ЦИФРОВЕ ОБРОБЛЕННЯ СИГНАЛІВ ТА ЗОБРАЖЕНЬ

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Рівень вищої освіти	Перший (бакалаврський)

Галузь знань	12 Інформаційні технології
Спеціальність	126 Інформаційні системи та технології. Спеціалізація — інтегровані інформаційні системи
Освітня програма	Цифрове оброблення сигналів та зображень
Статус дисципліни	Професійної та практичної підготовки (за вибором студентів)
Форма навчання	очна(денна)
Рік підготовки, семестр	3 курс, осінній семестр
Обсяг дисципліни	3,5 кредити, 105 годин
Семестровий контроль/ контрольні заходи	МКР, Залік
Розклад занять	http://rozklad.kpi.ua
Мова викладання	Українська
Інформація про керівника курсу / викладачів	Лектор, практичні: ст. викладач кафедри АУТС Моргаль Олег Михайлович, m_olegm@ukr.net, тел. +38(044)204-94-31
Розміщення курсу	https://campus.kpi.ua

Програма навчальної дисципліни

Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Предмет навчальної дисципліни: аналіз, математичне та цифрове представлення і обробка фізичних процесів, що змінюються у часі.

Міждисциплінарні зв’язки. Кредитний модуль в структурно-логічній схемі програми підготовки фахівців освітнього ступеня «бакалавр» має зв’язок з наступними кредитними модулями робочого навчального плану, а саме: вища математика (методи лінійної алгебри, теорія матриць, диференційне та інтегральне числення, теорія функцій комплексного змінного), теорія інформації та кодування, основи теорії інформаційних процесів; програмування та обчислювальні методи; математичні основи теорії систем; основи системної інженерії.

Метою навчальної дисципліни є підготовка висококваліфікованих фахівців, які володіють методами побудови оптимальних систем обробки цифрової інформації, вміють виконувати як моделювання, так і розробку таких систем на основі отриманих теоретичних результатів.

Основні завдання навчальної дисципліни

Згідно з вимогами освітньо-наукової та освітньо-професійної програм студенти після засвоєння навчальної дисципліни мають продемонструвати такі результати навчання.

Знання:

ролі та місця теорії цифрової обробки сигналів та зображень при створенні різноманітних систем управління;
основних принципів застосування Z перетворення;
основних принципів застосування перетворення Фур’є;
основних принципів застосування дискретного перетворення Фур’є;
алгоритмів побудови нерекурсивних фільтрів;
алгоритмів побудови рекурсивних фільтрів;
основних методів цифрової фільтрації;
основних методів кодування зображен;
основних методів обробки мовних і аудіосигналів;
побудову і застосування пристроїв комп’ютерних систем обробки зображень;

побудову і застосування цифрових процесорів обробки сигналів.

Уміння:

застосовувати математичний аппарат цифрової обробки для проектування цифрових пристроїв;
виконувати перетворення Фур’є;
виконувати дискретне перетворення Фур’є;
застосовувати основні методи цифрової фільтрації;
виконувати оптимальну обробку мовних і аудіосигналів;
застосовувати основні методи кодування зображень;
впроваджувати оптимальні методи обробки зображень.

Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Пререквізити- студент повинен мати базові знання з таких дисциплін, як — вища математика (методи лінійної алгебри, теорія матриць, диференційне та інтегральне числення, теорія функцій комплексного змінного), спецрозділи математики, дискретна математика, теорія ймовірностей та матстатистика, основи системної інженерії, основи программування.

Постреквізити - Після проходження дисципліни студенти зможуть використати отримані знання при вивченні наступних дисциплін - еорія автоматичного управління, цифрові системи, оптимальні та адаптивні системи, , надійність та діагностика, проектування систем управління, комп‘ютерні методи дослідження та аналіз даних, комп‘ютерне моделювання

Зміст навчальної дисципліни

Семестр	Всього кред.	Всього годин	Розподіл по видах занять	Семестр. атест.
			Лекції	Лабораторні	Сам. робота

Денна 5 сем.	3,5	105	36	18	51	МКР,залік

Найменування розділів, тем	Розподіл навчального часу
	всього	лекц.	практ.	Лаб.	Індив.	СРС
Семестр 5
Розділ 1 Цифрова обробка сигналів
Тема 1.1 Математичний аппарат цифрової обробки.	22	6		8		8
Тема 1.2 Фільтри	18	6		4		8
Тема 1.3 Цифрова фільтрація	17	6		2		9
Розділ 2 Цифрова обробка зображень
Тема 2.1 Методи кодування зображень	10	6				4
Тема 2.2 Обробка мовних та аудіосигналів	15	4		2		9
Тема 2.3 Обробка зображень	15	4		2		9
Тема 2.4 Цифрові процесори обробки сигналів.	8	4				4
Всього в семестрі	105	36		18		51

Перелік основних тем, що входять до програми вивчення дисципліни “Дослідження операцій”:

Розділ 1 . Цифрова обробка сигналів

Тема 1.1 Математичний апарат цифрової обробки***.***

Типи сигналів. Зв’язок між сигналами різних типів.

