Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Анализ методов и средств передачи измерительной информации 1
1.1. Обзор современных распределенных измерительно- вычислительных систем 10
1.1.1. Описание предметной области 10
1.1.2. Система передачи данных медицинской информации 15
1.2. Проблемы построения медицинских информационных систем 16
1.2.1. Общие трудности построения медицинских информационных систем 16
1.2.2. Существующие решения в области телемедицинских систем
1.2.2.1. DICOM box CA - 21
1.2.2.2. DICOM box CA+ 22
1.2.2.3. DICOM box DVI 24
1.2.2.4. Mediphan MedRecorder 26
1.2.2.5. TIMS DICOM 27
1.2.2.6. Программные средства преобразования 28
1.3. Постановка задачи исследования 31
Выводы по разделу 1 33
Раздел 2. Теория универсального преобразования систем кодирования 34
2.1. Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия 34
2.1.1. Физический уровень 35
2.1.2. Уровень звена данных 36
2.1.3. Сетевой уровень 36
2.1.4. Транспортный уровень 36
2.1.5. Сеансовый уровень 37
2.1.6. Уровень представления 37
2.1.7. Прикладной уровень 38
2.2. Формализация спецификации ГИИ 39
2.2.1. Формализация уровня представления 41
2.2.2.Формализация сеансового уровня 42
2.2.3. Формализация транспортного уровня 44
2.2.4. Сетевой уровень 45
2.2.5. Уровень звена данных 47
2.2.6. Физический уровень 49
2.3. Алгоритм распознавания систем кодирования 51
2.3.1. Методики распознавания образов: преимущества и недостатки 52
2.4. Алгоритм преобразования систем кодирования 61
2.4.1.Проверка систем кодирования на совместимость 62
2.4.2. Этап преобразования систем кодирования 63
2.4.2.1. Определение последовательности преобразований 63
2.4.2.2. Сложность алгоритма преобразования 65
2.4.2.3. Поиск оптимального преобразования 67
2.4.2.4. Выполнение преобразование систем кодирования 67
Выводы по разделу 2 68
Раздел 3. Синтез гибкого интеллектуального преобразователя 69
3.1. Синтез структуры ГИИ 69
3.2. Синтез алгоритма управления ГИИ 72
3.3. Организация базы знаний преобразователя 84
Выводы по разделу 3 86
Раздел 4. Разработка машинной модели гии 87
4.1. Описание модели преобразователя систем кодирования 87
4.1.1. Описание модели передатчика 88
4.1.2. Описание работы ГИИ 92
4.1.3. Режим функционирования 94
4.1.4. Алгоритм перцептивного хэша 105
4.1.5. Режим обучения
4.2. Описание модели базы систем кодирования 115
4.3. Описание модели управления ГИИ 119
Выводы по разделу 4 122
Раздел 5. Метрологический анализгии 123
5.1. Погрешность сложных информационных пакетов в процессе преобразования 123
5.2. Экспериментальный анализ процесса преобразования систем кодирования 127
5.3. Определение оценок ГИИ 139
Выводы по разделу 5 148
Основные выводы и результаты 150
Список использованной литературы 152
- Проблемы построения медицинских информационных систем
- Сеансовый уровень
- Синтез алгоритма управления ГИИ
- Экспериментальный анализ процесса преобразования систем кодирования
Введение к работе
Актуальность темы работы. В настоящее время во многих областях науки и техники активно используются различные технологии передачи данных в виде изображений. Потребность в такой передаче существует и в медицине - количество получаемой информации от медицинских приборов постоянно увеличивается, получает распространение удаленное консультирование, хранение и обработка информации. Все это требует применения специального оборудования по транспортировке, приему и передаче специализированной сложно организованной информации.
