Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Обґрунтування доцільності розробки інформаційної технології паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації на основі актор-моделі обчислень

Обґрунтування доцільності розробки інформаційної технології паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації на основі актор-моделі обчислень




Сторінка1/7
Дата конвертації18.05.2017
Розмір1.36 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7


ЗМІСТ

ВСТУП……………………………………………………………………...………..

7

1 ОБҐРУНТУВАННЯ ДОЦІЛЬНОСТІ РОЗРОБКИ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ ЦИФРОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ НА ОСНОВІ АКТОР-МОДЕЛІ ОБЧИСЛЕНЬ…….

12


1.1 Аналіз предметної області паралельних обчислень…...………...……..

12

1.2 Аналіз об’єкту проектування……………...……………………………..

1.3 Характеристика та аналіз аналогів………………………………………

1.4 Прикладне значення та застосування паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації………………………………………….


14

16
19



1.5 Висновки…………...……………………………………………………...

20

2 МЕТОДИ І ТЕХНОЛОГІЇ ПАРАЛЕЛЬНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ………………………………………………………………………..

21


2.1 Загальна класифікація паралельних обчислювальних систем................

21

2.2 Аналіз технологій багатопотокової обробки інформації при організації паралельних обчислень….……………………………………....

23


2.3 Особливості паралельно-ієрархічного перетворення як методу організації паралельних обчислень….………………………………….....

26


2.4 Аналіз методів перетворень цифрової інформації…………...................

30

2.5 Математична модель прямого паралельно-ієрархічного перетворення………….……………………………………………………...

35


2.6 Комп’ютерне моделювання паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації………………..….……………………………………..

40


2.7 Висновки………………………………………...………………………...

44

3 СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ТА ОСОБЛИВОСТІ ПРОГРАМНОЇ РЕАЛІЗАЦІЇ ПАРАЛЕЛЬНО-ІЄРАРХІЧНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ ЦИФРОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ НА ОСНОВІ АКТОР-МОДЕЛІ ОБЧИСЛЕНЬ…...………………

46


3.1 Способи організації обчислювального процесу при використанні акторів у Akka.Net Framework у паралельно-ієрархічному перетворенні..

46








3.2 Структурна організація системи паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації……………………...…………………..

48


3.3 Програмна реалізація паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації…………………………………………………..……...

54


3.3.1 Обґрунтування вибору мови програмування…………………

54

3.3.2 Розробка алгоритму роботи програмного продукту………….

58

3.3.3 Тестування програмного продукту та аналіз результатів…….

66

3.4 Висновки……………...…………………………………………………...

76

4 ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА………………………...…………………………….

78

4.1 Оцінювання комерційного потенціалу розробки………………………

78

4.2 Прогнозування витрат на виконання науково-дослідної, дослідно-конструкторської та конструкторсько-технологічної роботи …………….

88


4.3 Прогнозування комерційних ефектів від реалізації результатів розробки………………………………………………………………………

92


4.4 Розрахунок ефективності вкладених інвестицій та періоду їх окупності……………………………………………………………………...

93


4.5 Висновки…...……………………………………………………………...

97

ВИСНОВКИ…………...…………………………………………………………….

99

ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………...…………………………

103

Додаток А Технічне завдання………………………………………………………

108

Додаток Б Інструкція користувача…………………………………………………

112

Додаток В Лістинг програмних модулів…………………………………………

115

Додаток Г Графічна частина………………………………………………………

139

Додаток Д Акт впровадження………………………………………………………

148



ВСТУП
Актуальність. Перетворення та ідентифікація цифрової інформації займає вагоме місце у житті людей. Вирішення проблеми швидкого перетворення надвеликих масивів інформації для ефективного забезпечення її запису, збереження, обробки і зчитування пов'язано зі створенням швидкодіючих пристроїв кодування і декодування.
Ідентифіка́ція: (лат. identifico - ототожнювати) - ототожнення, прирівнювання, уподібнення, розпізнавання. Наприклад, ідентифікація мінералів (англ. mineral identification).
Код (франц. code, від лат. codex) (англ. code, нім. Schlüssel m, Kennzahl f, Kode m) - зведення законів, система умовних знаків (символів, позначень) для передачі, обробки та зберігання (запам'ятовування) різноманітної інформації.
Ство́рення (англ. Creation, нім. Schöpfung, івр. בריאת העולם‎) - доктринальна позиція у багатьох релігіях та філософських системах вірувань, яка твердить, що за створенням всесвіту стоїть Божество. Богословські пояснення створення всесвіту можуть мати різноманітні форми, однією з основних є релігійна догма створення.
Швидкодія процесу кодування-декодування масиву цифрових даних залежить насамперед від втіленого в пристрої алгоритму числової обробки [1-4].

