Проектування комп'ютерних засобів обробки сигналів і зображень
Спеціальність: Кіберфізичні системи
Код дисципліни: 7.123.04.E.020
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Електронні обчислювальні машини
Лектор: Доцент Євгеній Ваврук
Семестр: 2 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей:
інтегральна компетентність:
ІНТ - здатність розв’язувати складні спеціалізовані задачі та практичні проблеми під час професійної діяльності у галузі інформаційних технологій або у процесі навчання, що передбачає застосування теорій та методів комп’ютерної інженерії і характеризуються комплексністю та невизначеністю умов.
загальні компетентності:
ЗК3 - Здатність проводити дослідження на відповідному рівні.
ЗК5 - здатність до застосування знань на практиці;
ЗК6 - здатність здійснювати пошук та аналізувати інформацію з різних джерел;
Спеціальні (фахові) компетентності:
СК2 - здатність розробляти алгоритмічне та програмне забезпечення, компоненти комп’ютерних систем та мереж з використанням сучасних методів і мов програмування.
СК3 - здатність проектувати комп’ютерні системи та мережі з урахуванням цілей, обмежень, технічних, економічних та правових аспектів.
СК4 - здатність будувати та досліджувати моделі комп’ютерних систем та мереж.
СК5 - здатність будувати архітектуру та створювати системне і прикладне програмне забезпечення комп’ютерних систем та мереж.
СК9 - здатність представляти результати власних досліджень та/або розробок у вигляді презентацій, науково-технічних звітів, статей і доповідей на науково-технічних конференціях.
Результати навчання:
У результаті вивчення навчальної дисципліни здобувач освіти повинен бути здатним продемонструвати такі програмні результати навчання:
ЗН1 Знати і розуміти наукові і математичні принципи, що лежать в основі функціонування комп’ютерних засобів, систем та мереж.
ЗН2. Знати основи професійно-орієнтованих дисциплін спеціальності в галузі комп’ютерної інженерії.
ЗН3.Мати поглиблені знання принаймні в одному з напрямків галузі комп’ютерної інженерії : комп’ютерні системи та мережі; системне програмування; спеціалізовані комп’ютерні системи.
ЗН7.Знати та розуміти вплив технічних рішень в суспільному, економічному, соціальному і екологічному контексті.
ЗН11.Знати правила експлуатації комп’ютерних систем та мереж.
УМ7.Уміти поєднувати теорію і практику, а також приймати рішення та виробляти стратегію діяльності для вирішення завдань спеціальності з урахуванням загальнолюдських цінностей, суспільних, державних та виробничих інтересів.
УМ9.Уміти оцінювати отримані результати та аргументовано захищати прийняті рішення.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Попередні
навчальні дисципліни
Комп'ютерні системи
Цифрова обробка сигналів
Алгоритми та методи досліджень
Супутні і наступні
навчальні дисципліни
Дослідження і проектування комп'ютерних систем
Короткий зміст навчальної програми: Дисципліна «Проектування комп'ютерних засобів обробки сигналів і зображень”» є одним з сучасних напрямків інформаційних технологій, що в останні роки особливо швидко розвивається. Комп’ютерні засоби обробки сигналів і зображень є різноплановими і потребують від розробника, як вміння аналізувати саму архітектуру кіберфізичної системи, так і вміння обрати для неї ефективний алгоритм, програмні та апаратні засоби. Вміння використовувати сучасні технології проектування, проводити відповідні обчислення, моделювати та діагностувати засоби систем є метою викладання дисципліни.
Опис: 1. Предмет та задачі курсу. Огляд програми курсу. Зв’язок з іншими дисциплінами навчального плану. Коротка характеристика навчальної літератури.
Області застосування засобів цифрової обробки сигналів(ЦОС), основні задачі, переваги та недоліки. Основні поняття комп’ютерних систем обробки зображень та сигналів.
2. Ключові операції цифрової обробки сигналів та методи їх реалізації. Функціональні перетворення сигналів. Основні алгоритми обробки сигналів
Використання вікон для опрацювання сигналів. Спектральний аналіз.
