Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика @vestnik-susu-cmi
Статьи журнала - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика
Все статьи: 329
Статья научная
В статье представлен метод уменьшения ошибки реконструкции изображения для рентгеновской компьютерной томографии путем применения вейвлет-фильтрации зашумленных проекционных данных. Вейвлет-преобразование и основанное на нем вейвлет-фильтрация одномерных сигналов дает возможность определять конкретное место соответствия частотной и временной (в данном случае пространственной по координате детекторов) области. Это позволяет однозначно определять переход из частотной области в пространственную и обратно. Для фильтрации проекционных данных используется вейвлет-преобразование, которое дает возможность через коэффициенты, определяющие масштабирующие функции и функции вейвлетов определять в частотной и пространственной области место шума в зашумленном сигнале и осуществлять выделение не зашумленного сигнала путем назначения порогов фильтрации на вышеуказанные коэффициенты. Для усиления фильтрующих свойств вейвлет-преобразования предложено разбивать проекционные данные на интервалы, для каждого из которых определяются свои коэффициенты. Вейвлет-фильтрация проводится с использованием вейвлетов Добеши. Результаты исследований были подтверждены математическим моделированием зашумленных проекционных данных, их вейвлет-фильтрации и реконструкции по ним тестового томографического изображения. Математическая модель тестового объекта исследования и разработанный авторами программный реконструктор томографического изображения позволили осуществлять моделирование прямой (получение проекционных данных по тестовому объекту), обратной (получение тестового томографического изображения по проекционным данным объекта) задач томографии и осуществлять сравнительный анализ качества реконструкции изображения с «идеальными» и зашумленными проекционными данными.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе предлагается преобразовать стандартную последовательную топологию информационного графа с дистрибутивными операциями к комбинированному варианту с последовательными и параллельными фрагментами, что позволяет эффективно описать реализацию вычислений в ресурсонезависимойформе. Конечная топология зависит от доступного вычислительного ресурса реконфигурируемой системы иобеспечивает повышение удельной производительности в сравнении с исходным вариантом. Разработанныйалгоритм преобразования линейной структуры в различные комбинированные топологии в зависимости отконфигурации вычислительной системы описан на языке программирования Set@l.
Бесплатно
Решение одной коалиционной игры в программных стратегиях при неопределенности
Статья научная
Игровые модели конфликтных ситуаций находят широкое применение на практике при решении задач управления системами различной природы. В работе построена математическая модель дифференциальной игры двух коалиций при неопределенности в программных стратегиях, рассмотрен вариант антагонистического взаимодействия между коалициями. Дано определение решения с использованием принципа гарантированного результата. Применение метода штрафов позволило преобразовать исходную максиминную задачу на связанных множествах к задаче на максимум. Доказаны теоремы существования решения для задач со штрафами, получена оценка погрешности, условия согласования штрафных констант и необходимые условия оптимальности.
Бесплатно
Решение прикладных задач с использованием DVM-системы
Статья научная
Резюме: DVM-система предназначена для разработки параллельных программ научно-технических расчетов на языках C-DVMH и Fortran-DVMH. Эти языки используют единую модель параллельного программиро-вания (DVMH-модель) и являются расширением стандартных языков Си и Фортран спецификациями параллелизма, оформленными в виде директив компилятору. DVMH-модель позволяет создавать эффективные параллельные программы для гетерогенных вычислительных кластеров, в узлах которых в качестве вычислительных устройств наряду с универсальными многоядерными процессорами могут использоваться ускорители (графические процессоры или сопроцессоры Intel Xeon Phi). В статье описывается опыт использования DVMсистемы для распараллеливания различных прикладных программ. Рассматривается метод инкрементального или частичного распараллеливания, возможности системы для работы с неструктурированными сетками, новые средства для отображения MPI-программ на многоядерные процессоры и ускорители. Исследуется эффективность выполнения параллельных DVMH-программ на гетерогенных вычислительных кластерах K10, K-100, Ломоносов и MVS-10P. Описаны основные преимущества DVM-подхода при разработке параллельных программ. Представлены основные возможности инструментов DVM-системы для анализа производительности и функциональной отладки параллельных программ. Определяются направления для дальнейшего развития DVM-системы.