Сложность реализации передачи данных и интеграции медицинских устройств в единую сеть лечебно-профилактического учреждения (ЛПУ) связана с возможной несовместимостью аппаратных и программных средств различных производителей. Не всегда удается наладить взаимодействие устройств даже одной фирмы-изготовителя, поскольку с течением времени меняются их модели, версии системного и прикладного программного обеспечения, форматы хранения и передачи медицинских данных. Для решения такой проблемы проводится стандартизация интерфейсов передачи этих данных. Однако, несмотря на широкое распространение стандартов и электронных систем обмена информацией, при построении медицинских информационных сетей (МИС) специалисты сталкиваются со множествами проблем:
отсутствием единых стандартов при передаче медицинской информации;
невозможностью внедрения медицинской техники в существующую сеть ЛПУ;
невозможностью создания единого информационного пространства между несколькими ЛПУ;
- появлением погрешностей и помех при передаче диагностической информации в МИС.
Решением этих проблем может стать программно-аппаратный комплекс, позволяющий делать автоматическую настройку, трансформацию передаваемых данных, ориентируясь на существующие стандарты, приводить передаваемые информационные пакеты к виду, воспринимаемому как источником, так и приемником сигнала, а также адаптироваться к пропускной способности канала связи, что создаст возможность производить подключение медицинской техники в телемедицинскую сеть. Назовем этот комплекс Гибким Интеллектуальным Интерфейсом (ГИИ).
ГИИ позволяет выполнять автоматическую настройку и трансформацию передаваемых данных, ориентируясь на существующие стандарты, приводить передаваемые информационные пакеты к виду, идентифицируемому как источником, так и приемником сигнала.
Степень разработанности темы исследования. Создание методики проектирования гибкого интерфейса сложной информационно-измерительной системы исследовал Антонович В.М. Вопросы проектирования сложных систем рассмотрены д.т.н. , профессором ВолгГТУ
Муха Ю.П. на основе алгебраической теории синтеза сложных систем. Процессы преобразования информации рассмотрены д.т.н. Путилиным А.Б. в диссертационной работе «Методы и системы преобразования информации в задачах диагностики, распознавания и управления». Вопросы передачи сложной медицинской информации рассматриваются Пьяных ОС, PhD, Computer Science, Луизианского университета. Вопросы появления артефактов при сжатии информации исследуются в диссертационной работе «Преобразование цвета при сжатии информации в процессе полиграфического воспроизведения» Син Хюн Чжу. Д.т.н. Когай Л.И. изучил вопрос преобразования информации и ее достоверности в диссертационной работе «Разработка управляемых многомерных средств преобразования для передачи информации в информационно-измерительных системах». Проблемы передачи и организации обмена информации в телемедицинских сетях исследует Сотников А.Д. в диссертации «Структурно-функциональная организация услуг телемедицины в прикладных информационно-коммуникационных системах».
Значительный вклад в теоретическое обоснование проблемы внесли фундаментальные работы Г. Хакена, Р.И. Полонникова. Вопросы анализа и оптимизации сложных систем, общие принципам анализа и параметризации многокомпонентных информационных систем изучены P.P. Луманом (Luman R.R., Johns Hopkins University APL), Д.С. Альбертсом (David S. Alberts), P. Хэйсом (Richard E.Hayes).
Целью работы является разработка гибкого интеллектуального интерфейса, обеспечивающего передачу сложно организованной информации, способного функционировать в условиях различных систем кодирования, а также адаптироваться к различным методам передачи измерительной информации.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Проведен анализ существующих решений в области передачи медицинской информации.
-
Выбран адекватный математический аппарат, позволяющий формализовать всю совокупность выполняемых интерфейсом преобразований измерительной информации и разработать методику оптимального синтеза структуры ГИИ.
-
Разработана инженерная методика синтеза ГИИ.
-
Разработаны программные модели для реализации ГИИ на базе микроконтроллерных систем.
5. Выполнен метрологический и экспериментальный анализ ГИИ.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
- Создан математический аппарат разработки ГИИ, отличающийся использованием алгебраической теории синтеза в применении к интерфейсам. Этот аппарат позволяет обосновывать практическое решение задачи проектирования ГИИ.
