Устройство для определения дисперсии коэффициентов Хаара Советский патент 1984 года по МПК G06F17/18 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть применено в системах автоматики для определения основных статистических харатеристик коэффициентов разложения стацийнарного случайного поля двух переменных в базисе функций Хаара.

По ОСНОВНОМУ авт.св. 942042 известно устройство для определения дисперсии коэффициентов Хаара, содержащее .(п-1) (,4,5,.. .т+1) суммато ров, дополнительный вычитатель и матрицу из п(п-1)/2 блоков регистров, каждый из которых соедержит по четыре последовательно соединенных регистра сдвига, каждая 1-я строка матрицы (,2,3,.,.,т) содержит (п-1) блоков регистров, каждый j-й столбец матрицы (,...,m) содержит j блоков регистров, при этом выход элемента, И через последовательно соединенные усреднитель и блок запоминания подключен к входу вероятностного дисперсиометра, выход которого соединен с информационными входами перВьСс регистров каждой строки, информационные выходы блока регистров j-ro столбца i- и строки, за исключением последнего блока регистров,под- ключены к соответствующим информационным входам блока регистров (J+1)-го столбца i-й строки, первый и второй информационные выходы последнего блока регистров каждой строки соединены с первым и вторым входами соответствующего сумматора, выход Которого подключен к первому входу соответствующего вычитателя, второй и третий входы которого соединены с третьим и четвертым информационными выходами блока регистров соответствующей строки, пятые информационные выходы (п-1)го и (п-2)-го блоков регистров первой стгроки подключены к первому и второму входам дополнительного вычитателя, пятый информационный выход блока регистров (1+1)-й строки j-ro столбца соединен с пятым информационным входом блока регистров i-й строки, шестой информационный выход (п-If-ro блока регистров первой строки подключен к шестому инфррмацион ному входу (п-2)-го блок а регистров первой строки, управляющие входы блоков регистров соединены с соответствующими выходами блока управления, выходы вычитателей и дополнительного вычитателя являются выходами устройства.

Блок управления содержит генерато тактовых импульсов, делитель частоты счетчик иьшульсов матрицы и К идентичных каналов, каждый из которых , состоит из счетчика импульсов строк, счетчика импульсов столбцов и блока элементов И, при этом первый выход генератора тактовых импульсов через

делитель частоты подключен к счетчику импульсов матрицы, выходы которого являются соответствующими выходами блок4, второй выход генератора тактовых импульсов соединен с входами счетчика импульсов строк и счетчика импульсов столбцов выходы которых подключены к первому и второму входам блока элементов И соответствующего канала, выходы блока элементов И объединены и являются первым выходом блока управления..

Устройство предназначено для определения дисперсии коэффициентов разложения стационарного случайного поля двух переменных в базисе функций Хаара по дискретным значениям поля в узлах прямоугольной сетки, наложенной на некоторую область flj.

Однако известное устройство обладает малым быстр одействием из-за того, что повторяется вычисление одних и тех же .величин.

Цель изобретения - повышение .. быстродействия определения дисперсий коэффициентов Хаара.

Поставленная цель достигается тем что в устройстве для определения дисперсии коэффициентов Хаара выход второго регистра блока регистров j-ro столбца (,2,...,т)-й строки (1 1,2,....,т) матрицы блоков регистров соединен с входом третьего регистра блока регистров (j+l)-ro столбца и i-й строки и вторым входом первого регистра блока регистров (j+l)-ro столбца (1+1)-и строки, второй вход четвертого регистра блокарегистров j-ro столбца 1-й строки, кроме первой, матрицы блоков регистров соединен с входом первого регистра блока регистров (j+l)-ro столбца j-й строки, кроме первой, и в первой строке матрищл .блоков регистров выход четвертого регистра блока регистров j-ro столбца соединен с входом первого регистра блока регистров (j+1)го столбца матрицы блоков регистров.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого устройства;на фиг. 2 структура блока управления; на фиг.Зматрица, поясняющая принцип работы устройства.

Устройство для определения дисперсии содержит блок 1 регистров, сум маторы 2, вычитатели 3, отдельный вычитатель 4, вероятностный дисперсиометр 5, блок 6 запоминания, усреднитель 7, элемент И 8 и блок 9 управления, состоящий из генератора,10 тактовых импульсов (ГТИ), делителя 11 частоты, счетчика 12 импульсов матрицы, счетчика 13 импульсов строк блока 14 элементов И и счетчика 15 импульсов столбцов.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства в статике.