3. Алгоритми швидкого перетворення Фур’є та їх реалізація. Загальні принципи побудови та основні компоненти КЗОСЗ. Універсальні та спеціалізовані процесори ЦОС. Комп’ютерні архітектури для реалізації засобів ЦОСЗ
4. Проектування цифрових фільтрів. Основні операції фільтрації.
5. Опрацювання мовних сигналів Мовні технології Алгоритм динамічного часового вирівнювання для розпізнавання слів з невеликого словника Розпізнавання злитної мови з великим словником.
6. Опрацювання музичних сигналів. Основні етапи процесу розпізнавання. Розробка функціональної схеми системи опрацювання музичних сигналів.
7. Опрацювання зображень. Дискретне косинусне перетворення, його властивості, алгоритми швидкого обчислення та особливості застосування при проектуванні систем стиску зображень. Фільтрація зображень.
8. Опрацювання сигналів при декількох швидкостях. Області застосування методів обробки при декількох швидкостях. Зменшення частоти дискретизації: децимація із цілим кроком. Збільшення частоти дискретизації : інтерполяція із цілим кроком. Перетворення частоти дискретизації з нецілим кроком. Багатокаскадне перетворення частоти дискретизації.
9. Модуляція/демодуляція сигналів. Класифікація видів модуляції. Основні характеристики видів модуляції. Обчислення параметрів модульованих сигналів
10. Проектування засобів обробки сигналів та зображень на DSP- процесорах. Вимоги до процесорів. Типові структури процесорів. Інтерфейси. Проектування процесорів ШПФ.
11. Проектування засобів обробки сигналів та зображень на ПЛІС. Однокристальна реалізація на ПЛІС алгоритму ШПФ. Оцінка продуктивності вузла реалізації алгоритму ШПФ на ПЛІС. Приклад розробки процесора ШПФ на ПЛІС
12. Проектування засобів обробки сигналів та зображень на нейроструктурах. Основні характеристики нейрокомп’ютерів. Визначення продуктивності нейрокомп’ютерів. Організація паралельних обчислень в алгоритмах ШПФ на процесорі NM6403.
13. Проектування засобів обробки сигналів та зображень на «Система на кристалі»
14. Діагностика і контроль процесорів і систем опрацювання сигналів.
15. Аналіз програмних засобів обробки сигшналів та зображень
16. Стандартні програмні засоби обробки сигналів та зображень
Методи та критерії оцінювання: Оцінювання здійснюється за результатами виконання у віртуальному навчальному середовищі університету лекційних та семестрового тесту, також за результатами лабораторних занять.
Критерії оцінювання результатів навчання: Максимальна кількість балів для оцінки поточного контролю (ПК) знань за семестр – 40 балів.
Екзаменаційний контроль проводиться в письмово-усній формі.
Максимальна кількість балів для оцінки екзаменаційного контролю – 60 балів.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Алгоритми та засоби обробки сигналів: навч.посібн./Ваврук Є., Лашко О., Попович Р. - Львів : СПОЛОМ, 2021. – 240 с. : іл. ISBN 978-966-919-717-7
2. Є. Ваврук , Р. Попович Цифрове опрацювання сигналів та зображень: Алгоритми та реалізація. Навчальний посібник 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: Національний університет “Львівська політехніка”, 2008, 147 с.
3. Є. Ваврук , О. Лашко Основи обробки сигналів Навчальний посібник з дисципліни “Цифрова обробка сигналів” для студентів базового напряму 6.0915 - “Комп’ютерна інженерія” Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2009 р. 104с.
4. Є. Ваврук , Р. Попович Стиск зображень з використанням дискретних косинусних перетворень // Методичні вказівки до лабораторної роботи з курсу “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“ Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2003 р.,11с.
5. Є. Ваврук , Р. Попович Моделювання роботи препроцесора для попередньої обробки мовних сигналів // Методичні вказівки до лабораторної роботи з курсу “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“ Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2003 р, 10с.