Бесплатно
Статья научная
Поиск в ширину является одним из основных алгоритмов обхода графа и базовым для многих алгоритмов анализа графов более высокого уровня. Поиск в ширину на графах является задачей с нерегулярным доступом к памяти и с нерегулярной зависимостью по данным, что сильно усложняет его распараллеливание на все существующие архитектуры. В статье будет рассмотрена реализация алгоритма поиска в ширину (основного теста рейтинга Graph500) для обработки больших графов на различных архитектурах: Intel х86, IBM Power8+, Intel KNL и NVidia GPU. Будет рассмотрены алгоритмы реализации поиска в ширину, такие как top-down обход, bottom-up обход и гибридный обход, содержащий в себе как top-down, так и bottom-up обходы. Будут описаны особенности реализации алгоритма на общей памяти, а также преобразования графа: локальная сортировка вершин графа, глобальная сортировка вершин графа, перенумерация всех вершин графа, сжатое представление вершин графа. Данные преобразования и гибридный алгоритм обхода позволяют достичь рекордных показателей производительности и энергоэффективности на данном алгоритме среди всех одноузловых систем рейтинга Graph500 и GreenGraph500.
Бесплатно
Сглаживание ломаных линий составными сплайнами Безье
Статья научная
В работе рассматривается новый итеративный метод построения на плоскости гладкого сплайна, состоящего из кубических кривых Безье и повторяющего форму заданной ломаной линии с требуемой точностью. На каждой итерации метода выполняются следующие операции: выбор количества узлов интерполяции сплайна, размещение их на заданной ломаной линии по определенному правилу, построение гладкого составного сплайна Безье, проходящего через эти узлы, и оценка точности аппроксимации, то есть, близости построенного сплайна и заданной ломаной линии. Выбор положения узлов интерполяции сплайна на заданной ломаной линии выполняется с помощью сопоставления мер близости смежных кривых Безье, из которых состоит сплайн, и участков ломаной линии, которые аппроксимируют эти кривые. Приводятся примеры сглаживания ломаных линий различной сложности, в том числе ломаных линий с самопересечениями, подтверждающие эффективность предложенного метода. Результаты работы можно использовать в различных приложениях, например, при построении траектории движения автоматических транспортных средств и мобильных роботов, при проектировании технических объектов в системах автоматизированного проектирования, при картографической генерализации линейных картографических объектов, при проектировании шрифтов и др.
Бесплатно
Сегментация 3D моделей данных с помощью мультимодального динамического графа CNN
Статья научная
В работе предложен метод семантической сегментации облаков точек в виде рельефа местности с использованием мультимодальной архитектуры сверточной нейронной сети на основе регулярного динамического взвешенного графа, которая позволяет получать точное решение задачи семантической сегментации, используя комбинацию геометрических и цветовых признаков точек. Метод может быть эффективно использован для разреженных, зашумленных, неоднородных и невыпуклых облаков точек. В работе было проведено компьютерное моделирование известных методов для семантической сегментации 3D данных с использованием эталонной коллекции данных ModelNet 40 и набора данных археологических памятников бронзового века Южного Зауралья, а именно данных, полученных в результате тахеометрической съемки комплекса археологических памятников в долине реки Синташта с использованием тахеометра Trimble 3300. Был проведен сравнительный анализ предложенного метода и современных методов 3D семантической сегментации с разными комбинациями входных признаков облаков точек, также в работе исследовано влияние на точность семантической сегментации способа формирования облака точек: в первом случае исследовалось облако точек из эталонного набора данных во втором случае применены варианты с использованием 3D регистрации на основе алгоритма ICP (iterative closest point).
Бесплатно
Система интеллектуального анализа данных физиологических исследований в спорте высших достижений
Статья научная
В работе представлена архитектура системы MedMining, которая предназначена для интеллектуального анализа данных физиологических исследований спортсменов. Система обеспечивает экспорт результатов измерений в хранилище данных. Поддерживается хранение как необработанных результатов измерений (значений, поступающих непосредственно с приборов), так и их обработанных аналогов (получаемых путем усреднения, аппроксимации или других интегрирующих действий над обработанными данными). Интеллектуальный анализ результатов измерений направлен на определение ключевых показателей результативности и эффективности методики тренировок, а также поиск трендов и аномалий в этих показателях для гибкого изменения тренировочного графика.
