із заданого невеликого словника.
Сигнал, який розпізнаємо, та сигнали-еталони параметризуємо – перетворюєм
Просочування спектральних складових
Вибір кінцевого часового інтервалу тривалістю NT секунд і ортогонального тригонометричного базису на цьому інтервалі обумовлює цікаву особливість спектрального розкладу. 3 континууму можливи
Вікна та їх основні параметри
В гармонійному аналізі вікна використовуються для зменшення небажаних ефектів просочування спектральних складових. Вікна впливають на можливість виявлення, роздільну здатність, динамічний діапазон,
Класичні вікна
Всі наведені вікна представляються як парні (щодо початку координат) і містять непарну кількість точок. Для перетворення вікна в ДПФ-парне вікно достатньо відкинути крайню праву точку і зсунути пос
Гармонійний аналіз
Проаналізуємо вплив властивостей вікна на ефективність виявлення слабої спектральної лінії у присутності інтенсивної близько розташованої лінії. Якщо обидві спектральні лінії потрапляють в біни ДПФ
Висновки
В даному навчальному посібнику описані основні алгоритми опрацювання сигналів та зображень та шляхи їх реалізації. Основна увага приділена системному підходу, який дозволяє розв’язати певну задачу,
Література
1. Айфигер, Эммануил С., Джервис, Барри У. Цифровая обработка сигналов: практический поход, 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом “Вильямс”, 2004. – 992с.
2. Цифров
Рархічність засобів обробки радіолокаційної інформації.
Обробка радіолокаційної інформації (РЛІ) як правило складається з декількох етапів.
Первинна обробка РЛІ здійснюється апаратурою радіолокаційної станції (АПОІ РЛС) з видачею інформа
Особливості обробки радіолокаційної інформації. Вибір параметрів радіолокаційної станції, які впливають на характеристики засобів обробки.
Параметри:
- вид сигналу;
- потужність сигналу;
- тривалість зондувального сигналу /Тс/;
- оброблюваний доплерівский діапазон частот /F/ ;
Вимоги до системи
1. Система повинна будуватися на сучасній елементній базі з використанням відповідних міжнародним стандартам конструктивов і інтерфейсів
2. Система повинна мати модульну структуру і будува
Елементна база
Орієнтація на два механічних конструктива і на дві стандартні системні шини приводить до того, що можуть існувати три різних типи уніфікованих модулів:
1. Система на основі ПЕОМ із шинами
Архітектура системи
Пропонується комбінована архітектура на основі поділюваної системної шини і конфігурованих користувачем високопродуктивних прямих з'єднань модулів між собою для рішення задач високопродуктивної обр
Апаратна реалізація мережі
Вузли обчислювальної мережі виконані на процесорах TMS320C40 (TMS320C44), до яких підключена зовнішня оперативна пам'ять ємністю 512-1024 кбайт. У залежності від реалізації процесорного модуля (TІМ
Найпростіша первинна обробка РЛИ на МП мережі
Для відпрацьовування і реалізації на мультипроцесорній мережі найпростішого алгоритму первинної обробки даних було розроблено функціональне програмне забезпечення (ФПЗ), що реалізує алгоритм, зобра
Обмежувач.
· Алгоритм обчи
Порогові пристрої.
У системі реалізовані порогові пристрої з ковзним порогом. Значення порога обчислювалося по формулі
Таблиця 1. Часові параметри модулів ФПЗ, отримані в симуляторі.
Програма
Цикли
Час, мкс
Кількість операцій ПК
Vmax, (MFLOP)
Vвузла, (MFLOP)
СРЦ
Таблиця 2. Експериментально виміряні часові параметри модулів ФПЗ.
Програма
Цикли
Час, мкс
Кількість операцій ПК
Vmax, (MFLOP)
Vвузла, (MFLOP)
СРЦ
Призначення ПФОС.
Пристрій формування й обробки сигналів /ПФОС/ входить до складу когерентної далеко-доплерівської радіолокаційної станції, що працює в імпульсному чи квазінеперервному режимі випромінювання і прийом
Принцип побудови і структура ПФОС.
Пристрій формування й обробки сигналів побудовано по модульному принципі з нарощуванням структури і складається з окремих взаємозамінних програмно-апаратних модулів. Кожен програмно-апаратний модул
Технічна реалізація модуля.
Модуль формування й обробки сигналів реалізований на основі пристроїв програмувальної логіки фірм Xіlіnx, Altera і сигнальних процесорів фірми Analog Devіces. Основні технічні характеристики модуля
Модуль кодуючого пристрою .
Кодуючий пристрій призначений для :
· забезпечення режимів роботи РЛС і необхідних робочих шкал дальності;
· формування модулюючих сигналів , що задають закон амплітудно-фазової м
Режими роботи ПФОС.
ПФОС забезпечує формування й обробку сигналів у двох режимах випромінювання і прийому складних амплітудно-фазоманіпуляційних сигналів:
· у квазінеперервному режимі випромінювання й обробки
Квазінеперервний режим випромінювання й обробки.
При квазінеперервному режимі фазоманіпуляційний сигнал з великою базою (В=<256K) випромінюється окремими імпульсами, тривалість і інтервал проходження яких визначається структурою дискретного си
Практичне використання результатів і перспективи розвитку.
В даний час пристрої формування й обробки сигналів (ПФОС) використовуються в розробках, виконаних разом з ведучими НПО і НДІ м. Санкт-Петербурга.
Розроблені РЛС успішно пройшли натурні вип
Новости и инфо для студентов