6. Є. Ваврук , Р. Попович Діагностика роботи цифрових фільтрів шляхом аналізу їх амплітудно-частотної характеристики сигналів // Методичні вказівки до лабораторної роботи з курсу “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“ Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2007 р, 13с.
7. Є. Ваврук , О. Лашко Фільтрація сигналів і зображень// Методичні вказівки до лабораторної роботи з курсу “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“ Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2009 р. 12с.
8. Є. Ваврук , О. Лашко Аналіз обчислювальної похибки для виконання базових операцій ЦОС. Обчислення математичних функцій// Методичні вказівки до лабораторної роботи № 1 з курсу “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“ Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2009 р.15с.
8. Є. Ваврук І. Грицик Розрахунок і побудова цифрових СІХ з частотною вибіркою. Фільтрація складених сигналів// Методичні вказівки до лабораторної роботи № 5 з курсу “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“ Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2010 р.12с.
10. Є. Ваврук І. Грицик Модуляція і демодуляція сигналів. Амплітудна модуляція складених сигналів// Методичні вказівки до лабораторної роботи № 6 з курсу “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“ Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2010 р.12с.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).
Проектування комп'ютерних засобів обробки сигналів і зображень (курсова робота)
Спеціальність: Кіберфізичні системи
Код дисципліни: 7.123.04.E.021
Кількість кредитів: 2.00
Кафедра: Електронні обчислювальні машини
Лектор: доцент Ваврук Євгеній Ярославович
Семестр: 2 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей:
загальні компетентності:
ЗК3 - Здатність проводити дослідження на відповідному рівні.
ЗК5 - здатність до застосування знань на практиці;
ЗК6 - здатність здійснювати пошук та аналізувати інформацію з різних джерел;
Спеціальні (фахові) компетентності:
СК2 - здатність розробляти алгоритмічне та програмне забезпечення, компоненти комп’ютерних систем та мереж з використанням сучасних методів і мов програмування.
СК3 - здатність проектувати комп’ютерні системи та мережі з урахуванням цілей, обмежень, технічних, економічних та правових аспектів.
СК4 - здатність будувати та досліджувати моделі комп’ютерних систем та мереж.
СК5 - здатність будувати архітектуру та створювати системне і прикладне програмне забезпечення комп’ютерних систем та мереж.
СК9 - здатність представляти результати власних досліджень та/або розробок у вигляді презентацій, науково-технічних звітів, статей і доповідей на науково-технічних конференціях.
Результати навчання: знати:
теоретичні основи основних методів та алгоритмів цифрової обробки сигналів та зображень;
принципи побудови процесорів та систем;
засоби автоматизованого проектування та аналізу характеристик вузлів,
вміти
проводити порівняльний аналіз методів і алгоритмів цифрової обробки сигналів та зображень;
- вибирати оптимальні методи і алгоритми обробки сигналів для конкретної галузі застосування;
- оптимізувати алгоритми та процедури обробки сигналів та зображень;
- розробляти програми реалізації основних алгоритмів;
- проектувати окремі функціональні вузли та процесори на різній елементній базі.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: пререквізити:
- комп'ютерні системи;
- цифрова обробка сигналів
- технології проектування комп'ютерних систем.
кореквізити:
напрямки дослідження і проектування комп'ютерних систем та мереж;
дослідження і проектування програмних систем.
Короткий зміст навчальної програми: Курсова робота з дисципліни «Проектування комп'ютерних засобів обробки сигналів і зображень”» є одним з сучасних напрямків інформаційних технологій, що в останні роки особливо швидко розвивається. Компютерні засоби обробки сигналів і зображень є різноплановими і потребують від розробника, як вміння аналізувати саму архітектуру обчислювальної системи, так і вміння обрати для неї ефективний алгоритм, програмні та апаратні засоби. Вміння використовувати сучасні технології проектування, проводити відповідні обчислення, моделювати та діагностувати засоби систем є метою викладання дисципліни.
