Численные методы и анализ данных. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Статья научная
Точная и своевременная информация о текущем и прогнозном распределении транспортных потоков является важным фактором функционирования интеллектуальных транспортных систем. Использование этих данных позволит транспортным агентствам эффективнее решать задачу управления трафиком, участникам дорожного движения точнее планировать маршрут поездки и снизить время движения, и в целом повысит эффективность использования транспортной инфраструктуры. В данной статье представлена модель краткосрочного прогнозирования трафика, основанная на методе k ближайших соседей, которая учитывает пространственное и временное распределение транспортных потоков. Разработанная модель реализована с помощью фреймворка Apache Spark на основе модели распределённых вычислений MapReduce. Экспериментальные исследования представленной модели по данным о распределении транспортных потоков в транспортной сети города Самары позволяет сделать вывод, что предлагаемая модель обладает высокой точностью прогнозирования и временем работы, достаточным для прогнозирования в режиме реального времени.
Бесплатно
Статья научная
Представлен обзор неинвазивных биометрических методов выявления и прогнозирования развития нейродегенеративных заболеваний. Дан анализ различных модальностей, используемых для диагностики и мониторинга. Рассмотрены такие модальности, как рукописные данные, электроэнцефалограмма, речь, походка, движение глаз, а также использование композиций данных модальностей. Проведен подробный анализ современных методов и систем принятия решений, основанных на машинном обучении. Представлены наборы данных, методы предобработки, модели машинного обучения, оценки точности при диагностике заболеваний. В заключении рассмотрены текущие открытые проблемы и будущие перспективы исследований в данном направлении.
Бесплатно
Блочные алгоритмы решения сеточных уравнений Zheng/Chen/Zhang
Статья научная
Работа посвящена синтезу блочных алгоритмов FDTD-метода для расчетов по неявной разностной схеме Zheng/Chen/Zhang. Существенное внимание уделяется экспериментальному исследованию построенных алгоритмов, выявлению особенностей организации блочных вычислений по неявным сеточным уравнениям. Эффективность предложенных подходов подтверждена шестикратным ускорением вычислений.
Бесплатно
Блочные алгоритмы совместного разностного решения уравнений Даламбера и Максвелла
Статья научная
Работа посвящена синтезу блочных алгоритмов FDTD-метода, в частности совместного разностного решения уравнений Даламбера и Максвелла. Учёт иерархической структуры памяти ЭВМ позволил до 6 раз сократить длительность вычислений по методу в сравнении с его известными программными реализациями.
Бесплатно
Статья научная
Актуальность обнаружения и лечения рака молочной железы на ранних этапах остается высокой. За 2020 год зарегистрировано более 65 000 новых случаев онкологии молочной железы, среднегодовой темп прироста – 2%. Число зафиксированных случаев рака молочной железы является лидирующим в статистике по онкологическим заболеваниям. Целью работы является проведение оценки влияния методов предварительной обработки и аугментации наборов данных для сегментации опухолевых ядер на медицинских изображениях в условиях ограниченного объема данных. В экспериментах используется один исходный набор данных и восемь вариантов его предварительной обработки с использованием алгоритмов нарезки изображений для обучения двух моделей сверточных нейронных сетей U-net и U-net с добавлением энкодера ResNet50. Оценка качества обучения нейронных сетей и сегментации ядер выполняется с помощью двух целевых метрик, Dice и IoU, а также в результате сравнения истинного расположения меток ядер и сегментированных ядер с помощью нейронных сетей. В результате обучения моделей на предварительно обработанных наборах данных получены значения целевых метрик по двум моделям для каждого набора, включая исходный. Для архитектуры U-net значения Dice и IoU равны 0,742 и 0,5921, для архитектуры U-net_ResNet50 – 0,7458 и 0,5971.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена взаимосвязанным проблемам выделения единиц знаний из множества (корпуса) тематических текстов анализом релевантности исходной фразе и полноты отражения в исходных фразах выделяемого фактического знания. Данные проблемы актуальны для построения систем обработки, анализа, оценивания и понимания информации. Конечной практической целью здесь является поиск наиболее рационального варианта передачи смысла средствами заданного естественного языка для последующей фиксации фрагментов знаний в тезаурусе и онтологии предметной области. При этом релевантность текста по описываемому фрагменту знания (включая формы выражения в языке) определяется совместным использованием оценки силы связи встречающихся в его фразах сочетаний слов исходной фразы и разбиением этих слов на классы по значению меры TF-IDF относительно текстов корпуса. В настоящей работе рассматривается расширение связей слов от традиционных биграмм до трёх и более элементов для выделения составляющих образа исходной фразы в виде сочетаний связанных по смыслу слов (с привлечением базы известных синтаксических отношений и без использования таковой). С целью более полного описания выделяемого в текстах корпуса фрагмента экспертного знания вводятся в рассмотрение совокупности исходных фраз, взаимно эквивалентных либо дополняющих друг друга по смыслу и представляющих единый образ. По сравнению с поиском составляющих рассматриваемого образа на готовом синтаксически размеченном текстовом корпусе предложенный метод позволяет в среднем в 17 раз сократить выход фраз, не релевантных исходным ни по описываемому фрагменту знания, ни по языковым формам его выражения.