Сучасний рівень розвитку схемотехніки багатоканальних цифрових пристроїв кодування-декодування великих масивів інформації й досі частково забезпечується послідовними алгоритмами числової обробки, що в задачах динамічної обробки надвеликих масивів інформації призводить до невиправданих часових затрат, що витрачаються на послідовний у часі процес кодування-декодування [1, 5, 6].

Алгори́тм (латинізов. Algorithmi за араб. ім'ям узб. математика аль-Хорезмі) - набір інструкцій, які описують порядок дій виконавця, щоб досягти результату розв'язання задачі за скінченну кількість дій; система правил виконання дискретного процесу, яка досягає поставленої мети за скінченний час.
Швидкодія (рос. быстродействие, англ. speed of response, нім. Schnelligkeit f, Reaktionsfähigkeit f, Ansprechgeschwindigkeit f) - швидкість реакції системи на зовнішні дії або кількість операцій, які здійснює система за одиницю часу.
Схемотехніка - науково-технічний напрям, що охоплює проблеми проектування і дослідження схем електронних пристроїв радіотехніки і зв'язку, обчислювальної техніки, автоматики і інших областей техніки. Основне завдання схемотехніки - синтез (визначення структури) електронних схем, що забезпечують виконання певних функцій, і розрахунок параметрів елементів, які входять до них.
Цифровий пристрій (англ. digital device) - технічний пристрій або пристосування, призначене для отримання та обробки інформації в цифровій формі, використовуючи цифрові технології.

Найбільш актуальною дана проблема виявляється в галузі кодування зображень, де доцільним є застосування методів паралельного кодування. У результаті паралельно-ієрархічного перетворення формується паралельно-ієрархічна обчислювальна система. Підхід розпаралелізації обчислень на різних рівнях ієрархії приводить до істотного підвищення алгоритмічної швидкодії, достатньо високому показнику ущільнення, а також природній формі переопису цифрових сигналів [1-4, 7, 8].

Мікроелектро́ніка - галузь сучасної промисловості, виробництво кремнієвих кристалів інтегральних мікросхем. Мікроелектроніка - це непорушний фундамент не тільки всієї сучасної індустрії інформаційних і комп'ютерних технологій, але і дуже багатьох суміжних галузей - побутової електроніки, індустрії розваг (включаючи музику і відео), медицини, військової і автомобільної промисловості тощо.
Підвищення (елевація) - кутова висота об'єкта спостереження (земного предмета, літального апарату, небесного світила тощо) над істинним горизонтом. Підвищення спільно з азимутом служить для визначення напрямку на об'єкт.
Результат, пі́дсумок, (заст. ску́ток, вислід) - кінцевий наслідок послідовності дій. Можливі результати містять перевагу, незручність, вигоду, збитки, цінність і перемогу. Результат є етапом діяльності, коли визначено наявність переходу якості в кількість і кількості в якість.
Обчи́слювальна систе́ма (англ. computer system) - сукупність ЕОМ та їх програмного забезпечення, що призначені для організації ефективного обчислювального процесу;
Цифрови́й сигна́л - дискретний сигнал з певним значенням інформативного параметра, яке визначається у цифровій формі. Цифрові сигнали є цифровим зображенням дискретного сигналу, який часто видобувається шляхом квантування аналогового сигналу.

Паралельно-ієрархічне перетворення (ПІП) в інтелектуальних системах (ІС) є одним із ефективних способів кодування інформації та, зокрема, вирішення проблеми швидкого перетворення великих масивів інформації для ефективного забезпечення її запису, зчитування, збереження та обробки. Тому, найбільшої актуальності ПІП набуває у галузі кодування зображень. Проте для підвищення продуктивності роботи ІС актуальною є задача дослідження математичних моделей паралельно-ієрархічних процесів в ІС та їх комп’ютерного моделювання.