Основи Z перетворення. Основні властивості прямого z перетворення. Теорема про комплексну згортку. Обернене z перетворення.

Перетворення Фур’є. Дискретне перетворення Фур’є(ДПФ).

Властивості ДПФ.Багатовимірне ДПФ.Алгоритми швидких перетворень Фур’є.

Тема 1.2 Фільтри.

Алгоритм з проріжуванням за часом. Алгоритм з проріжуванням за частотою. Дискретні та цифрові фільтри. Пристрій цифрової обробки сигналів. Лінійні аналогові фільтри.

Лінійний дискретний фільтр.Цифрові фільтри.

Переваги пристроїв ЦОС у порівнянні з пристроями аналогової обробки та дискретними системами, які реалізуються на аналогових елементах.Передаточни функції фільтрів. З’єднання фільтрів. Приклади побудови цифрових фільтрів.

Реалізаціонні характеристики фільтрів. Стійкість фільтрів.Перший критерій стійкості. Частотні характеристики фільтрів.Основні етапи проектування нерекурсивних фільтрів. Критерій апроксимації.

Проектування рекурсивних цифрових фільтрів(РЦФ).Метод білінійного перетворення. Стійкість лінійних рекурсивних фільтрів. Мінімізація середньоквадратичної помилки за Штейгніцем.

Тема 1.3 Цифрова фільтрація.

Цифровий аналіз і відновлення параметрів сигнала. Цифрові радіоприйомні пристрої(ЦРПП). Процес формалізації задачі кодування.

Розділ 2 . Цифрова обробка зображень

Тема 2.1 Методи кодування зображень.

Основні методи кодування зображень.

Вторинні описи зображення.Алгоритм попередньої обробки.

Тема 2.2 Обробка мовних та аудіосигналів.

Обробка мовних і аудіосигналів. Основні властивості мовних мовних сигналів.Стискання мовних сигналів. Стискання аудіосигналів. Психоакустична модель сприйняття звуку. Стискання аудіосигналів відповідно до стандартів ISO/MPEG.

Тема 2.3 Обробка зображень.

Пристрої комп’ютерних систем обробки зображень. Попередня обробка інформації. Лінійна фільтрація зображень. Придушування шумів і згладжування. Стискання напівтонових чорно-білих та кольорових зображень. Кодування зображень з частковою втратою інформації.

Тема 2.4 Цифрові процесори обробки сигналів.

Цифрові процесори обробки сигналів(ЦПОС). Загальна характеристика ЦПОС. МАС – операція та інші операції обробки даних ЦПОС.

Навчальні матеріали та ресурси

4.1 Основна література

1. Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов. Справочник. -

М.: Радио и связь, 1985.

2. Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов. Учебник для ВУЗов. М. Радио и связь. 1990.

3. Опенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов.-М.:Связь

1979.

4. Шрюфер Е. Цифрова обробка дискретизованих сигналів.-К.: Либ1дь,

1992, 1995.

5. Бондарев В. и др. Цифровая обработка сигналов : методы и средства. Учебн. пособие для вузов.-Севастополь.:Изд-во СевГТУ, 1999.

6. В.П.Бабак та інш. Обробка сигналів: Підручник.- К: Либідь, 1996.

7. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Учебник для ВУЗов.-М.: Питер, 2002.

8. Солонина А.И. и др. Основы цифровой обработки сигналов : Курс лекций.-СПб.: БХБ-Петербург, 2003.

9. Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов : практический подход.-М.: Вильямс, 2004.

4.2 Додаткова література

1. Голд Б., Рейдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов.радио, 1983.

2. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. в 2-х т.- М.: Мир, 1982.

3. Цифровая обработка сигналов: опыт использования персональных

ЭВМ.-К.:Техника, 1991.

4. Бутаков Е.А. и др. “Обработка изображений на ЄВМ. М.: Радио и связь,

1987.

5. Путятин Е. П., Аверин С.И.Обработка изображений в робототехнике.-

М.: Машиностроение, 1990.