Устройство для определения дисперсии вьшолнено в виде матрицы, котора содержит п(п-1)/2 блоков 1 регистров (на фиг. 1 рассмотрен случай, когда . Каждый блок 1 регистров содержит по четыре соединенных между собо регистра сдвига, В каждой 1-го строк матрица содержит (n-.l) последовательно соединенных между собой четырьмя связями блоков 1 регистров, В Каждом j столбце содержится по j блоков 1 регистров, связанных меяоду собой. Первые.четыре входа каждого блока 1 регистров матрицы регистров соединены с выходами блока 9 управления, а один из выходов первого, самого в верхнего регистра сдвига (п-1) столбца первой строки и один из входов четвертого регистра (п-2) столбца . первой строки матрицы блока регистро соединены между собой,

Выход второго регистра блока регистров первого и второго столбцов первой и второй строки матрицы блоков регистров соединен с входом третьего регистра блока регистров второго и третьего столбцов первой и второй строки и вторым входом первого регистра блока регистров второго и третьего столбцов второй и третьей строк, второй вход четвертого регистра блока регистров второго столбца и второй строки соединен с входом первого регистра блока регистров третьего столбца второй строки матрицы блоков регистров, а выход четвертого регистра блока регистров первого и второго столбцов п:ервой строки соединен с входом первой строки матрицы блоков регистров.

Выход вероятностного дисперсиометра 5 соединен с вторыми входами одного из блоков 1 регистров каждого столбца матрицы блоков 1 регистров, а вход - с блоком 6, Выход усреднителя 7 соединен с блоком 6, а его вход - с элементом И 8,- Один вход элемента .И 8. соединен с блоком 9 управления, а второй вход является входом устройства. Входы (п-1) пар сумматоров 2 с вычитателями 3 соединены между собой и с соответствующим выходами блоков 1 регистров последнего столбца матрицы блоков 1 рё- гистров. Входы отдельного вычитателя 4 соединены с выходами четвертых регистров сдвига блоков 1 регистров первой строки (п-1) и (п-2) столбцов Выходами предлагаемого устройства являются выходы вычитателей 3, отдельного вычитателя 4 и выход первого регистра сдвига третьего блока 1 регистров первой строки последнего столбца.

Блок 9 управления содержит генератор 10 тактовых импульсов, делитель 11 частотыV счетчик 12 импульсов матрицы и К идентичных каналов,

каждый из которых состоит из счетчика 13 импульсов строк, счетчика 15 импульсов столбцов и группы элементов И 14, при этом первый выход г.енератора тактовьис импульсов через делитель частоты подключен к счетчику импульсов матрицы, выходы которого являются соответствующими выходами блока, второй выход генератора тактовых импульсов соединен с входами счетчика импульсов строк и счетчика импульсов столбцов, выходы которых подключены к первому и второму входам группы элементов И соответствующего канала, выходы группы элементов И объединены и являются первым выходом блока управления,

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем.

Для вычисления дисперсии коэффициентов разложения по системе Хаара весь квадрат (область наблюдения) Т покрывают прямоугольной сеткой с шагом по одной оси и с шагом по другой оси, где М и N - соответственно число узлов по одной и другой оси,() - общее число узлов сетки, Принимают , тогда ,

3,то .

Если т

Оценка первого коэффициента разложения Хаара является среднеарифметическим значением всех (M-N) отсчетов в узлах сетки:

М-1 M-f уf (г Р If Ill

V pTofe Ё результате t-кратного вычисдейия средних арифметических значений отсчетов в области задания получают набор случайных чисел

,0,0

е-).

(С, С,,

00 1 2 -я 2

Далее по ним рассчитывают дисперсию согласно алгоритму;

D(c|(,-м(c;J) (2)

дисперсию коэффициента С р , можно рассматривать как функциойал от числ ла точек фиксации (M;N): .

&2(cJ;J| v(yn;N) . (31

Затем ищут дисперсииji C° |, | и ( по следующим алгоритмгш:

Д 11Ц,

(Ch J

( (г

К«.

)j()

Ш:.1,2,. . . , Ijjrteii 1 .