Актуа́льність (від лат. actualis - справжній, теперішній, сучасний, важливий у даний момент, злободенний, назрілий) - абстрактний іменник до прикметника «актуальний». Актуальність - важливість, значимість чого-небудь на сьогодні, сучасність, злободенність.
Інтелектуал - людина розумової праці[Джерело?]. «Інтелектуалом» також називають[Хто?] освічену, начитану людину з високо розвиненим інтелектом[Джерело?].
Матема́тика (грец. μάθημα - наука, знання, вивчення) - наука, яка первісно виникла як один з напрямків пошуку істини (у грецькій філософії) у сфері просторових відношень (землеміряння - геометрії) і обчислень (арифметики), для практичних потреб людини рахувати, обчислювати, вимірювати, досліджувати форми та рух фізичних тіл.
Математи́чна моде́ль - система математичних співвідношень, які описують досліджуваний процес або явище. Математична модель має важливе значення для таких наук, як: економіка, екологія, соціологія, фізика, хімія, механіка, інформатика, біологія та ін.

Використання ПІП приводить до підвищення алгоритмічної швидкодії, а також природній формі переопису цифрових сигналів.

У багатьох методах обробки інформації використовуються послідовні алгоритми, тому паралельна обробка на порядок підвищить продуктивність.

Обробка інформації́ - вся сукупність операцій (збирання, введення, записування, перетворення, зчитування, зберігання, знищення, реєстрація), що здійснюються за допомогою технічних і програмних засобів, включаючи обмін по каналах передачі даних [6.

При моделюванні та аналізі параметрів модельованого процесу необхідно забезпечити відповідні технічні параметри системи для обробки цифрових масивів даних, в тому числі зображень.

Необхідність - система зв'язків і відносин, що зумовлює зміну, поступальний рух, розвиток у жорстко визначеному напрямку з жорстко визначеними результатами. Іншими словами, необхідність - це такий зв'язок, що обов'язково призводить до певної події.
Ана́ліз (від грец. αναλυσις - «розклад») - розчленування предмету пізнання, абстрагування його окремих сторін чи аспектів. Метод дослідження, який вивчає предмет, уявно чи реально розчленовуючи його на складові елементи, як-от частини об'єкта, його ознаки, властивості, відношення, відтак розглядає кожен з виділених елементів окремо в межах єдиного цілого; протилежний метод - синтез.
Це передбачає, що розроблювана система повинна бути масштабованою.

Істотний фактор, в результаті якого інтерес до паралельних обчислень суттєво зріс, полягає в широкому розповсюдженні паралельних комп'ютерів. Останнім часом багатопроцесорні сервери можна часто зустріти на середніх і великих підприємствах, у банках, дослідних інститутах та обчислювальних центрах.



Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Магістерська робота виконана відповідно до напрямку наукових досліджень

кафедри комп’ютерних наук Вінницького національного технічного університету 22 К1 «Моделі, методи, технології та пристрої інтелектуальних інформаційних систем управління, економіки, навчання та комунікацій» та плану наукової та навчально-методичної роботи кафедри.

Інститут - вищий навчальний заклад третього або четвертого рівня акредитації або структурний підрозділ університету, академії, який провадить освітню діяльність, пов'язану із здобуттям певної вищої освіти та кваліфікації у певній галузі науки, виробництва, освіти, культури і мистецтва, проводить наукову, науково-методичну та науково-виробничу діяльність і має відповідний рівень кадрового та матеріально-технічного забезпечення.
Інформацíйна систéма (англ. Information system) - сукупність організаційних і технічних засобів для збереження та обробки інформації з метою забезпечення інформаційних потреб користувачів.
Дослі́дження, до́сліди - (широко розуміючи) пошук нових знань або систематичне розслідування з метою встановлення фактів; (вузько розуміючи) науковий метод (процес) вивчення чого-небудь.
Обчи́слювальний центр (ОЦ) - організація, підрозділ, або, в більш вузькому сенсі, комплекс приміщень, призначених для розміщення комп'ютерних систем і допоміжного обладнання.
Вíнницький націона́льний технічний університе́т - вищий навчальний заклад четвертого рівня акредитації.
Також магістерська робота виконана в межах НДР GP/F61/083 "Методологія побудови високопродуктивних інтелектуалізованих паралельно-ієрархічних систем на основі сучасних мережевих обчислювальних комплексів з гетерогенною архітектурою".
Магі́стр - освітній ступінь, що здобувається на другому рівні вищої освіти та присуджується вищим навчальним закладом у результаті успішного виконання здобувачем вищої освіти відповідної освітньої програми.