Навчальний контент

Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

5.1 Лекцiйнi заняття:

Розділ 1 . Цифрова обробка сигналів

Тема 1.1 Математичний аппарат цифрової обробки***.***

Лекція 1. Вступ.Типи сигналів.Зв’язок між сигналами різних типів.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [6, стор. 14-17]; [7, стор. 23-42]; дати відповіді на контрольні запитання [6, стор. 214].

Лекція 2. Перетворення Фур’є. Дискретне перетворення Фур’є(ДПФ).

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [6, стор. 21-45]; [7, стор. 54-67]; дати відповіді на контрольні запитання [6, стор. 214].

Лекція 3. Властивості ДПФ.Багатовимірне ДПФ.Алгоритми швидких перетворень Фур’є.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [6, стор. 175-194]; [7, стор. 67-95]; дати відповіді на контрольні запитання [6, стор. 95].

Тема 1.2 Фільтри.

Лекція 4. Алгоритм з проріжуванням за часом. Алгоритм з проріжуванням за частотою. Дискретні та цифрові фільтри. Пристрій цифрової обробки сигналів. Лінійні аналогові фільтри.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [6, стор. 200-226]; [7, стор. 214-215]; дати відповіді на контрольні запитання [6, стор. 226].

Лекція 5. Лінійний дискретний фільтр.Цифрові фільтри.

Завдання на СРС Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [6, стор. 214-215]; [7, стор. 217-235]; дати відповіді на контрольні запитання [6, стор. 214].:

Лекція 6. Переваги пристроїв ЦОС у порівнянні з пристроями аналогової обробки та дискретними системами, які реалізуються на аналогових елементах.Передаточни функції фільтрів. З’єднання фільтрів. Приклади побудови цифрових фільтрів.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [6, стор. 275-290]; [7, стор.235-241]; дати відповіді на контрольні запитання [6, стор. 290].

Лекція 7. Реалізаціонні характеристики фільтрів. Стійкість фільтрів.Перший критерій стійкості. Частотні характеристики фільтрів. Основні етапи проектування нерекурсивних фільтрів. Критерій апроксимації.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [6, стор. 290-312]; [7, стор. 54-85]; дати відповіді на контрольні запитання [6, стор. 312].

Лекція 8. Проектування рекурсивних цифрових фільтрів (РЦФ). Метод білінійного перетворення. Стійкість лінійних рекурсивних фільтрів. Мінімізація середньоквадратичної помилки за Штейгніцем.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [6, стор. 78-94]; [7, стор. 35-56]; дати відповіді на контрольні запитання [6, стор. 94].

Тема 1.3 Цифрова фільтрація.

Лекція 9. Цифровий аналіз і відновлення параметрів сигнала. Цифрові радіоприйомні пристрої(ЦРПП). Процес формалізації задачі кодування.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [6, стор. 320-331]; [7, стор. 267-278]; дати відповіді на контрольні запитання [6, стор. 331].

Розділ 2 . Цифрова обробка зображень

Тема 2.1 Методи кодування зображень.

Лекція 10. Основні методи кодування зображень.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [8, стор. 15-22]; дати відповіді на контрольні запитання [8, стор. 22].

Лекція 11-12. Вторинні описи зображення. Алгоритм попередньої обробки.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [8, стор. 22-32]; дати відповіді на контрольні запитання [8, стор. 32].

Тема 2.2 Обробка мовних та аудіосигналів.

Лекція 13-14. Обробка мовних і аудіосигналів. Основні властивості мовних мовних сигналів. Стискання мовних сигналів. Стискання аудіосигналів. Психоакустична модель сприйняття звуку. Стискання аудіосигналів відповідно до стандартів ISO/MPEG.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [8, стор. 113-122];; дати відповіді на контрольні запитання [8, стор. 122].

Тема 2.3 Обробка зображень.

Лекція 15. Пристрої комп’ютерних систем обробки зображень. Попередня обробка інформації.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [8, стор. 77-93];; дати відповіді на контрольні запитання [8, стор. 93].

Лекція 16 Лінійна фільтрація зображень. Придушування шумів і згладжування. Стискання напівтонових чорно-білих та кольорових зображень. Кодування зображень з частковою втратою інформації.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [8, стор. 55-64];; дати відповіді на контрольні запитання [8, стор. 64].

Тема 2.3 Цифрові процесори обробки сигналів.

Лекція 17. Цифрові процесори обробки сигналів (ЦПОС). Загальна характеристика ЦПОС.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [8, стор. 153-160];; дати відповіді на контрольні запитання [8, стор. 160];

Лекція 18. МАС – операція та інші операції обробки даних ЦПОС.