Опис: Теми курсової роботи
Літературні огляди і доповіді:
- обробка звукових та мовних сигналів;
- обробка зображень;
- технічна діагностика;
- медична діагностика;
- криптологія;
- зв'язок, системи мультимедіа;
- робототехніка, системи штучного інтелекту.
Розробка методів та процедур ЦОСЗ:
- згортка і фільтрація сигналів;
- згортка і фільтрація зображень;
- узагальнена фільтрація, гомоморфна обробка сигналів;
- узагальнена фільтрація, гомоморфна обробка зображень;
- інтерполяція та кодування сигналів;
- спектрально-кореляційний аналіз сигналів;
- спектрально-кореляційний аналіз зображень;
- статистичний аналіз сигналів та зображень.
Розробка програмованих комп'ютерних засобів ЦОСЗ:
- кодування мовних сигналів;
- обробка мовних сигналів;
- обробка звукових сигналів;
- технічна діагностика (в окремих галузях техніки);
- медична діагностика (в окремих галузях медицини);
- системи мультимедіа;
- обробки зображень (з проблемною орієнтацією);
- системи зв'язку;
- системи виявлення (радіолокація, гідроакустика тощо).
Розробка пристроїв ЦОСЗ на основі спеціалізованих НВІС:
- попереднє зважування сигналів;
- фільтрація та кореляційний аналіз сигналів в часовій області;
- фільтрація та кореляційний аналіз сигналів в частотній області;
- обчислення швидкого перетворення Фур'є;
- обчислення швидкого перетворення Хартлі;
- обчислення швидкого косинусного перетворення;
- виконання арифметичних і математичних операцій над великими числами;
- сортування масивів даних.
Проектування спеціалізованих НВІС ЦОСЗ:
- формування адрес;
- виконання базових операцій алгоритмів швидкого перетворення Фур'є;
- виконання базових операцій алгоритмів косинусного перетворення;
- обчислення математичних функцій;
- статистичне кодування;
- медіанна фільтрація масивів;
- сортування і екстремальна фільтрація масивів даних;
Методи та критерії оцінювання: Оцінювання здійснюється за результатами виконання курсової роботи, її оформлення та захисту.
Критерії оцінювання результатів навчання: Підсумковий контроль (100 % диференційний залік): письмова форма (50 %), усна форма (50%).
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Є. Ваврук Цифрове опрацювання сигналів: Алгоритми та реалізація// Навчальний посібник до лекційного курсу з дисципліни “Проектування комп’ютерних засобів обробки сигналів та зображень” для студентів спеціальності 8.05010201 і 7.05010201 "Комп'ютерні системи та мережі“– Львів: Національний університет “Львівська політехніка”, 2015, 115 с.
2. Є. Ваврук , Р. Попович Цифрове опрацювання сигналів та зображень: Алгоритми та реалізація. Навчальний посібник 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: Національний університет “Львівська політехніка”, 2008, 147 с.
3. Є. Ваврук , О. Лашко Основи обробки сигналів Навчальний посібник з дисципліни “Цифрова обробка сигналів” для студентів базового напряму 6.0915 - “Комп’ютерна інженерія” Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2009 р. 104с.
4. ДСТУ 3321:2003 Система конструкторської документації. Терміни та визначення основних понять.
5. ДСТУ 3278-95 Система розроблення та поставлення продукції на виробництво. Основні терміни та визначення.
6. ДСТУ 3973-2000 Система розроблення та поставлення продукції на виробництво. Правила виконання науково-дослідних робіт. Загальні положення
7. ДСТУ 3974–2000 Система розроблення та поставлення продукції на виробництво. Правила виконання дослідно-конструкторських робіт. Загальні положення
8. ДСТУ 1.3:2004 ПРАВИЛА ПОБУДОВИ, ВИКЛАДАННЯ, ОФОРМЛЕННЯ, ПОГОДЖЕННЯ, ПРИЙНЯТТЯ ТА ПОЗНАЧАННЯ ТЕХНІЧНИХ УМОВ
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).