Мета і завдання дослідження.
Задача - проблемна ситуація з чітко визначеною метою, яку необхідно досягти; в більш вузькому сенсі задачею називають також цю саму мету, що дана в рамках проблемної ситуації, тобто те, що необхідно виконати.
Метою магістерської кваліфікаційної роботи є підвищення швидкодії обчислювальних процесів обробки цифрової інформації на основі актор-моделі обчислень.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі:



  1. здійснити обґрунтування доцільності розробки інформаційної технології паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації на основі актор-моделі обчислень;

  2. здійснити аналіз технологій багатопотокової обробки інформації при організації паралельних обчислень;

  3. здійснити комп’ютерне моделювання паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації;

  4. запропонувати варіанти організації обчислювального процесу при використанні акторів у Akka.Net Framework у паралельно-ієрархічному перетворенні;
    Фреймворк (англ. Framework, каркас, платформа, структура, інфраструктура) -інфраструктура програмних рішень, що полегшує розробку складних систем. Спрощено дану інфраструктуру можна вважати своєрідною комплексною бібліотекою.


5) здійснити програмну реалізацію та тестування паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації на основі актор-моделі обчислень.

Об’єкт дослідження – процес паралельного перетворення цифрової інформації.

Предмет дослідженняпрограмні засоби паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації на основі актор-моделі обчислень.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач використано методи теорії матриць для реалізації G-перетворення, методи сортування, методи організації багато потокової обробки інформації, методи математичного моделювання, методи організації акторів, методи програмування на мовах високого та низького рівнів програмування, методи комп’ютерного моделювання для проведення експериментальних досліджень.
Про́даж - це оплатна передача майна однією особою у власність іншій особі.
Експериме́нт (англ. experiment) - сукупність дослідів, об’єднаних однією системою їх постановки, взаємозв’язком результатів і способом їх обробки. В результаті експерименту отримують сукупність результатів, які допускають їхню сумісну обробку і зіставлення.
Програ́мне забезпе́чення (програ́мні за́соби) (ПЗ; англ. software) - сукупність програм системи обробки інформації і програмних документів, необхідних для експлуатації цих програм.
Математи́чне моделюва́ння (рос. моделирование математическое; англ. mathematical simulation, нім. mathematische Modellierung f) - метод дослідження процесів або явищ шляхом створення їхніх математичних моделей і дослідження цих моделей.
Теорія матриць - розділ математики, що вивчає властивості і застосування матриць.


Наукова новизна отриманих результатів.

До нових наукових результатів, отриманих у магістерській кваліфікаційній роботі, відносяться:

1.

Пра́ця - цілеспрямована діяльність людей зі створення матеріальних і духовних благ, необхідних для задоволення потреб кожного індивіда і суспільства в цілому.
Дістали подальший розвиток математичні моделі паралельно-ієрархічного перетворення цифрової інформації за рахунок реорганізації їх з використанням актор-моделі обчислень, що забезпечило підвищення швидкодії.
Реорганізація - це повна або часткова заміна власників корпоративних прав підприємства, зміна організаційно-правової форми організації бізнесу, ліквідація окремих структурних підрозділів або створення на базі одного підприємства кількох, наслідком чого є передача або прийняття його майна, коштів, прав та обов'язків правонаступником.

2. Розроблено моделі організації обчислювального процесу оброблення цифрової інформації на основі актор-моделі обчислень, що забезпечило підвищення швидкодії обробки великих масивів цифрової інформації у 6 раз у порівнянні з комп’ютерним моделюванням та у 1.4 рази у порівнянні з реалізацією без використання актор-моделі обчислень.



3. Розроблено високопродуктивні комп’ютерні засоби в межах інформаційної технології паралельно-ієрархічного оброблення цифрової інформації, що забезпечують обробку великих масивів цифрової інформації в реальному часі.
  1   2   3   4   5   6   7



  • ВСТУП Актуальність.
  • Швидкодія
  • Об’єкт
  • Методи дослідження.
  • Наукова новизна отриманих результатів.