- Разработана методика, отличающаяся оптимальным выбором функциональных модулей
ГИИ.
Научная и практическая значимость.
-
Разработанная теория синтеза ГИИ позволяет обосновывать принятые решения при проектировании интерфейсных блоков.
-
Предложенная инженерная методика синтеза ГИИ позволяет проектировать ГИИ для решения задач с различными характеристиками.
-
Разработанные методы инженерного синтеза ГИИ при необходимости позволяют изменять структуру ГИИ, не допуская ошибок проектирования.
Методы исследования.
Теоретические исследования проведены с применением теории множеств и теории графов, объединенных в рамках алгебраической теории синтеза сложных систем и систем распознавания. Экспериментальные исследования выполнены с использованием методов машинного моделирования, технологий объектно-ориентированного и модульного программирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика алгебраического синтеза структуры ГИИ, основанная на принципах блочно-функционального распределения, даст возможность выбирать модули ГИИ с оптимальной по критерию однородности функциональной представимости.
-
Структура ГИИ, состоящая из блоков анализа и декодирования кодового слова, кодирования информационного слова, блока управления интерфейсом и базы данных с элементами систем кодирования позволит осуществить взаимодействие каналов с любыми системами кодирования медицинской информации.
Достоверность результатов основана на непротиворечивости и корректности всех теоретических выводов и положений и обеспечивается использованием современных экспериментальных методов исследования и интерпретацией полученных данных с учетом развитых к настоящему моменту представлений о технологиях передачи данных, обработки данных, нейросетевого моделирования, теории блочно-функционального распределения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на IX всероссийской научно-технической конференции Тульского государственного университета (г.Тула, 2011 г.), на первой международной научно-практической конференции (г.Прага, 2012 г.), на второй международной научно-практической конференции (г.Прага, 2013 г.), на Х международной научно-практической конференции (г.Сочи, 2013 г.), на XI международной научно-технической конференции Юго-Западного государственного университета (г.Курск, 2013 г.), на международной конференции Волгоградского государственного технического университета (г.Волгоград, 2009 г.), на XIII международной научно-технической конференции Юго-Западного государственного
университета (г.Курск, 2015г.), на семинарах Волгоградского государственного технического университета в 2014-2015 гг.
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в следующих рецензируемых журналах:
«Telecommunications and Radio Engineering», «Телекоммуникации», «Известия вузов. Приборостроение», «Известия ВолгГТУ. Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь». Всего - 14 печатных работ, из них 8 статьей в рецензируемых журналах из списка ВАК, в том числе - 1 статья в научном журнале, индексируемом в международной базе данных Scopus, 6 статей в сборниках материалов конференций и семинаров.
Соответствие паспорту специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)» по областям исследования:
Новые методы и технические средства контроля и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем.
Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты исследований, выполненных самим автором или под его непосредственным руководством. Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, разработке экспериментальных и теоретических методов их решения, в обработке, анализе, обобщении полученных результатов и формулировке выводов. Исследованы вопросы создания специализированных медицинских интерфейсов [1, 2, 5-7, 9-12], синтезирована структура гибкого интеллектуального интерфейса [3,8], произведена формализация преобразований синтаксисов сообщений [4], проанализирована применимость разработанных алгоритмов для немедицинских систем [12-14].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы, включающего 93 наименования. Основная часть работы изложена на 160 страницах машинописного текста. Работа включает 80 рисунков, 39 формул, 19 таблиц. Диссертация содержит четыре приложения.