Завдання на СРС: Ознайомитись з теоретичним лекційним матеріалом [8, стор. 195-224]; дати відповіді на контрольні запитання [8, стор. 224];

5.2 Лабораторні заняття

Основна мета виконання лабораторних робіт – закріплення теоретичних знань та отримання практичних навичок по роботі з аналоговими, дискретники та цифровими сигналами

Лабораторні роботи проходять у формі комп’ютерного практикуму. Основним завданням циклу лабораторних занять є проведення експериментальних досліджень за відповідною тематикою на моделях цифрових систем обробки інформації, що розроблені з використанням програмних комплексів SignalJ та MATLAB/Simulink. закріплення теоретичних знань та отримання практичних навичок по роботі з аналоговими, дискретники та цифровими сигналами.

Розділ 1 . Цифрова обробка сигналів

Тема 1.1 Математичний аппарат цифрової обробки***.***

Лабораторна робота № 1 - Інтерполяція та апроксимація даних. - 4 год.

Лабораторна робота № 2 - Ряд Фур`є. - 4 год.

Лабораторна робота № 3 - Дискретне перетворення Фур’є(ДПФ) та швидке перетворення Фур’є(ШПФ) - 4 год.

Тема 1.2 Фільтри.

Лабораторна робота № 4 - Не рекурсивні цифрові фільтри(НРЦФ). - 4 год.

Лабораторна робота № 5 - Рекурсивні цифрові фільтри(РЦФ). – 4 год.

Тема 1.3 Цифрова фільтрація.

Лабораторна робота № 6 - Дифференціювання та інтегрування сигналів- 4 год.

Розділ 2 . Цифрова обробка зображень

Тема 2.3 Обробка зображень.

Лабораторна робота № 7 - Цифрова обробка зображень. Первинні методи кодування зображень- 4 год.

Лабораторна робота № 8 - Цифрова обробка зображень. Вторинні методи обробки зображень- 4 год.

5.3 Модульна контрольна робота

Контрольна робота виконується студентами перед отриманням заліку. До її складу включають наступні теми та питання з Розділів 1, 2 :

Типи сигналів. Зв′язок між сигналами різних типів
Основи Z перетвореня
Основні властивості прямого z перетворення
Теорема про комплексну згортку. Обернене z-перетворення
Перетворення Фур′є
Дискретне перетворенняе Фур′є (ДПФ)
Властивості ДПФ
Багатовимірне ДПФ
Алгоритми швидких перетворень Фур′є (ШПФ)
Алгоритм з проріжуванням за часом
Алгоритм з проріжуванням за частотою
Пристрій цифрової обробки сигналів.
Лінійні аналогові фільтри
Лінійний дискретний фільтр
Цифрові фільтри
Переваги пристроїв ЦОС у поірвнянні з пристроями аналогової обробки та дискретними системами, які реалізуються на аналогових елементах..
Передаточні функції фільтрів
З′єднання фільтрів
Приклади побудови цифрових фільтрів
Реалізаціонні характеристики фільтрів
Стійкість фільтрів. Перший критерій стійкості
Частотні характеристики фільтрів
Основні етапи проектування нерекурсивних фільтрів
Критерій проксимації
Проектування рекурсивних цифрових фільтрів (РЦФ)
Метод білінійного перетворення
Стійкість лінійних рекурсивних фільтрів
Мінімізація середньоквадратичної помилки за Штейгніцем
Цифровий аналіз і відновлення параметрів сигнала
Цифрові радіоприйомні пристрої (ЦРПП)
Обробка мовних і аудіосигналів
Основні властивості мовних сигналів
Стискання мовних сигналів
Стискання діосигналів
Психоакустична модель сприйняття звуку

Стискання аудіосигналів відповідно до стандартів ISO/MPEG

Процес формалізації задачі кодування
Основні методи кодування зображення
Вторинні описи зображення
Алгоритм попередньої обробоки

Пристрої комп′ютерних систем обробки зображень
Попередня обробка інформації
Лінійна фільтрація зображень
Придушування шумів і згладжування
Стискання напівтонових чорно-білих та кольорових зображень
Кодування зображень з частковою втратою інформації
Цифрові процесори обробки сигналів (ЦПОС)
Загальна характеристика ЦПОС
MAC – операція та інші операції обробоки даних ЦПОС
Організація пам′яті ЦПОС і режими адресації
Реалізація алгоритмів цифрової фільтрації

Самостійна робота студента

У процесі виконання індивідуальних завдань студенти повинні закріпляти знання, отримані під час лекцій та самостійної роботи, самостійно вивчати визначені теми, поглиблювати свої знання для подальшого навчання .