Бесплатно
Статья научная
Исследование посвящено анализу аберрации волнового фронта при изменении кривизны поверхности роговицы человеческого глаза. Анализ выполнен на основе представления аберраций передней и задней поверхности роговицы в виде суперпозиции функций Цернике. Объектом исследования являются весовые коэффициенты полиномов Цернике. Данные были получены в ряде клинических испытаний в глазной клинике Бранчевского. Был проведен анализ наиболее информативных весовых коэффициентов с точки зрения классификации пациентов по определённым диагнозам. Было произведено сравнение результатов классификации по тридцати признакам как на передней, так и на задней поверхности роговицы, а также по наиболее информативным признакам. Ранжирование признаков осуществлялось по критерию информативности для решения конкретной задачи классификации. При проведении исследований информативность оценивалась на основе значений критерия разделимости. Дополнительная оценка информативности проводилась путём вычисления ошибки классификации методом К-средних. В результате анализа выделены базисные функции Цернике, наиболее информативные для определённых патологий глаза.
Бесплатно
Вычисление преобразований Фурье-Галуа в редуцированных бинарных системах счисления
Статья научная
В работе предлагается новый метод вычисления преобразований Фурье-Галуа (теоретико-числовых преобразований), являющихся модулярным аналогом дискретного преобразования Фурье. Ряд специфических проблем, связанных с вычислением преобразований в конечном поле, удаётся решить с помощью представления элементов этих полей в «экзотических» системах счисления, являющихся редукциями канонических систем счисления И. Катаи при отображении соответствующего кольца целых квадратичного поля в поле классов вычетов по простому модулю. Подробно исследуется случай бинарных редуцированных систем счисления. Доказывается, что такие системы счисления существуют для любого простого числа.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе рассматривается задача повышения точности обнаружения живых объектов в здании, описываемых пространством экологических факторов. Для решения поставленной задачи реализована модель логистической регрессии при условии неустойчивости оценок параметров для почти линейно разделимых классов. Создан алгоритм выявления аномалий, разрешающий компромисс между наличием выбросов и точностью распознавания. Эффективность предложенного алгоритма и целостность теоретических обоснований получили подтверждение при проведении вычислительных экспериментов.
Бесплатно
Статья научная
Представлен и описан способ корреляционного и амплитудно-частотного анализа данных наблюдения геомагнитных вариаций и космической погоды на основе концепции единого информационного пространства, моделей и методов вейвлет- и Фурье-анализа и геоинформационных технологий. Способ включает формализованные элементы математического и методического обеспечений для задач амплитудно-частотного и корреляционного анализа данных наблюдения геомагнитных вариаций и космической погоды и верифицируется посредством предложенного и разработанного авторами экспериментального образца платформонезависимой веб-ориентированной геоинформационной системы GEOMAGNET (http://www.geomagnet.ru). Для апробации способа использованы результаты наблюдений магнитных обсерваторий сети INTERMAGNET, а также данные космической погоды, регистрируемые искусственным спутником Земли ACE. Приводятся, обсуждаются и оцениваются полученные посредством системы GEOMAGNET результаты наблюдения, автоматизированного корреляционного и амплитудно-частотного анализа информационных сигналов, отражающих в режиме контрольного времени вариации параметров геомагнитного поля и космической погоды как на поверхности Земли, так и в околоземном пространстве.