Проблемы построения медицинских информационных систем
Проблемы взаимодействия современной медицинской техники и проблемы передачи данных, выявленные в Разделе 1, требуют скорейшего решения, так как передаваемая информация несет в себе жизненно важные сообщения. Решением обозначенных проблем является ГИИ, для проектирования которого необходимо учесть основополагающую модель взаимодействия систем OSI. Использование при разработке ГИИ данной модели позволяет третьим сторонам создавать различные аппаратные или программные средства расширения и модификации, а также создавать программно-аппаратные комплексы из продуктов разных производителей, взаимодействующих между собой. Основываясь на ГОСТ Р ИСО/МЭК 8831-99 «Информационная технология. Взаимосвязь открытых систем. Концепции и услуги передачи и обработки заданий», рассмотрим каждый из уровней системы OSI, выявим реализуемые ими функции. Произведем формализацию спецификации OSI, что упростит управление функционированием ГИИ и преобразование систем кодирования.
Организация взаимодействия между устройствами сети является сложной задачей. Для ее решения используется известный универсальный прием — декомпозиция. Декомпозиция состоит в четком определении моделей и функций каждого модуля, а также порядка их взаимодействия (то есть межмодульных интерфейсов). При таком подходе каждый модуль можно рассматривать как «черный ящик», абстрагируясь от его внутренних механизмов и концентрируя внимание на способе взаимодействия этих модулей. В результате такого логического упрощения задачи появляется возможность независимого разработки, тестирования и модификации модулей.
Наиболее эффективной концепцией, развивающей идею декомпозиции, является многоуровневый подход. После представления исходной задачи в виде множества модулей их группируют и упорядочивают по уровням, образующим иерархию. В соответствии с принципом иерархии для каждого промежуточного уровня можно указать непосредственно примыкающие к нему соседние: вышележащий и нижележащий уровни.
Такой подход дает возможность проводить разработку, тестирование и модификацию отдельного уровня независимо от других уровней. Иерархическая декомпозиция позволяет, двигаясь от более низкого уровня к более высокому, переходить ко все более и более абстрактному. Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия имеет свою специфику, связанную с тем, что в процессе обмена сообщениями участвуют, по меньшей мере, две стороны, что требует организации согласованной работы двух иерархий аппаратных и программных средств на разных устройствах, участвующих в обмене информацией. Оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений: по уровням и форме электрических сигналов, по способу определения размера сообщений, по методам контроля достоверности. Соглашения должны быть приняты на всех уровнях, начиная от самого низкого - уровня передачи битов (физического), и заканчивая самым высоким (уровнем пользователя), реализующим обслуживание пользователей сети [14].
В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации - ISO, ITU и некоторые другие - разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем OSI.
В модели OSI (Рисунок 2.1) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, уровень звена данных и физический [17]. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Физический уровень обеспечивает механические, электрические, функциональные и процедурные средства для активизации, поддержки и деактивации физических соединений, предназначенных для побитовой передачи между логическими объектами уровня звена данных. Физическое соединение может проходить через промежуточные открытые системы, каждая из которых осуществляет ретрансляцию битового потока средствами физического уровня. Логические объекты физического уровня связаны через физическую среду.
Уровень звена данных обеспечивает функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разрыва соединений уровня звена данных между сетевым и логическими объектами и для передачи сервисных блоков данных этого уровня. Соединение уровня звена данных строится на основе одного или нескольких физических соединений.
На уровне звена данных обнаруживаются и, по возможности, исправляются ошибки, которые могут возникнуть на физическом уровне. Кроме того, обеспечивается для сетевого уровня возможность управлять подключением каналов данных на физическом уровне.
В рамках сетевого уровня предоставляются средства установления, поддержания и разрыва сетевого соединения между системами, содержащими связанные прикладные логические объекты, а также функциональные и процедурные средства для обмена по сетевому соединению сетевыми сервисными блоками данных между транспортными логическими объектами.
Элементы интерфейса сетевого уровня обеспечивают транспортным логическим объектам независимость от функций маршрутизации и ретрансляции, связанных с процессами установления и функционирования данного сетевого соединения.
Все функции ретрансляции и расширенные протоколы последовательного переноса данных, которые предназначены для поддержания сетевых услуг между оконечными открытыми системами OSI, функционируют ниже транспортного уровня, т.е. на сетевом уровне или ниже.