Бесплатно
Система учета посещаемости студентов на основе распознавания лиц
Статья научная
В настоящее время одним из значимых факторов для повышения качества подготовки специалистов является учет посещаемости студентов. Данный процесс может быть автоматизирован. В статье предлагается подход к построению системы учета посещаемости студентов на основе технологии распознаваниялиц, которая позволяет идентифицировать множество людей одновременно без прямого контакта с ними ибез использования дорогостоящего оборудования. Данный подход основан на сверточных нейронных сетях RetinaFace и ResNet, выбранных на основе обзора современных методов распознавания лиц, представленного в статье. Архитектура нашей системы учета посещаемости дополнена процедурами предобработкиизображений, которые по предложенной нами методике, основанной на мере BREN, проверяют качествоизображения и при необходимости применяют к изображению алгоритмы для уменьшения шума, повышения резкости, увеличения яркости и выравнивания цветов. Представлены результаты вычислительныхэкспериментов, показавшие более высокую эффективность предложенного подхода по сравнению с аналогами.
Бесплатно
Системный подход к суперкомпьютерному образованию
Статья научная
Система суперкомпьютерного образования создается в рамках выполнения проекта Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России «Создание системы подготовки высококвалифицированных кадров в области суперкомпьютерных технологий и специализированного программного обеспечения». В данной статье дается краткая характеристика создаваемой Системы, рассматривается ее структура и основные компоненты. Главный акцент делается на системность реализуемого подхода, позволяющую заложить основу для внедрения суперкомпьютерного образования в практику образовательных учреждений России.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются архитектура и сравнительные технические характеристики реконфигурируемых вычислительных систем (РВС) на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) семейства Xilinx Virtex-7: вычислительных модулей 24V7-750 и «Тайгета», устанавливаемых в вычислительный шкаф, и реконфигурируемого вычислительного блока «Калеано» для настольного использования. Рассматриваются также архитектура и компоновка РВС нового поколения на основе жидкостного охлаждения, приводятся результаты расчетов и макетирования основных технических решений. Рассматриваются технологии решения прикладных задач с помощью комплекса средств разработки прикладного программного обеспечения. РВС нового поколения на основе жидкостного охлаждения позволяют достичь производительности 1 Пфлопс в стандартном вычислительном шкафу высотой 47U при потребляемой мощности 150 кВт, обеспечивая, тем самым, существенное преимущество по таким технико-экономическим параметрам, как реальная и удельная производительность, энергоэффективность, массогабаритные характеристики и другим по сравнению с аналогичными системами.
Бесплатно
Создание симулятора для имитационного моделирования образовательного ресурсного центра
Краткое сообщение
Данная статья посвящена проблеме создания образовательных ресурсных центров, как средства организации экономически выгодного удаленного доступа образовательных учреждений к платному программному обеспечению. ЦОД образовательного ресурсного центра по- строен на базе инновационной технологии программно-конфигурируемых сетей, что позволяет эффективно решать проблемы маршрутизации и обеспечения качества обслуживания. Для исследования алгоритмов планирования виртуальных классов и виртуальных машин образовательного ресурсного центра необходимо создание его симулятора. С помощью диаграмм UML описывается проект создания симулятора - диаграмма вариантов использования показывает его функциональные возможности, а диаграмма деятельности - принцип его функционирования. Также разработана имитационная модель образовательного ресурсного центра, включая имитационные схемы всей системы в целом, вычислительного узла, коммутатора OpenFlow и контроллера OpenFlow.
