CC BY
51
УДК: 004.582 + 519.24.8 В.И. Знак
ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
ПРОЕКТ ОКОННОГО ИНТЕРФЕЙСА ФИЛЬТРОВ ВЗВЕШЕННЫХ ПОРЯДКОВЫХ СТАТИСТИК ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ АКТИВНОГО ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
V.I. Znak
ICM&MG of SB of RAS
prosp. acad. Lavrentieva, 6, 630090, Russian Federation
THE PROJECT OF THE WINDOW INTERFACE OF WEIGHED ORDER STATISTIC FILTERS FOR PROCESSING OF DATA OF ACTIVE VIBROSEISMIC MONITORING
Weighed order statistic filters are widely used for processing of data that have a form of time series. However, they are not sufficient adapted for periodic signals processing. Here, we propose to use a special filters that named as co-phased ones and consider appropriate window interface.
Взвешенные порядковые статистики весьма успешно используются для обработки сигналов, которые можно представить в виде временного ряда. Простейший представитель такого фильтра - медианный. Первое определение соответствующего метода введено более ста лет назад [1]. Не акцентируя внимание на его специфике и методах практической реализации (чему посвящено весьма и весьма большое количество работ), отметим только его основные черты, которые и определили интерес к нему: 1) высокая способность устранять импульсные помехи (при этом снижая уровень прочих), 2) сохранять ступеньки сигнала, имеющего вид телеграфной последовательности.
На содержательном уровне медианной фильтрацией называется замена центрального элемента (СЕ) списка образцов, поступивших на вход фильтра, медианой соответствующего вариационного ряда, понимаемого в статистическом смысле. При этом полагается, что все образцы равноправны (имеют единичные веса). Шаг на пути обобщения таких фильтров -присваивание различным образцам на входе фильтра различных весов, что и определило их название как взвешенно порядковых (ВП) фильтров. Это изменяет свойства вариационного ряда и, как результат, изменяет свойства фильтра.
В нашем случае ВП фильтры представляют интерес для обработки зашумленных данных вибросейсмических исследований. Основу же такого вида данных составляют периодические сигналы, что значительно ограничивает возможности ВП фильтров. Имеется ряд работ, рассматривающих вопросы их адаптации к обработке периодических сигналов, наиболее интересной из которых представляется [2]. Новизну изложенного здесь подхода определило введение отрицательных весов.
Однако в данной работе, с одной стороны, не учитываются эффекты дискретизации сигнала, а с другой - не рассматривается случай нулевых весов. Соответствующее обобщение рассмотрено в работах [3, 4], что привело к понятию ко-фазного ВП фильтра.
В последнем случае список образцов на входе фильтра изменяется на каждом последующем шаге фильтрации, что кардинально меняет характеристики фильтра. Его достаточно высокая эффективность продемонстрирована в ряде модельных испытаний и накоплен некоторый опыт обработки практических данных. Однако проектирование фильтра и воплощение его в языке, понятном компьютеру, представляет определенные трудности. Предлагаемый проект оконного интерфейса ко-фазных ВП фильтров для обработки данных активного вибросейсмического мониторинга преследует как раз цель снижения трудоемкости создания и эксплуатации данных фильтров.
В силу того, что особенности ко-фазных ВП фильтров достаточно освещены в последних отмеченных работах, здесь рассмотрим только этапы задания фильтра в диалоговом режиме на основе оконной технологии. Достоинствами такой технологии является не только возможность избавить пользователя от рутинной работы, но и представить ему необходимые пояснения и подсказки. В данной работе специфика фильтра следует из существа предлагаемых этапов и комментариев к ним.
Вид исходного информационно управляющего окна представлен на рис. 1. Далее, для сокращения изложения, вместо понятия информационно управляющего окна будет использовано понятие «пульт», тем более, что окно включает в себя не только информационные боксы, но и элементы управления.
Рис. 1. Исходное информационное окно задания ко-фазного ВП фильтра
Первым из необходимых этапов является, естественно, выбор объекта анализа, точнее, файла, содержащего необходимые данные. Данный этап помечен на предложенном пульте номером I (Search File Path). Процесс выбора объекта анализа стартует после активизации (левой кнопкой «мыши») кнопки «Click here to Select File to Processing», содержащегося в пределах рамки, ограничивающей набор элементов этапа I. Далее пользователь получает доступ ко всем директория данного компьютера и содержанию прочих дисков, на которые имеется соответствующий выход.