Функции сетевого уровня обеспечивают использование различных конфигураций для поддержки сетевых соединений: от соединений, поддерживаемых двухпунктовыми сетевыми конфигурациями, до сетевых соединений, поддерживаемых сочетаниями подсетей с различными характеристиками.
Сеансовый уровень
Предположим, что все стимулы из Жист и Wпр появляются в любой последовательности, но при условии, что каждый стимул появляется повторно через некоторый конечный интервал времени. Тогда процесс обучения с коррекцией ошибок (с квантованием или без квантования подкрепления), начинающийся с произвольного исходного состояния, всегда приведет к достижению решения для C(W) в течение конечного промежутка времени.
Таким образом, рассмотренные теоремы существования решения для систем нейронных сетей применимы для ГИИ и полностью задают условия существования решений классификации. Эти условия позволяют определить требования к системе классификации в ГИИ, что дает возможность выбрать верную архитектуру этой части интерфейса.
Как следует из постановки задачи, ГИИ позволяет: выполнять автоматическую настройку; трансформировать передаваемые данные, ориентируясь на существующие стандарты; приводить передаваемые информационные пакеты к виду, идентифицируемому как источником, так и приемником сигнала.
Поэтому для эффективной работы ГИИ целесообразно учитывать специфику взаимодействия устройств в современных сетях передачи данных, опирающуюся на модель взаимодействия открытых систем - OSI. В этом случае процесс работы ГИИ можно представить блок-схемой, изображенной на Рисунке 2.4. ( Начало Проверка систем кодирования на совместимость Преобразование систем кодирования С Конец J Рисунок 2.4 - Блок-схема процесса определения и преобразования систем кодирования ГИИ Выделены этапы работы алгоритма функционирования ГИИ: 1) Этап проверки систем представления информации на совместимость. На этом этапе ГИИ анализирует при помощи тестовых пакетов, отсылаемых и приемнику, и передатчику системы кодирования информации. После получения тестовой информации происходит сравнение откликов приемника и передатчика и выполняется переход к этапу 2, если адресат и адресант сообщения имеют разные системы представления, в ином случае - окончание работы.
В случае различия систем представления информации на передатчике и приемнике система преобразований ГИИ формирует последовательность действий, необходимых для выполнения преобразования информации, и реализует данные преобразования. Опишем каждый из этапов подробнее. На данном шаге выделим действия по анализу формата входного слова и анализу формата на выходе. Для этого требуется сравнить признаки каждого из форматов в базе знаний. Структура подсистемы ГИИ имеет вид, представленный на Рисунке 2.5. Определенный синтаксис
Система анализа пришедшего слова В соответствии с этой структурой (Рисунок 2.5), последовательность действий, состоит в следующем: 1) Идентифицируется система кодирования по слову передатчика в блоке 2) Формируется запрос ГИИ по выбору тестового слова от приемника. . 3) Идентифицируется система кодирования приемника по пришедшему тестовому слову Fonp. 4) Осуществляется сравнение систем кодирования: в случае, если системы кодирования совпадают, выполняется переход к рдд, а если нет, выполнение преобразований не требуется. Таким образом, выполнение всех функций первого шага алгоритма функционирования ГИИ можно записать как: зги spas К о яр к знр К зпе \-) ) ) ) (2.13) 2.4.2. Этап преобразования систем кодирования 2.4.2.1. Определение последовательности преобразований Процесс преобразования систем кодирования можно проиллюстрировать с помощью блок-схемы (Рисунок 2.6), в соответствии с которой последовательность преобразований состоит в следующем. Рисунок 2.6 - Блок-схема преобразования пришедшего слова Блок анализа входного слова осуществляет идентификацию пришедшей информации и определяет систему представления. При этом входное слово имеет некоторую определенную структуру. Она представляет собой совокупность типовых компонентов (следования, циклов, ветвлений), количество и порядок использования которых может меняться, образуя путь на структуре слова. Целесообразной моделью такой структуры является взвешенный граф вида (2.14).