Бесплатно
Сравнение областей истинности запросов к реляционной базе данных
Статья научная
В данной статье предлагается описание подходов аналитического сравнения пользовательских запросов к реляционной базе данных. Такое сравнение имеет целью установление возможности частичного или полного использования закэшированных на компьютере пользователя запросов к СУБД и основано на применении аппарата логики предикатов, где в качестве формул выступают логические ограничения SQL, а предикатами служат элементарные операции SQL. В случае, если результат выполнения пользовательского запроса полностью содержится в кэше, то данные можно взять оттуда, минуя запрос к удаленному серверу. Описанные подходы выражены в алгоритме использования кэшированных данных. Предложенный алгоритм также может быть использован для определения недостающих в кэше данных и последующего запроса только на эти данные. Для этого также используются аналитические вычисления, что экономит сетевой трафик и время на выполнение запросов и является принципиальным отличием данной технологии от существующих аналогов.
Бесплатно
Сравнение производительности пакетов симуляции квантовых вычислений QuEST и Intel-QS
Статья научная
В ближайшем будущем появятся квантовые компьютеры, пригодные для практического использования. Разработка квантовых алгоритмов может проводиться с использованием классических компьютеров и специализированного программного обеспечения, позволяющего симулировать работу квантовой схемы. Результаты моделирования могут использоваться для анализа алгоритма, а также способствуют ко-дизайну при разработке квантовых архитектур. Однако при планировании и выполнении численных экспериментов необходимо понимать возможности симуляторов и ограничения на параметры квантовой схемы, накладываемые характеристиками доступных классических вычислительных ресурсов. В работе представлены результаты вычислительных экспериментов по симуляции работы квантовых схем на идеальном квантовом компьютере с использованием пакетов QuEST и Intel-QS, а также собственной «наивной» реализации. Показаны ограничения на размер моделируемой квантовой системы N при использовании вычислительных систем различного класса - виртуальной машины, вычислительного сервера, вычислительного сервера с графическим ускорителем, суперкомпьютера (маскимальный достигнутый размер N = 33). Приведены характеристики производительности и масштабируемости рассматриваемых реализаций на общей и распределенной памяти (наблюдаемая эффективность масштабирования - 30 % и 70 % соответственно). Для пакета QuEST и собственной реализации представлена производительность при использовании графических сопроцессоров.
Бесплатно
Сравнение целевых функций в задаче Прони для аппроксимации данных измерений
Статья научная
В работе проводится сравнение двух целевых функций в задаче Прони аппроксимации данных измерений решениями линейного дифференциального уравнения заданного порядка с постоянными коэффициентами. Целевые функции различаются типом зависимости градиента от коэффициентов уравнения (линейная или со сложной нелинейностью) и являются 1) нормой невязки уравнения (линейный метод наименьших квадратов) или 2) нормой ошибки аппроксимации по А. Хаусхолдеру (вариационный метод идентификации). В последнем случае производится совместная оптимизация коэффициентов дифференциального уравнения и начальных условий решения. Для рассмотренных целевых функций вычислены константы локальной устойчивости решения задачи Прони с использованием локальных разложений зависимостей оптимальных коэффициентов уравнения как неявных функций от данных из условия равенства градиента целевой функции нулю. На этой основе предложен способ определения допустимой погрешности в данных задачи для обеспечения заданного уровня отклонения решения от истинного значения. На примере К. Ланцоша вычисления показателей экспонент по наблюдениям суммы трех экспонент с ошибками округления показано существенное преимущество (с точки зрения допустимой погрешности в данных) использования вариационной целевой функции. Адекватность используемых локальных показателей устойчивости для немалых возмущений проверяется численным экспериментом.
Бесплатно
Статья научная
Проводится сравнение эффективности CPU и GPU реализаций некоторых комбинаторных алгоритмов, используемых в криптоанализе. В частности, анализируются причины, по которым не удается эффективно реализовать на GPU алгоритмы, осуществляющие «интеллектуальный перебор». Показывается, что применение специальных техник трансформации потока управления позволяет существенно компенсировать потери производительности, возникающие из-за неэффективного исполнения условных переходов на SIMD-устройстве. Однако ограничения, которые накладывают механизмы работы с памятью, применяемые в современных GPU, для рассматриваемых алгоритмов оказываются непреодолимыми. В качестве тестовых задач рассматриваются задачи обращения криптографических функций DES и A5/1.
