Устройство для классификации шумов с произвольной спектральной плотностью Советский патент 1978 года по МПК G06K9/00 

I

Изобретение относится к вычислительным устройствам для распознавания и классификации данных.

Известны различные распознающие устройства для распознавания изображений, знаков, рукописных цифр 1, 2, содержащие линейные дискриминаторы, блоки управления и индикации.

Известные устройства относительно сложны.

Наиболее близким техническим рещением к данному изобретению является устройство для классификации шумов с произвольной спектральной плотностью, содержащее линейные дискриминаторы, первые выходы которых соединены с соответствующими входами блока уиравления и индикации 3.

Недостатком прототипа является недостаточно высокая точность.

Целью изобретения является повышение точности работы устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит блок выделения признаков, вход которого является входом устройства, а выходы соединены со входами соответствующих линейных дискриминаторов, и блок перестройки структуры, два входа которого соединены с выходами блока управления и индикации, а группа входов и выходов подключены к соответствующим выходам и входам линейных дискриминаторов.

Такое устройство точнее прототипа.

Па чертеже представлена функцпональная схема устройства. Устройство классиф 1кации шумов содержит блок выделения нризнаков 1, вход которого подключается к входу устройства, а выходы параллельно подключаются к соответствующим входам линейных днскримннаторов 2. образующих однослойную сеть. Выходы дискриминаторов 2 подключаются ко входам блока управления н индикаци) 3, выходы которого подключаются к выходному разъему. К блокам 2 н 3 подключается блок перестройки структуры 4.

Структура блока выделения признаков 1 реализует с заданно точность о математ 1ческу о онерац Ю нолучен я составля ощнх спектральной мощности сигнлла л () в частотных интервалах Д/

г

- x iiMdl / f

- lim lim - Л/-.0 2 г

-Т

ОЦеНК СОСТаВЛЯ ОЩ Х

т

,Mt)df

/А/,

ft

т . о

являются коорд 1 1атами вектора G 15,. ... fiAJ .

Блок выделения признаков 1 содержит: )ессор 5 для сжатия входного динамического диапазона шумового сигнала x(t) и 22

канала получения оценок gi (, 2, .., ) в /4 октавны.х частотных интервалах Д/ь Afs, .-, А/22 в полосе частот гц. Каждый канал имеет узкополоспый высскодобротный У С-фильтр 6, квадратичный детектор 7 и интегратор 8.

Е)лок перестройки структуры 4 по сигналам управления из блока 3 организует работу 12 линейных дискриминаторов 2 в одном из режимов линейной или кусочно-линейной классифнкацнн.

Прн линейной классификации иа два класса (/) н 2) реализована дискриминантная функция вида:

D(G) 2,&,

где Wi - весовые коэффициенты,

G - расширенный (N + 1) -ой координатой

вектор G, т. е.

-, 1

,, gt,- .., gj, Ял--1/

Компонента gN+i вырабатывается в вычислительном блоке 9 но выражению:

Л

S -i

-§.. V.-i- д,

Ренипошее нравило имеет вид:

О(О ):гг + о„ X, 1, если GG R, D{G) s,;-8, x,

- о D (GO + В

- зона неопределенности, где |б - порог срабатывания порогового элемента 10.

При линейной классификации на несколько классов использованы дискриминантные функции для отделения смежных классов следующего вида:

D(G)s ,iSi,

где Ws,i - вееовые коэффициенты tзнака, S-ой пары смежных классов;

S : 1, 2,. . . Q; Q г 2 3„ J2 R {R п 1

т 1

1, если п -,i т

п,т

, п т.

п. т

Решающее цравило предетавляется совокупностью булевых функций:

{Fj f(x,,x,...,XQ),

О

где , 2,..., R - номер класса.

Значения Х.ч получаются по правил} двухклассового ;irineiiHoro кллгс|:ф1п.чтора.

При: к сочно--линейной классификации пс пользуется вспомогательная дискриминантная функция вида:

)

i:--l

где - весовые коэффициенты /-го класса и /(-го подкласса.

Решающее правило состоит в отыскании макси.мальной

D, (G)-max (G): У-1,...,/

К -- 1,..., LJ,

где 1 1.2

R - число классов;

Lj - число подклассов внутри класса /. Оно реализуется блоком выбора максимума 11, работающего но принципу сравиения наиряжения UD с выходов сумматоров 12 линейпых дискриминаторов 2. При этом сумматоры с меньшими выходными напряжениями выводятся в режим насыщения. Таким образом, реи ающее иразило преобразуется к виду:

DI, (G) f/o,, Xi Г-: Xj,, к, I,

если G 6 классу j и подклассу /(,,

DI -; г л - + н ок. 11 - О, е ели

GG классу у i j и подклассу /С 7- s.

где /о - номер дискриминатора, напряжение иа выходе которого оказалось максимальным;

- уровень срабатывания порогового элемента 10 в режиме кусочно-линейной класси(|)икац|- и.

Решение о принадлежности вектора G к классу /о и подклассу /(о приинмается по равенству (1) булевых функций

/Vo 1(,ь л:;о,2,.. ., Xj, Lyj)

К

функция номера класса и

Ф/с„ - 1 (TI, /,, г, «„,. .. , л/, /г.)