Далее блок поиска пути преобразований осуществляет выбор оптимального пути с наименьшей «стоимостью». Стоимости всех путей определены заранее в блоке анализа в зависимости от сложности преобразований. Такая модель позволяет учесть, что эти преобразования должны быть эффективными, то есть в данном случае - наименее сложными. При выборе конкретного алгоритма преобразований происходит оценка всех возможных путей преобразований и выбирается оптимальный. Для этого предлагается использовать алгоритм Дейкстры [25]. Он позволяет находить кратчайшее расстояние от одной из вершин графа, характеризующих первоначальную форму кодирования, до всех остальных вершин (вариантов кодирования приемника). Каждая возможная форма кодирования слова представляет собой вершину из множества {x1, m, b, n, l, y1}. Ребра, связывающие вершины, – это необходимые преобразования для перевода из одного кодового состояния в другое анализируемого информационного пакета. При этом каждое преобразование имеет свою сложность, а оценка сложности происходит по каждому переходу и учитывается для выбора варианта дальнейших расчетов.
Синтез алгоритма управления ГИИ
Блок-схема алгоритма работы блока управления ГИИ На Рисунке 3.7 изображен алгоритм работы блока управления ГИИ. Штрихованным контуром выделен блок управления функциями запроса систем кодирования приемника и передатчика, состоящий из четырех частей: блока определения систем кодирования, блока поиска и выполнения преобразований, блока проверки и корректировки артефактов. Алгоритм управления составлен на основе графа (3.7). Главной задачей блока управления ГИИ является четкое определение ситуации работы ГИИ и своевременное выполнение функции, соответствующее данной ситуации. Опишем работу каждого блока. Блок управления направляет запросы о системах кодирования приемнику и передатчику, то есть выполняет управление функциями запроса систем кодирования. В случае непосредственной разработки система кодирования задается оператором. Запросом источника сигнала является пересылаемое сообщение.
Опишем работу блока при помощи логической функции: {Капрпер К 2 и F P FaHam32) (3.8) Выражение состоит из двух частей, каждая из которых описывает работу двух циклов на шаге 2-4 (Рисунок 3.7). запрпер , Fанализ2 , запрпер , Fанализ1 обозначают соответствующие функции блоков шага 2-3 (Рисунок 3.7). В любой момент функционирования системы на текущем этапе функция F 1 выдает результат. Блок управления определением систем кодирования выполняет управление функциями распознавания и сравнения систем кодирования. Распознавание систем кодирование включает запрос к нейронной сети блока управления и дальнейшее сравнение полученного результата с системой кодирования приемника. Опишем работу блока при помощи логической функции:
Выражение состоит из двух частей, каждая из которых описывает работу двух циклов на шаге 5-8 (Рисунок 3.7). Fсрв, Fанализ4, Fопрс, анализ3 обозначают соответствующие функции блоков шага 5-8 (Рисунок 3.7). В любой момент функционирования системы на текущем этапе функция Fу 2 пр выдает результат. Блок управления координирует последовательность выполнения функций поиска алгоритма преобразования, выбора оптимального преобразования и его выполнения. Поиск осуществляется в БД ГИИ. В случае, если результатом поиска служит два или более алгоритма, блок управления ГИИ направляет запрос на выбор оптимального алгоритма при помощи выполнения оценок каждого из них. По выбранному оптимальному алгоритму блок управления ГИИ определяет список необходимых функций преобразований и последовательно их вызывает. Представим работу блока при помощи логической функции:
Кпр = FопалnFанализ6 nFвыппре обр nFанализ n(Fпалг nFанализl F r,Fанализi) j F F пр Fанализ
Выражение состоит из трех частей, каждая из которых описывает работу циклов на шаге 9-11 (Рисунок 3.7). Fопал, Fанализ5 , выппр, Fанализ6 , Fпалг, анализ7 обозначают соответствующие функции блоков шага 9-11 (Рисунок 3.7). В любой момент функционирования системы на текущем этапе функция F у п р выдает результат. Уравнение общей функции управления имеет вид: упр = упр у 2 пр пупр uF упр oF упр nупр JF упр OF упр niупр (3.11) Математическое выражение (3.11) составлено таким образом, что в любой момент времени система функционирует, и один из трех блоков, описанных выше, выдает положительный результат. Развернутое описание каждого блока приводится в Разделе 4. 3.3. Организация базы знаний преобразователя Для хранения вариантов возможных преобразований в структуру ГИИ, как было указано ранее, необходимо включить Базу Данных (БД). БД обязана хранить все варианты входного и выходного форматов. По заранее определенным форматам входного и выходного сообщений формируется запрос на необходимые действия по преобразованию входного сообщения в соответствии с требуемой формой выходного сообщения.
