Algoritmy zpracování biosignálů v jazyce C

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra informačních a komunikačních technologií v lékařství

Anotace:

Formou prakticky orientovaného výkladu a demonstračních úloh bude vysvětlen princip a realizaci nejpoužívanějších algoritmů pro zpracování biosignálů a jejich konkrétní funkční (a časově i paměťově efektivní) implementace v jazyce C a C++. Absolventi budou obeznámeni s konkrétními řešeními základních algoritmických problémů při zpracování biosignálů: se segmentací, analýzou v časové a frekvenční oblasti, s návrhem lineárních číslicových filtrů (FIR a IIR) a s vizualizací výsledků. Vstupní požadavky předmětu: základní vědomosti o systémech a zpracování signálů, základy ISO C. Výstupní znalosti, dovednosti, schopnosti a kompetence: Student se orientuje v oblasti algoritmů předzpracování a inteligentní segmentace biologických časových řad v C a C++, např.: algoritmus FFT, SFFT a wavelet transformace, algoritmus výpočtu autokorelační a vzájemné korelační funkce, konvoluce apod. Zvládá v jazyce C implementovat metodu plovoucího časového okna pro extrakci příznaků a základní algoritmy návrhu a realizaci číslicových filtrů FIR a IIR. Chápe a umí realizovat v jazyce C základní způsoby vizualizace biologických dat a výsledků jejich zpracování.

Požadavky:

Povinná účast na cvičeních, realizace průběžně bodovaných úloh na jednotlivých cvičeních.

Osnova přednášek:

1. Reprezentace 1D signálů v jazyce C, užitečný signál a šum,

2. Alokace paměti pro 1D a 2D data (signály a obrázky), načítání dat do paměti počítače,

3. Algoritmy pro bodový odhad střední hodnoty, rozptylu a dalších statistických příznaků,

4. Nestacionární signály, algoritmus výpočtu příznaků metodou plovoucího časového okna.

5. Algoritmy pro výpočet histogramu, odhad rozložení pravděpodobnosti, generování šumu, centrální limitní věta.

Algoritmy výpočtu autokorelační a vzájemné korelační funkce, konvoluce, příklad konvolutorního stroje.

6. Základy 1D a 2D grafiky v ISO C pro vizualizaci biosignálů. Modularita kódu a tvorba přenositelných knihoven funkcí v ISO C.

7. Implementace vybraných numerických metod v C (iterační řešení nelin. rovnic, numerická integrace a derivace, aproximace experimentálních dat),

8. Implementace DFT, FFT a WFFT, Wavelet transformace - časově-frekvenční oblast, výpočet spektrogramu v ISO C.

9. Význam a použití impulzní, přechodové a frekvenční charakteristiky lineárního systému.

10. Návrh a implementace číslicových filtrů FIR v jazyce C I.: metoda fouriérových řad,

11. Návrh a implementace číslicových filtrů FIR v jazyce C II.: metoda frekvenčního vzorkování,

12. IIR filtry Úvod, design a implementace v jazyce C.

13. Algoritmy pro HRV analýzu implementace algoritmů v ISO C pro výpočet lineárních parametrů

14. Algoritmy pro HRV analýzu implementace algoritmů v ISO C pro výpočet nelineárních parametrů.

Osnova cvičení:

1. Využití a tvorba knihoven funkcí v jazyce C a C++, modularita kódu. Návrh aplikačního rozhraní knihoven pro zpracování biosignálů. Příklady dostupných knihoven.

2. Praktická ukázka implementace algoritmů pro sběr biomedicínských dat na platformách MS Windows a GNU/Linux včetně grafického zobrazení výsledků, dílčí samostatná úloha.

3. Algoritmy pro analýzu biosignálů v časové oblasti - praktické ukázky algoritmů pro výpočet základních statistických a dalších parametrů, dílčí samostatná úloha.

4. Algoritmy pro analýzu biosignálů ve frekvenční oblasti - ukázka implementace algoritmu rychlé Fourierovy transformace (FFT) a spojité vlnkové (wavelet) transformace, dílčí samostatná úloha.

7. Algoritmy pro analýzu biosignálů v časově-frekvenční oblasti - ukázka implementace Gaborovy transformace a metody zhuštěných spektrálních kulis (CSA), dílčí samostatná úloha.

8. Algoritmy pro výpočet charakteristik lineárních systémů: korelační funkce, spektrální hustoty, impulsní odezvy, konvolutorní sumy.

9. Lineární číslicové filtry FIR a IIR, praktické ukázky algoritmů pro návrh. Reálná aplikace filtrů na biologické signály, porovnání metod dílčí samostatná úloha zahrnující syntézu i realizaci filtru.

10. Algoritmus pro implementaci fuzzy pravidlového systému. Algoritmus pro realizaci neuronové sítě (vícevrstvého perceptronu). Trénování neuronové sítě dílčí samostatná úloha.

11. Zadání samostatných úloh, rozdělení studentů do týmů pro řešení jednotlivých úloh,

časový plán řešení.

12. Analýza a návrh řešení zadané úlohy. Programování zadané úlohy.

13. Programování zadané úlohy.

14. Prezentace a kontrola výsledků.

Cíle studia:

Formou prakticky orientovaného výkladu a demonstračních úloh vysvětlit princip a realizaci nejpoužívanějších algoritmů pro zpracování biosignálů a jejich konkrétní funkční (a časově i paměťově efektivní) implementace v jazyce C a C++. Absolventi budou obeznámeni s konkrétními řešeními základních algoritmických problémů při zpracování biosignálů: se segmentací, analýzou v časové a frekvenční oblasti, s návrhem lineárních číslicových filtrů (FIR a IIR) a s vizualizací výsledků. Po absolvování předmětu se bude student orientovat v oblasti algoritmů předzpracování a inteligentní segmentaci biologických časových řad v C a C++, např.: algoritmus FFT, SFFT a wavelet transformace, algoritmus výpočtu autokorelační a vzájemné korelační funkce, konvoluce apod. Zvládá v jazyce C implementovat metodu plovoucího časového okna pro extrakci příznaků a základní algoritmy návrhu a realizaci číslicových filtrů FIR a IIR. Chápe a umí realizovat v jazyce C základní způsoby vizualizace biologických dat a výsledků jejich zpracování.

Studijní materiály:

Výukové materiály pro tento předmět jsou zveřejněny prostřednictvím e-learningového systému na adrese <a href="https://skolicka.fbmi.cvut.cz">https://skolicka.fbmi.cvut.cz</a>

Povinná literatura:

[1] Byrne: Signal processing : a mathematical approach, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2015

[2] Thareja: Programming in C, Second Edition, Oxford University Press, 2015.

Doporučená literatura:

[1] Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing, Cambridge University Press, Third Edition, 2007

Poznámka:

Další informace:

Výukové materiály pro tento předmět jsou zveřejněny prostřednictvím e-learningového systému na adrese <a href="https://skolicka.fbmi.cvut.cz">https://skolicka.fbmi.cvut.cz</a>

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika v aj (povinně volitelný předmět)
• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika v aj (povinně volitelný předmět)