/

- функция номера подкласса. Таким образом линейный дискриминатор 2 содержит су.мматор 12 на 23 входа с весовыми потенциометрами (для умножения на W;,) и пороговый элемент 10 для получения значения логической иерел1енной У.. Блок перестройки структуры 4 содержит блок выбора максимума 11 и блок нороговых иотенциалов 13.

Блок управления и нндикации 3 содержит иульт уцравлеиия 14, вырабатывающий потенциалы уиравления режимами работы устройства; лог 1ческий решающий блок 15, вырабатывающнй результат классификации в виде совокупностей сигналов {F;} и {Фк}; блок индикации 15, который обеспечивает как многоклассовую цифровую индикацию результата классификаций (, 2,.., 5; , 2, .., 6), так и обобщенную двухклассовую индикацию путем разбиения совокупности {Fj} на две {Fj} и {Fj}2, блок выставления коэффициентов 17, представляющий собой трехдекадный делитель эталонного напряжения с ценямп сравнения.

Набор перечисленных блоков в соответствии с приведенными алгоритмами реализует 9 режимов работы устройства классификации:

. режим линейной классификации на 2 класса;

2.то же на 3 класса (Q 3);

3.то же на 4 класса (Q 6);

4.то же яа 5 классов (Q 10);

5.режим кусочно-линейной классификации

на 2 класса ( 2) и 6 подклассов (Li L2

6);

6.то же на 3 класса ( 3) и 4 подкласса

(L, L2 L3 4);

7.то же на 4 класса ( 4) и 3 подкласса

(Lj /,2 1--з 3);

8.режим выставления весовых коэффициентов и установки «нуля суммирующих усилителей линейных дискриминаторов;

9.режим измерения спектральных компонентов с целью последующего преобразования их на АЦП и ввода ЦВМ.

Устройство может быть иснользовано в функциях классификации любых объектов, описываемых набором медленно меняющихся напряжений с амплитудой 0-Ь1 вольт, поступающих по входным щинам, общим количеством tie более 22. При этом не используется блок 1.

Весовые векторы Ws для всех режимов классификации нолучаются в процессе обучения на универсальной ЦВМ по известным алj-оритмам на основании статистики, характеризующей объекты, подлежащие классификации. Устройство работает следующим образом. Исследуемый шумовой сигнал постзпает на вход блока выделения признаков 1. Динамический диапазон входного сигнала предварительно сжимается до 3 дб с помощью компрессора 5. Затем шумовой сигнал разветвляется на 22 канала, где после обработки (путем фильтрации, квадратичного детектирования и интегрирования в каждом из каналов) формируется многомерный вектор, состоящий из 22-х непрерывных компонент. Напряжение положительной полярности с выхода каждого канала является медленно-изменяющимся случайным процессом. После формирования пороговой 23-й компоненты (суммирование напряжений всех 22-х компонент) в блоке 9 расширенный непрерывный вектор спектральной плотности мощности входного сигнала по 23-м каналам поступает на входы линейных дискриминаторов 2.

При организации различных режимов класС :ф1 к;:;и1п число- линейных дсскримиилторог, выбираться от до 12. Сеть линейных дискриминаторов представлена выборов; сменных плат, аналогичных по структуре. Необходимые линейные дискриминаторы 2 настраиваются в соответствии с полученными при обучении весовыми коэффициентами, которые выставляются с помощью точных потенциометров на каждом входе сумматора 12. Напряжение UD с выходов сумматоров ли1 ейных дискриминаторов поступает на пороговые элементы 10. В зависнмости от того, линейные или кусочно-линейные режимы классификации исиользу1отся. блок пороговых потенциалов 13 вырабатывает два эталонных напряжения сравнения, соответственно О н +5 вольт. Выходные напряжения L/x с выходов пороговых элементов линейных дискриминаторов 2 с амплитудой - 8 вольт (сигнал логической «I) и +10 вольт (сигнал логического «О) поступает в блок индикации и управления 3. После преобразования в систему электрических напряжений логическихмикросхем (-f 5 вольт - сигнал логической «1 и О вольт - сигнал логического «О) напряжения, соответствующие логическим переменным {xi, ло, .., подверг.чются логическому анализу в логическом блоке 15 с целью выработки потенциалов номеров класса и подкласса, к которым относятся шуMOBoii сигнал, действующий на входе }стройства в данный момент времени. В процессе работы классификатора происходит непрерывное определение номеров класса н подкласса. Отображение результатов классификации в блоке индикации 16 производится также непрерывно, в соответствии с потенциалами номеров класса и подклассов, выработанных в логическом блоке 15. В пульте управления 14 с помощью набора клавишных переключателей вырабатываются управляющие потенциалы для организации одного из режимов работы к.шссификатора.

При выработке одного из потенциалоп кусочно-линейного режима классификации блоком 11 организуется блок выбора максимального нанрял еиия с выходов сумматоров линейных дискриминаторов. В этом случае все выходы сумматоров подключаются через диоды к общей точке, к которой также подключаются все сопротивления обратной связи операционных усилителей сумматоров (на чертеже не показаны). Таким образом осуществляется автоматическая коммутация цепей ООС усилителей, посредством чего все усилители кроме одного, имеющего максимальное алгебраическое значение выходного напряжения, выводятся в режиме положительного насыщения (т. е. )- Одновременно пороговые элементы 10 вырабатывают соответствующие логические потенциалы путем сравнения выходных напряжений сумматоров с пороговым потенциало.м вольт.

Все элементы индикации вынесены на пульт управления.