Паттерновое проектирование при создании комплекса программ для проведения вейвлет-анализа

Решение задач анализа и синтеза сигналов с заданными характеристиками, идентификация динамических объектов, как правило, осуществляется на основе частотных (спектральных) характеристик [5].

Для определения частотных характеристик стационарных сигналов обычно применяют преобразование Фурье. Недостатком данного метода является невозможность определить время существования частоты в сигнале. Для решения данной проблемы и анализа нестационарных сигналов, применяют оконное преобразование Фурье. Однако этот метод не позволяет одновременно точно определять и частотную составляющую, и её положение во времени. В связи с этим при анализе частотных характеристик нестационарных сигналов в последнее время применяют вейвлет-преобразование. Преимуществом данного преобразования является возможность определить, какие частоты присутствуют в сигнале и время их существования [1].

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗА СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

На кафедре информационных систем и технологий СГАУ была разработана «Автоматизированная система вейвлет-анализа случайных процессов» [3, 6], состоящая из следующих подсистем [4]:

• 1)    генерации случайного процесса, предназначенная для моделирования исходного случайного процесса с заданным видом корреляционной функции по алгоритмам рекурсивной фильтрации;

• 2)    генерации модельного сигнала, предназначенная для генерации модельных сигналов заданного вида;

• 4)    вычисления вейвлет-преобразования, предназначенная для разложения анализируемого процесса на компоненты разного масштаба и дающая информацию о процессе во времени;

• 5)    вычисления преобразования Фурье, предназначенная для получения преобразования Фурье анализируемого процесса;

• 6)    вычисления оконного преобразования Фурье, предназначенная для получения оконного преобразования Фурье анализируемого процесса;

• 6)    построения вейвлетов, предназначенная для расчета значений заданных вейвлетов;

• 7)    вычисления теоретического вейвлет преобразования, предназначенная для вычисления вейвлет-преобразования модельного сигнала аналитически;

• 8)    вычисления погрешностей, предназначенная для вычисления абсолютных, относительных и квадратических погрешностей вейвлет-преоб-разования модельного сигнала;

• 9)    визуализации поверхности, предназначенная для визуализации графиков в трехмерном пространстве;

• 10)    хранения и загрузки используемых файлов и проверки их структур.

Структурная схема системы представлена на рис. 1.

Эта система позволяет провести:

• -    вейвлет-анализ исследуемых сигналов;

• -    исследование методов спектрального анализа (преобразования Фурье, оконного преобразования Фурье, вейвлет-преобразования) методом имитационного моделирования.

Приведем пример работы системы. Исходный сигнал имеет следующий вид:

^т2т,0 < т < 20, sin8T,20 < т < 50.

f ^{( т} ) = ‘

Рис. 1. Структурная схема системы

График данного сигнала представлен на рис. 2.

Проведем вейвлет-анализ данного сигнала, используя в качестве базового вейвлета восьмую производную функции Гаусса:

у ( г ) = - ⁸ - 28 т ⁶ + 210г⁴

-

„       \    ( г2 ^

420г² + 105 ) exp - - .

V 2)

Результатом вейвлет-преобразования является спектр исходного сигнала, представленный на рис . 3.

Опыт эксплуатации системы при решении ряда практических задач выявил необходимость модификации системы за счет расширения функциональных возможностей.

В связи с этим было принято решение о создании новой системы, воспользовавшись специальной технологией проектирования.

ПАТТЕРНЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Паттерны проектирования – это описание взаимодействия объектов и классов, адаптированных для решения общей задачи проектирования в конкретном контексте [2].

Одним из классических паттернов является, например, паттерн Model – View – Controller (MVC). Принцип данного паттерна показан на рис. 4.

Model (Модель) содержит в себе данные и бизнес-логику приложения и главной целью является сделать её независимой от остальных частей.

View (Вид) – это отображение данных из Модели.

Controller (Контроллер) перехватывает со-

Рис. 2. Исходный сигнал

Рис. 3. Спектр

Рис. 4. Принцип MVC

бытия из Вида и изменяет Модель.

Недостатком данного паттерна в данном случае является отсутствие двухсторонней коммуникации.

Проанализировав различные технологии, были выбраны паттерны проектирования ModelView-Presenter (MVP) и Inversion of Control (IoC) [2], позволяющие упростить разработку комплекса программ, сократить сроки ее разработки и уменьшить затраты, устранить зависимость между логической частью программы и её интерфейсом.

Рассмотрим данные паттерны более подробно.

Модель и Вид в паттерне MVP аналогичны тем, что используются в MVC.

Presenter (Презентер) обеспечивает связь между Моделью и Видом.

Модель и Вид взаимодействуют с Презен-тером посредством обработки событий, а Пре-зентер, в свою очередь, имеет доступ к Модели и Виду, т.к. он получает ссылки на Модель и Вид.

Принцип MVP показан на рис. 5.

При наличии ссылки на экземпляр Вида в Презентере возникает зависимость, из чего следует, что, при необходимости, будет сложно изменить Вид. Для решения данной проблемы применяется паттерн IoC, согласно которому вводится интерфейсный класс, содержащий в себе сигнатуры методов, которые Презентер должен вызывать у Вида. При этом Вид реализует данный интерфейс.

Рис. 5. Принцип MVP

ПАТТЕРНЫ ПРИ СОЗДАНИИ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ

На рис. 6 представлена часть диаграммы классов системы, на которой показана реализация вейвлет-преобразования с применением паттернов проектирования.

Data Wavelet Transformation User Control – это Вид (реализованный в виде пользовательского компонента), который содержит в себе элементы для отображения данных вейвлет-преобразования.

Данный Вид реализует интерфейс IData Wavelet Transformation View, который содержит свойства, методы и события, доступные Пре-зентеру.

Wavelet Transformation Model – это Модель. Она содержит в себе экземпляр класса, реализующего алгоритмы вейвлет-преобразования, а также свойства и методы, необходимые для реализации вейвлет-преобразования. Модель реализует интерфейс IWavelet Transformation Model, содержащий свойства, методы и события, доступные в Презентере.

Wavelet Transformation Presenter обеспечи- вает связь между Видом и Моделью, что позволяет обновить данные Модели, если, например, пользователем были внесены изменения, а также обновить Вид, если были проведены расчеты и Модель изменилась.

Аналогичным образом реализуется визуализация вейвлет-преобразования:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты анализа наличия ошибок в коде до и после применения паттернов проектирования представлены в таблице 1.

При применении данных паттернов для реализации комплекса были получены следующие преимущества:

• -    описание комплекса программ стало более простым и удобным за счет модульной структуры;

• -    комплекс программ более гибкий, по сравнению с предыдущей системой, появилась возможность добавить модули, необходимые для решения практических задач;

• -    снизилась трудоемкость при модификации алгоритмов вычисления вейвлет-преобразова-

  
  
  
  

  «Interface»

  I Vvb ve I e tTran sfor m ati о n Mod e

  
  
  
  
  

Рис. 6. Диаграмма классов вейвлет-преобразования

Таблица 1. Ошибки кода

Тип ошибки Автоматизированная система Комплекс программ Общие методы и улучшение кода 246 66 Предупреждения компилятора 3 2 Нарушения ограничений 695 52 Языковые возможности использования 318 67 Потенциальные проблемы качества кода 245 19 Избыточность кода 312 84 Избыточность в объявлении переменных 147 19 ния, организации имитационного моделирования и др.;

• -    отладка и тестирование алгоритмов стала проще.