Бесплатно
Геометрически обоснованный метод формирования атомных кластеров Морса больших размеров
Статья научная
В статье предлагается геометрически обоснованный метод построения начальной конфигурации полной икосаэдрической структуры атомного кластера, обеспечивающий нахождение глобального минимума энергии кластера за счёт однократного выполнения процедуры локальной оптимизации. Основу метода составляет предложенный алгоритм послойного размещения центров атомов кластера, позволяющий формировать структурные конфигурации, часто встречающиеся среди кластеров с глобально-минимальной энергией взаимодействия его атомов. Данный алгоритм предоставляет возможность строить пространственные конфигурации плотной упаковки шаров при формировании икосаэдрических и декаэдрических структур, а также полных икосаэдров с большим количеством атомов. С помощью предложенного метода достигнуты минимальные значения энергии атомных кластеров Морса больших размеров ( N = 817, 923 и 1415), которые являются рекордными для кластеров Морса с r = 6.
Бесплатно
Статья научная
В работе предложена гибридная модель прогнозирования, включающая рекуррентную схему штрафного P -сплайна с адаптацией параметров на основе алгоритмов эволюционной оптимизации. В задачах краткосрочного прогнозирования, особенно в системах реального времени, актуальной является задача повышения скорости прогноза без ухудшения его качества. Высокая скорость прогнозирования в данном подходе достигается экономичной вычислительной схемой рекуррентного P -сплайна при малой глубине предыстории. А одновременная адаптация нескольких параметров P -сплайна позволяет управлять точностью прогноза.
Бесплатно
Статья научная
В работе расширен подход, использующий трёхмерные градационные траектории в метрическом пространстве CIE Lab в качестве аналогов традиционных градационных кривых. Показано, что математический аппарат дифференциальной геометрии пространственных кривых, описывающий градационные траектории, может быть дополнен более простым дискретным подходом. Демонстрируются возможности применения дискретного метода вычисления градационных траекторий к задачам линеаризации цифровых печатных систем.
Бесплатно
Детектирование книг на книжных полках при помощи глубоких нейронных сетей
Статья научная
Глубокие нейронные сети в настоящее время получили широкое распространение в различных сферах деятельности человека, в том числе тех, где требуется работа с большим объемом данных, а также операции по получению и обработке информации из окружающего мира. В данной статье рассмотрено создание сверточной нейронной сети на основе архитектуры YOLO по детектированию книг в режиме реального времени. Описаны процесс создания собственного набора данных и обучение на нем глубокой нейронной сети. Приведена структура полученной нейронной сети, и рассмотрены наиболее часто используемые метрики для оценки качества ее работы. Также сделан краткий обзор существующих видов архитектур нейронных сетей. Выбранная в качестве основы для нейросети архитектура обладает рядом преимуществ, позволяющих ей в значительной мере конкурировать с другими моделями нейросетей и делающих ее наиболее подходящим вариантом для создания сети, нацеленной на детектирование объектов, так как при ее разработке были значительно снивелированы некоторые часто встречающиеся недостатки подобных сетей (проблемы с распознаванием схожих по оформлению, имеющих одинаковый цвет обложек или расположенных под наклоном книг). Результаты, полученные в ходе обучения глубокой нейронной сети, позволяют использовать ее в качестве основы для дальнейшей разработки приложения, целью которого будет являться детектирование книг по книжным корешкам.
Бесплатно
Статья научная
В работе предлагается метод адаптивного управления сигналами/фазами светофоров в интеллектуальных транспортных и геоинформационных системах, основанный на детерминированной прогнозной модели. Под детерминированной прогнозной моделью в работе понимается набор явных аналитических закономерностей и / или операций, связывающих информацию о движении транспортных средств в окрестности конкретного перекрёстка, с данными о прогнозируемом «потоке» транспортных средств через перекрёсток за одну конкретную фазу светофорного цикла. Предлагаемый метод управления основывается на выборе фазы светофорного цикла, прогнозируемый поток для которой оказывается максимален. Таким образом, метод обеспечивает управление сигналами / фазами светофоров на основе данных о движении транспорта, включая данные с подключенных и автономных транспортных средств. Экспериментальные исследования были проведены в системе микроскопического моделирования транспортных потоков SUMO. Представлено сравнение предложенного метода с решениями, обладающими лучшими в своём классе показателями эффективности: эмпирическими алгоритмами управления и методами управления на основе обучения с подкреплением. Показано преимущество предложенного метода, определены направления дальнейших исследований.