В настоящее время наиболее часто применяются две модели реализации БД: реляционная и объектно-ориентированная [27]. Для непосредственной реализации БД выбрана реляционная модель, так как структура взаимоотношений между хранимыми данными определена заранее и имеет выраженную четкую структуру. Кроме этого, данная модель БД является промышленно развитой, то есть наиболее адаптированной к современным программным средствам в отличии от объектно-ориентированной модели [28].
Реляционной модели соответствует набор файлов или отношений, взаимосвязанных друг с другом. Взаимосвязь файлов организуется системой первичных и внешних ключей. В реляционной модели первую часть составляют отношения, вторую часть - система ключей (первичных и внешних), третью часть - операторы реляционного вида (объяснение, соединение, и т. д.).
Для реализации БД сначала необходимо осуществить инфологическое проектирование [2], для этого составляется концептуальная схема БД: 1:n n:1 Рисунок 3.8 - Концептуальная схема БД ГИИ В соответствии с концептуальной схемой БД [27] (Рисунок 3.13) осуществляется переход к реляционной модели данных [65]: 1) Таблица «Формат Входа» определяет возможные форматы входного сообщения. Формат входа имеет вид (Id_Ф_Вх, Наименование). PK= Id_Ф_Вх. 2) Таблица «Формат Выхода» определяет возможные форматы выходного сообщения. Формат выхода имеет вид (Id_Ф_Вых, Наименование). PK= Id_Ф_Вых. 3) Таблица «Операция» определяет все варианты необходимых для преобразования операций. Операция представляется следующим образом (Id_операции, Наименование операции). PK= Id_операции. 4) Таблица «Список соответствий форматов» определяет все возможные соответствия между входными и выходными форматами. Список операций соответствия (Id_Вх_Вых, Id_Ф_Вх, Id_Ф_Вых). PK= Id_Вх_Вых; FK= Id_Ф_Вх ссылается на Формат Входа; FK= Id_Ф_Вых ссылается на Формат Выхода. Для реализации связи многие-ко-многим между таблицами «Операция» и «Список соответствий форматов» необходимо добавить стыковочную таблицу «Список операций».
Таблица «Список операций» стыковочная. Список операций соответствия между таблицами «Операции» и «Список соответствий форматов». (Id_преобразования, Id_Вх_Вых, Id_операции, Очередность операции). PK= Id_преобразования; FK= Id_Вх_Вых ссылается на Список соответствий форматов; FK= Id_операции ссылается на Операции.
Экспериментальный анализ процесса преобразования систем кодирования
Алгоритм работы режима обучения (Рисунок 4.20) состоит в последовательном обучении каждого нейрона нейронной сети по методу обучения с учителем. Для этого на первом этапе пользователь обязан выбрать номер обучаемого нейрона. Далее на выбор учителю предоставляется список распознаваемых ГИИ форматов файлов, один из которых требуется выбрать. Требуется обучить нейронную сеть распознавать выбранный формат. Если нейронная сеть срабатывает не верно, то учитель понижает весовые коэффициенты нейронной сети и повторяет распознавание еще раз. Процесс обучения проходит до тех пор, пока сеть не будет выдавать желаемый результат.