У якості індивідуальних завдань можуть розроблятися окремі питання учбових тем, огляди специфічних методів вимірювань, використання методів та засобів як створення так і обробки різних типів сигналів та зображень, сфери їх використання та інше.

Самостiйна робота студентiв заключається в наступному:

пiдготовцi до лекційних занять по вивченню попереднього лекційного матеріалу;
виконанням лекційних завдань на СРС;
підготовки до лабораторних робіт з вивченням теорії лабораторного заняття з усною відповіддю на наведені питання розділу;
виконанням з оформленням на кожне лабораторне заняття протоколу по попередній темі.

Контроль знання на лабораторних заняттях здiйснюється шляхом перевiрки домашнiх завдань, опитування, а також через виконання модульних контрольних робiт.

Політика та контроль

Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Всі студенти повинні відвідувати лекційні та лабораторні заняття, на яких потрібно активно працювати над засвоєнням вивчаємого навчального матеріалу. За об’єктивних причин (наприклад - хвороба, міжнародне стажування) навчання може відбуватись в он-лайн формі індивідуально за погодженням із керівником курсу.

Всі індивідуальні лабораторні роботи потрібно розрахувати і у вигляді окремого файлу надати викладачеві на наступному після видачі лабораторному занятті. Практичні результати виконання лабораторної роботи потрібно підтвердити знанням теоретичного матеріалу за темою при захисті.

Політика щодо дедлайнів та перескладання:

Роботи, які здаються із порушенням термінів без поважних причин, оцінюються на нижчу оцінку. Перескладання модулів відбувається із дозволу деканату за наявності поважних причин (наприклад, лікарняний).

Політика щодо академічної доброчесності:

Усі письмові роботи перевіряються на наявність плагіату і допускаються до захисту із коректними текстовими запозиченнями не більше 20%. Списування під час контрольних робіт заборонені (в т. ч. із використанням мобільних пристроїв).

Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Рейтинг студента з дисципліни складається з балів, що він отримує за:

виконання та захист 8 лабораторних робіт;
оцінка модульної контрольної роботи;
усна відповідь на заліку.

Система рейтингових (вагових) балів та критерії оцінювання

1. Лабораторні роботи

Ваговий бал – 7. Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи дорівнює 7балів х 8 = 56 бали.

Критерії оцінювання лабораторної роботи:

підготовка до роботи – 1бал,
виконання лабораторної роботи – 3бали;
оформлення та захист роботи – 3бали.

2. Контрольна робота

Залікова контрольна робота складається з 4 питань. Кожне правильно розв’язане питання дає 7 балів.

Ваговий бал – 28. Максимальна кількість балів дорівнює

7 балів х 4 = 28 балів.

3. Усна відповідь на заліку.

Правильний захист кожного з 4-х теоретичних питань дає 4 бали :

4 бали х 4 = 16 балів

4. Штрафні та заохочувальні бали за:

відсутність на лабораторному занятті без поважної причини –2 бали;
несвоєчасний (пізніше ніж на 2 заняття) захист лабораторних робіт –3

бала;
виконання завдань із удосконалення дидактичних матеріалів з

дисципліни надається від 5 до 10 заохочувальних балів.

Розрахунок шкали (R) рейтингу:

Сума вагових балів контрольних заходів протягом семестру складає:

R_С = 56 + 28 + 16 = 100 балів.

Таким чином, рейтингова шкала з дисципліни складає R = R_С = 100 балів.

Необхідною умовою допуску до заліку є зарахування всіх лаборторних робіт, а також стартовий рейтинг (r_C) не менше 30 % від R_С, тобто 30 балів.

Для отримання студентом відповідних оцінок (ECTS та традиційних) його рейтингова оцінка RD переводиться згідно з таблицею:

Кількість балів	Оцінка
100-95	Відмінно
94-85	Дуже добре
84-75	Добре
74-65	Задовільно
64-60	Достатньо
Менше 60	Незадовільно
Не виконані умови допуску	Не допущено

Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):

Складено ст. викладач, Моргаль Олег Михайлович

Ухвалено кафедрою АУТС (протокол № 1 від 27.08.2020 р.)

Погоджено Методичною комісією факультету[1] (протокол № 1 від 02.09.2020 р.)

[1] Методичною радою університету – для загальноуніверситетських дисциплін.