Бесплатно
Дискретные ортогональные преобразования на решетках целых элементов квадратичных полей
Статья
В работе вводится новый класс (двумерных) дискретных ортогональных преобразований, определенных на решетках целых элементов квадратичных полей. Метод синтеза таких преобразований существенно использует специфику представления целых квадратичных элементов в так называемых квазиканонических системах счисления. В данной статье, представляющей результаты первой части исследований автора, рассматриваются дискретные ортогональные преобразования, связанные исключительно с бинарными системами счисления в квадратичных полях. Рассматриваются также вопросы синтеза быстрых алгоритмов введенных дискретных ортогональных преобразований и возможность их применения к анализу фрактальных (или самоподобных) объектов.
Бесплатно
Дискретные ортогональные преобразования с базисами, порождёнными самоподобными последовательностями
Статья научная
В работе вводятся и исследуются новые базисы дискретных ортогональных преобразований, ассоциированные с некоторыми рекурсивными процессами и обладающие свойством самоподобия. Доказываются достаточные условия ортогональности системы базисных функций. Для преобразований с введенными базисами синтезируются быстрые алгоритмы преобразований. Обсуждается связь рассматриваемых базисов с аналитическими свойствами производящих рядов Дирихле.
Бесплатно
Инкрементное обучение алгоритма обнаружения нехарактерного поведения на основе главных компонент
Статья научная
Предложена схема инкрементного обучения алгоритма обнаружения нехарактерного поведения на основе главных компонент. Результаты экспериментов на наборе данных лаборатории университета Калифорнии в Сан-Диего и экспериментально полученных видео при разном количестве обучающих примеров свидетельствуют о достижении результатов, схожих с процедурой обычного обучения. При этом предложенная схема позволяет в несколько раз сократить время инкрементного обучения в сравнении с подходом на основе спектрального разложения.
Бесплатно
Статья научная
При анализе вещества с кристаллической наноструктурой наибольший интерес представляет задача параметрической идентификации кристаллических решёток. Однако существующие методы решения данной задачи, такие как метод оценивания параметров ячейки Браве и метод оценивания объёма ячейки Вигнера-Зейтца, не обеспечивают требуемую точность. В настоящей статье предлагается алгоритм параметрической идентификации кристаллических решёток на основе градиентного метода наискорейшего спуска для решения проблемы низкой точности идентификации. Исследование возможности структурной идентификации проводилось с использованием большого набора искажённых решёток. Полученные результаты показали существенный рост точности по сравнению с существующими методами параметрической идентификации.
Бесплатно
Исследование алгоритмов расстановки коагулятов на изображение глазного дна
Статья научная
Диабетическая ретинопатия - одно из часто встречающихся осложнений сахарного диабета, приводящая к тяжёлым последствиям, в том числе к быстрому и необратимому снижению зрения. Для лечения диабетической ретинопатии активно используется процедура лазерной коагуляции, заключающаяся в нанесении серии микроожогов на глазное дно с целью устранения макулярного отёка. Существующие в настоящее время программные пакеты ориентированы, в первую очередь, на использование заданного шаблона (паттерна) для расстановки коагулятов. Следствием применения шаблонов становится неравномерность расстановки коагулятов по причине высокой вариабельности форм отёка и сосудистого русла. Решение данной проблемы напрямую связано с решением задачи плотной упаковки шаров (для случая двумерного изображения - кругов) в заданную область интереса. Поскольку одним из основных требований специалистов к процедуре лазерной коагуляции является скорость её проведения, то разрабатываемые алгоритмы должны по возможности обладать низкой вычислительной сложностью...
Бесплатно