При выполнении функции Training() пользователю на графической форме (Рисунок 4.21), содержащей два окна для вывода программных сообщений, кнопки «Открыть», «Не верно» и «Очистка» для выполнения действий открытия тестового файла, корректировки весов нейронной сети и очистки диалоговых окон соответственно, необходимо по нажатию кнопки «Открыть» задать тестовый файл с заранее известным форматом при помощи выпадающего списка «Эталонное входное сообщение» (Рисунок 4.22), а также номер обучаемого нейрона в соответствующем окне (Рисунок 4.23).
Форма задания номера обучаемого нейрона В случае срабатывания одного из нейронов сети в диалоговом окне программы (Рисунок 4.24) появится сообщение с указанием номера сработавшего нейрона. В ином случае будет показано сообщение с отсутствием срабатывания нейрона (Рисунок 4.25).
Если эксперт, обучающий нейронную сеть считает, что обучаемый нейрон сработал неверно, то нажимает кнопку коррекции «Неверно», по нажатию которой происходит коррекция весов нейронной сети. Цикл с обучением требуется повторять до тех пор, пока не будет достигнут необходимый результат.
Преобразования, выполняемые после нахождения оптимального пути при помощи алгоритма Дейкстры, как было указано в Разделе 2, должны быть внесены заранее в базу знаний преобразований, хранящую все возможные варианты трансформации первоначальной формы информации к заранее известным формам кодирования, которую можно представить следующим образом:
Содержит следующие поля: поле с идентификационным номером преобразования, поле с идентификационным номером таблицы «Вход_выход», являющимся внешним ключом таблицы «Вход_выход», поле с идентификационным номером операции, являющееся внешним ключом для таблицы «Операции» и поле, указывающее очередность операции.
Таблица «Вход_Выход» является стыковочной таблицей между таблицами «Формат входа» и «Формат выхода», для обеспечения возможности сочетания форматов входного файла и требуемого формата на выходе (Рисунок 4.30).
Таблица «Вход_Выход» содержит следующие столбцы: столбец с идентификационным номером записи, столбцы с идентификационными номерами таблиц «Формат входа» и «Формат выхода».
Для определения реальных процедур преобразований необходимо выделить схожие действия преобразований, выполняемых в выбранных нами форматах (JPEG, PNG, BMP, GIF, TIFF). Для этого опишем структуру каждого из файлов и выделим действия для их кодирования/декодирования.
Таким образом, в Приложении к Разделу 3 были проанализированы выбранные форматы. Несмотря на большие отличия в алгоритмах обработки рассмотренных форматов файлов, следующим шагом необходимо выделить схожие действия во всех алгоритмах и составить единую базу знаний.
Как упоминалось в Разделе 3, в соответствии с блок-схемой работы ГИИ составлен граф (3.3), на котором распределены подфункции алгоритма ГИИ. При этом функции блока управления ГИИ на графе (4.1) реализуются вершиной Fупр. В Разделе 3 был построен граф (3.7), отображающий оптимальную функциональную распределенность блока управления вышеописанных функций по модулям структуры алгоритма управления. Для каждого узла из минимального устойчивого множества оптимизированного графа (3.7) составим алгоритм выполнения функций, на основе которого произведем преобразования методом БФР. Таким образом, алгоритм управления состоит из трех крупных модулей: блок управления, выполняющий функции запроса систем кодирования приемника и передатчика и проверки на безошибочное преобразование; блок определения систем кодирования и сравнения систем кодирования; 120 блок поиска алгоритма преобразования. На основании сделанных выводов построим общий алгоритм системы управления (Рисунок 4.31): Рисунок 4.31 - Алгоритм работы блока управления ГИИ После выполнения любого блока действий выполняется проверка произведенного действия. Проверка производится по специальному информационному пакету, изображенному на Рисунке 4.32. Номер функции Метка о начале выполнения блока Метка об окончании выполнения блока