апюХ На фиг. 2 приведены девять разли ных дисперсий коэффициентов Хаара для случая rai m . Для рассматриваемого случая принимают . Соответственно г1 т д |+1:| Для определения дисперсии произвольного коэффициента разложения ст ционарного случайного поля по систем функций Хаара необходимо сначала вычислить средние арифметические знач ния отсчетов на соответствующих двоичных прямоугольниках квадратаtO,Т; 0,Т,а затем их дисперсии.И,наконец формулам (4), (5) и (6) определяют цисперсии коэффициентов Хаара. На фиг. 3 представлена матрица А элементами которой являются двоичные прямоугольные квадраты а (К,т),К 1,...3,...,3, в которых рассчитываются средние арифметические значения отсчетов стационарного случайного поля и соотв.етствующие им дисперсии, а по ним согласно формулам (4) (5) и (6) дисперсии коэффициентов Хаара представлены на фиг. 2. Например, для формирования диспер сий-Г() ,(02) K() необходи МО сначала сформулировать дисперсии средних арифметических значений отсчетов случайного поля V(M,N|, У(/И, N/2) , (М, W/4) и V{M, N/8) {1 / Соответственно в двоичных прямоуголь ных квадратах а Cl,l, а 4,1, 4, 2 и а 4,33 (фиг. 3). Затем по дисперсиям (7) по алгоритму (5) рассчитывают дисперсии коэффициентов Хаара: 6(c;j|HHM,N/.H(At.N/j ; 1((П-(, (ll}--2 lV(V,NlB}- i(i,N(). Рассмотирим работу предлагаемого устройства на примере вычисления дисперсии коэффициентов Хаара для случа . Отсчеты функции f(U, 02) непрег рывно поступают на элемент ИВ. По команде из блока 9 управления нужные .отсчеты функции соответствующие двоичным прямоугольным-квадратам, начиная с aCl,l (фиг. 3) , поступают через элемент И 8 на усреднитель 7, где определяется среднее арифметичес кое значение отсчетов стационарнохЪ случайного поля. Далее это среднее арифметическое значение подается на запоминающий блок 6, где запоминается 1 таких значений, а затем поступает на вероятностный дисперсиометр 5, на котором определяются дисперсии ) по алгоритму (2). Число, соответствующее дисперсии V(M,N), одновременно подается на все столбцы блоков 1 регистров, но по команде из блока управления записывается в , четвертом (самом нижнем) регистре сдвига блока 1 регистров первой строки и первого столбца матрицы блока регистров. Аналогичным образом формируется дисперсия среднего значения отсчетов функции 4(М/2, N/2) , соответствующая двоичному прямоугольному квадрату ,1, и подается на четвертый регистр сдвига блока 1 регистров первой строки и первого столбца матрицы блока регистров. При этом по команде из блока 9 управления число из четвертого регистра сдвига переписывается в третий регистр сдвига блока 1 регистров. Таким образом, путем последовательного выталкивания из последукицего регистра сдвига в предыдущий, начиная с четвертого, в блоке 1 регистров первой строки и первого столбца записываются свер- -ху вниз дисперсии Ч(М,Ы) , Ч(М/2, N/2) и Ц(М/2, N) , соответствующие двоичным прямоугольным квадратам а 1,U, а C2,lj, ,1 и ,l3. Аналогичным образом формируются дисперсии средних значений, соответствующие прямоугольникам второго и третьего столбца матрицы А (фиг. 3). Значения этих дисперсий записываются соответственно в блоки 1 регистров второго и третьего столбца блоков 1 регистров предлагаемого устройства (фиг.4). Из фиг. 3 видно, что элемента а Гк,га матрицы А повторяются, 8 устройстве для определения дисперсии вычисляются разнообразные элементы а к,тЗ только по одному разу.Получение нужного элемента происходит за счет пересылки имеющегося элемента в те места, где он повторяется. : Например, вычисляют элемент а С2,1 и записывают: во второй регистр пер- вого столбца и первой строки матрицы блоков регистров (,) (фиг.З). Аналогичные элементы должны содержаться в третьем регистре второго столбца первой строки матрицы блока регистров и S первом регистре второго столбца и второй строки блока регистров. За счет введенных связей между регистрами матрицы блока регистров (фиг.4) осуществляется перенос имеющегося числа в те регистры, в которых также должно содержаться это число. . Перенос чисел в соответствукицие регистры осуществляется после того, как закончится заполнение всех регистров элементами ,1пЗ без повторений. Какие элементы получаются без повторений, а какие и куда переносятся - все это изображено на фиг, 3. образом, сокращается время на повторный расчет многих элементов и быстродействие вычисления дисперсий коэффициентов Хаара возрастает примерно в 2 раза при . Например, в известном устройстве для случая необходимо затратить время на вычисление 2 ()24 элементов аСк,т. В предлагаемом же устройстве число