Бесплатно
Краткое сообщение
В работе предложена динамическая модель конкурентного поведения предприятий сотовой связи в виде системы дифференциальных уравнений с запаздыванием. Реализованы численные методы и алгоритмы для решения задачи оптимального управления поведением операторов сотовой связи в условиях конкурентной борьбы за потребителей услуг связи. Сформулирована и решена задача оптимального управления поведением предприятий сотовой связи с постоянным запаздыванием с использованием принципа максимума Понтрягина для систем с постоянным запаздыванием. Получены условия оптимальности для решения задачи управления динамикой развития абонентской базы фирмы № 1. Реализован метод линеаризации системы нелинейных дифференциальных уравнений с запаздыванием и проведен поиск оптимального решения задачи посредством операций улучшения управления, повторяемых в итерационной процедуре, на примере метода Шатровского.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются существующие средства проектирования цифровых устройств в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), языки программирования реконфигурируемых вычислительных систем и возможность их использования при программировании многокристальных реконфигурируемых вычислительных систем. Также рассмотрены разработанные в НИИ МВС ЮФУ язык программирования высокого уровня COLAMO и комплекс средств разработки многокристальных решений на реконфигурируемых вычислительных системах. Особое внимание уделено новому подходу в программировании, заключающемуся в разработке и использовании настраиваемых проблемно-ориентированных софт-архитектур, которые позволяют сократить количество трансляций конфигурационных файлов ПЛИС при отладке параллельных программ на реконфигурируемых вычислительных системах. Проблемно-ориентированные софт-архитектуры дают возможность без перезагрузки файлов конфигурации ПЛИС вычислительного поля с помощью программной настройки изменять коммутацию между устройствами и создавать необходимые вычислительные структуры для решения прикладных задач пользователя, что существенно сокращает время отладки параллельных прикладных программ.
Бесплатно
Статически-детерминированный метод прогнозирования динамических характеристик параллельных программ
Статья научная
В статье рассматривается задача прогнозирования характеристик параллельных приложений. Изучаются динамические характеристики, описывающие выполнение параллельных приложений - время выполнения, количество операций с плавающей точкой, потребляемая электроэнергия, количество обращений в память и другие. Прогнозирование динамических характеристик позволяет решать многие проблемы, связанные с проектированием новых архитектур, выбором наиболее подходящих конфигураций многопроцессорных систем для решения конкретных задач, портированием приложений на новые системы, планированием потоков задач и многие другие. Задача прогнозирования характеристик активно исследуется. Возрастающая сложность архитектур современных высокопроизводительных систем требует разработки новых методов решения задачи прогнозирования. В статье дается обзор существующих подходов и программных средств для прогнозирования динамических характеристик и предлагается подход, основанный на статическом анализе исходного кода параллельного приложения. На основе текста параллельной программы, формального описания целевой вычислительной платформы и параметров запуска реализован метод, позволяющий прогнозировать время работы, количество выполненных операций вещественной арифметики, обращения к памяти и другие характеристики параллельного приложения. Применимость предложенного подхода продемонстрирована на примере решения тестовой трехмерной задачи численного моделирования на многопроцессорном кластере на базе процессоров IBM Power8.
Бесплатно
Статья научная
При параллельной реализации итерационных численных методов на регулярных сетках возникает необходимость в статической или динамической балансировке вычислительной нагрузки. Для исследования того или иного алгоритма балансировки нагрузки важно проводить его разносторонее тестирование на множестве различных задач рассматриваемого класса с различными конфигурациями вычислителя и различными наборами входных данных задач. В статье представлен тестовый стенд, предназначенный для автоматизации проведения такого тестирования. Он позволяет описать прикладную задачу и подключить реализацию алгоритма статической или динамической балансировки вычислительной нагрузки для последующего тестирования на мультикомпьютере. На выходе стенд предоставляет информацию о том, как происходило исполнение итерационного сеточного метода с точки зрения баланса вычислительной нагрузки. Приведен пример использования стенда для исследования диффузионного алгоритма динамической балансировки нагрузки на процессоры мультикомпьютера.
Бесплатно