Результат активизации представлен на рис. 2. В принципе, это стандартное окно визуализации директориев, файлов и соответствующих путей (окно-эксплорер).
Рис. 2. Процесс выбора файла, подлежащего обработке
Процесс выбора завершается активизацией элемента «Открыть» на пульте эксплорера. Информация о результатах выбора появляется в исходном окне в соответствующих информационных боксах (см. рис. 5, информационные боксы этапа I). В первом боксе-строке приводится имя файла, включая путь от корневого директория. Во втором боксе - мини-окне, перечисляются параметры (Parameter), взятые из паспорта файла, и их значения (Value).
Далее предлагается использовать боксы и элементы управления, содержащиеся в пределах рамки, ограничивающей набор элементов этапа II. Это этап пометки пользователем тех образцов из списка, поступающего на вход фильтра, которые предлагается использовать для формирования результата фильтрации. В силу ограниченности информационного пространства окна в целом и рамки этапа в частности, здесь приведен только необходимый минимум понятий и пояснений. Он включает иллюстрацию периодического сигнала с возможным распределением образцов и пояснением, как эти образцы будут использованы. Ряд из них имеют вид подсказки и появляются только при установке «мыши» над соответствующими боксами (на рис. 5 связь текста подсказки с боксом отмечена стрелкой). Верхняя из них поясняет рисунок «Скольжение по данным позволяет исследовать весь массив», Нижняя, связанная с элементом «Control 2», поясняет, что в случае использования второго фильтра, скользящем над массивом данных параллельно с первым, результатом будет композиция выходов обоих звеньев.
Сам процесс пометки образцов заключается в активизации мини-боксов первого или второго звена (контролирующих первый или второй фильтр, соответственно). Мини-боксы, активированные «мышью», помечаются галочкой. Проверка информации, принятой с того или иного звена мини-боксов, производится активизацией соответствующей кнопки «Control 1» или «Control
2». Как следствие этого появляется соответствующее панно. На рис. 3, в качестве примера, представлено панно контроля звена мини-боксов второго фильтра. Здесь информируется, что длина второго фильтра - четыре периода сигнала, при этом число помеченных образцов, из поступающих на вход фильтра (активных элементов) три: крайние и СЕ.
Result: _l
Filter 2: Length is A Periods
Number of Active Elements is 3: .1.0.CE.0.1.
f OK j I
Рис. 3. Панно контроля мини-боксов второго фильтра
Наконец, на этапе III (Input Control Data), производится ввод управляющих данных. Соответствующий процесс начинается с активизации кнопки «Click here». Этим активируется диалоговое окно, представленное на рис. 4.
FIRST STEP
Авто
Input Frequency under considaration, Hz (single float): 5.7
Enter weight (W) of the first filter CE and press return
1)U is odd (M from 1, 3, etc) 2)M<=Dinoted Significance Samples: 3
Input ueight of the Second Filter CE: 1
Input rank of Statistics (r) to Choice Samples of the First Filter (0<r<1): Enter FileName for Results Data: fO.dat
Рис. 4. Диалоговое окно задания управляющих данных
Сам диалог определяется вопросами, последовательно поступающими в окно и ответов пользователя. С ответом на последний вопрос в информационные боксы этапа вводится соответствующая информация и возникает панно с вопросом, корректны ли введенные данные.
Далее в действие вступают механизмы фильтрации и результат складируется в соответствующем файле, названном пользователем в ответе на последний вопрос компьютера.
Рис. 5. Иинформационно-диалоговое окно ко-фазного ВП фильтра БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. F.Y. Edgeworth, «A new method of introducing observations relations relating to several quantities», Phil. Mag. (Fifth Series), vol. 24, 1887.
2. Arce, G.R. A General Weighted Median Filter Structure Admitting Negative Weights «IEEE Transactions on Signal Processing», vol. 46, NO. 12, DECEMBER 1998.
3. В.И. Знак. Синфазно-взвешенный медианный фильтр и некоторые вопросы оценки качества его отклика на частотно-модулированный сигнал. Сибирский журнал вычислительной математики, Т. 6, 2003 г., № 3, С. 31-40.
4. V.I. Znak, Co-Phased Median Filters, Some Peculiarities of Sweep Signal Processing, Mathematical Geology, 37(2), 2005, 207-221.
© В.И. Знак, 2008