вычисляемых элементов равно 16. С увеличением п разница в вычислениях элементов возрас тает. Соответственно быстродействие предлагаемого устройства повышается с увеличением числа определенных дисперсий коэффициентов Хаара. Упрощается также блок 9 управления за счет уменьшения числа идентичных каналов, каждый из которых состоит из счетчика 13 импульсов строк, счетчика 15 импульсов столбцов и блока 14 элементов И. Для случая число каналов сокращается с 24 до 16. После этого по алгоритмам (4), (5) и (6) вычисляются дисперсии коэффициентов Хаара. По команде из блока 9 управления числа из всех регистров последнего столбца блока 1 регистров подаются попарно на сумматоры 2, вычитатели 3 и отдельный вычитатель 4. На выходе сумматора 2 третьей (самой нижней) пары сумматора с вычитателем вычисляется сумма диспер сии V(-|-,-|-)+ Ч(,-|-) и подает ся на вычитатель 3 этой пары, на котором вычисляется дисперсия коэффициента Хаара; KlH HTTl Ht l-Hff)-(гП-, Множитель 2 учитывается путем сдвига числа в регистре сдвига вычитателя 3 на четыре разряда вправо. Аналогичным образом на выходе вычитателей 3 второй и первой пары сумматоров с вычитателями вычисляются дисперсии коэффициентов Хаара соответственно t(C-) и (|з) На отдельном вычитателе 4 вычисляется дисперсия коэффициента Хаара Т(Сд||по алгоритму (5) и дисперсиям : V (k,N/4) и (M,N/8) , содержащимся в четвертых регистрах сдвига блоков 1 регистров первой строки второго и третьего столбцов матрицы регистров Таким образом, одновременно вычис ляются дисперсии коэффициентов Хаара четвертого стобца матрицы дисперсий (фиг.2) n«l.in;b () Далее по команде из блока 9 управления одновременно все числа,пере носятся из блоков 1 регистров второго столбца матрицы регистров в третий, а из первого во второй столбец. На отдельном вычитателе 4 и вычитателях 3 первой и второй ..ары сумматоров с вычитателями формируются дисперсии коэффициентов Хаара, соответствующие третьему столбцу матрицы дисперсий (фиг.2), й№1.й1Ч1)(«Г По команде из блока управления одновременно все числа из блоков 1 регистров второго столбца переносятся в третий. Одновременно с этим числом из первого регистра сдвига блока 1 регистров сдвига первой строки третьего столбца -подается на четвертый регистр сдвига блока 1 регистров сдвига первой строки второго столбца. На отдельном вычитателе 4 и вычитателе 3 первой пары сумматора с вычитателем вычисляются соответственно дисперсии коэффициентов Хаара второго столбца матрицы (Фиг. 2) (5:1 i(s::). Значение дисперсии Т (Сдо) снимается с первого регистра сдвига блока 1 регистров сдвига первой строки третьего столбца. Блок 9 управления работает следующим образом. На вход элемента И 8 подаются построчно все содержимые в отдельном блоке памяти отсчеты случайного поля. Подача отсчетов осуществляется в такте с частотой, вырабатываемой в ГТИ 10. В счетчиках 13 и 15 строки и столбцов соответственно осуществляется подсчет строк и столбцов случайного поля. Каждому столбцу и строке соответствует отсчет, т.е. осуществляется подсчет, номеров отсчетов. В случае совпадения импульсов строк и столбцов вырабатываются команды, которые поступают на элемент И 8. Номер отсчета поступает-на усреднитель 7. Число ячеек, в которые входят счетчик строк, счетчик столбцов и схема совпадений, равно числу элементов матрицы. Импульсы от ГТИ подаются также на делитель 11 частоты, в котором частота ГТИ делится в ПхК раз. Такая частота необходима для зого, чтобы кадЕяа, содержащиеся в строке К отсчетов, повторились П раз и запоминались в блоке 6. С делителя счетчика импульсов матригда, в котором они подсчитываются, и на соответствующем выходе выдаются импульсы для управления регистрами сдвига блока 1 регистров.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ХААРЛ по авт.св. 942042, отличающееся тем,что, с целью повышения . быстродействия определения дисперсии коэффициеитов Хаара, быход второго регистра блока регистров j-ro столбца ( 1,2,...,т)-и строки ( i 1,2,...,m) матрицы блоков регистров подключен к входу третьего регистра блока регистров ( j+l)-ro столбца и i -и строки и второму входу первого регистра блока регистров (j-H)-ro столбца ( 1+1)-й строки, второй вход четвертого регистра блока регистров j -го столбца i-й строки, кроме первой, матрицы блоков регистров соедииен с входом первого регистра блока регистров ( j +1)-го столбца .ir-й строки, кроме первой, и в первой строке матри1ды блоков регистров выход четвертого регистра блока регистров j-ro столбца подключен к входу первого регистра блока регистров ( j +1)-го столбца матрицы блоков регистров.