Дисертації (КЕОА)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Модифікований нейромережний метод рейтресингової аберометрії ока(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Ярошенко, Максим Олександрович; Яганов, Петро ОлексійовичЯрошенко М.О. Модифікований нейромережний метод рейтресингової аберометрії ока. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 “Телекомунікації та радіотехніка”. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої та актуальної науково-прикладної задачі – вдосконалення рейтрейсингового методу аберометрії ока шляхом застосування методів машинного навчання, зокрема штучних нейронних мереж, задля підвищення його точності. Дисертаційне дослідження складається зі вступу та п’яти розділів, які відображають та обґрунтовують основні результати роботи. У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, висвітлено зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами НДР КПІ ім. Ігоря Сікорського. Сформульовано мету та вказані задачі, вирішення яких передбачає досягнення мети дослідження. Визначено об’єкт, предмет та методи дослідження, надано інформацію про наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію про висвітлення результатів роботи в періодичних наукових виданнях та їх апробацію на наукових конференціях. Перший розділ присвячено розгляду рейтрейсингового методу аберометрії ока людини, його обмежень та переваг. В результаті огляду літературних джерел виявлено можливості для вдосконалення рейтрейсингового методу аберометрії ока та проблеми, які можуть супроводжувати дослідження. Виходячи з цього, сформовано перелік завдань, результатом виконання яких є створення модифікованого нейромережного методу рейтрейсингової аберометрії. По-перше, пропонується розв’язати проблему нестачі вибірок вимірювань аберацій, оскільки ця проблемаускладнює досягнення мети не тільки даної роботи, але і подальші дослідження та розробку методів офтальмологічної аберометрії загалом. Подруге, заплановано розробку та аналіз модифікації рейтрейсингового методу із використанням наявної вдосконаленої конструкції рейтрейсингового аберометра. Втім, у випадку виявлення недоліків, третім завданням визначено розробку модифікації методу, яка б потребувала, за необхідності, іншого способу вимірювання та, відповідно, іншої оптичної системи для імплементації методу. В якості четвертого завдання виділено дослідження та розробку способів корекції визначення аберацій в складі модифікованого нейромережного методу аберометрії. Розробку методу надроздільної здатності абераційних мап обрано п’ятим завданням, оскільки, у випадку практичної реалізації розробленого в ході роботи модифікованого методу рейтрейсингової аберометрії, створення серійних вимірювальних приладів цілком ймовірно може стикнутися з неможливістю вимірювання певних коефіцієнтів Церніке, що описують аберації вищих порядків. У другому розділі описано розробку методу для генерації офтальмологічних аберометричних даних у вигляді наборів коефіцієнтів Церніке із застосуванням генеративно-змагальної нейронної мережі. Враховуючи те, що для навчання використовувалася вибірка розміром в 50 наборів, приділено увагу пошуку спеціалізованих методів аугментації даних з метою покращення навчання мережі. Використано метод аугментації, що ґрунтується на застосуванні обернених перетворень. Застосовано перетворення, що охоплюють не тільки маніпуляції зі значеннями коефіцієнтів у векторі, а й операції над піксельними зображеннями викривлень хвильового фронту за наборами коефіцієнтів. Для перевірки працездатності методу створено архітектуру генеративно-змагальної нейронної мережі, проведене її навчання. Результат навчання оцінено за метриками творчості, спадковості та різноманіття. Третій розділ містить в собі опис модифікації методу рейтрейсингової аберометрії для одночасного сканування декількох точок зіниці шляхомодночасного засвічування декількох випромінювачів. Для розв’язання проблеми, що постає в такому випадку, а саме проблеми некоректного зіставлення координати відбитка та позиції променя сканування, розроблено метод на основі нейронної мережі класифікації та угорського алгоритму. Наведено відомості щодо шарів довгої короткочасної пам’яті як основних для запропонованого методу. Проведено навчання нейронної мережі та оцінку результатів. Виходячи з наявності обмежень, обумовлених складнощами імплементації, обґрунтовано рішення для розробки нейромережної модифікації рейтрейсингового методу аберометрії, яка б використовувала інший спосіб вимірювання, який потребує іншої оптичної системи. У четвертому розділі представлено опис оптичної системи для реалізації запропонованої нейромережної модифікації рейтрейсингового методу, приклад первинної обробки даних, спосіб розрахунку першого наближення для визначення аберацій за допомогою нейронної мережі, а також опис агенту та середовища навчання з підкріпленням, призначеного для уточнення результатів. Розділ містить опис симуляції в спеціалізованому програмному забезпеченні, за результатами якої запропоновано приклад алгоритму отримання інформації про форму світлової плями на детекторах, отриманої шляхом підсвічування ока аналогічно до методу Гартмана-Шека – шляхом створення точкового джерела світла на сітківці в місці перетину із головною оптичною віссю. Описано штучну нейронну мережу прямого розповсюдження, яка за сигнатурами світлових плям на детекторах оцінює набір коефіцієнтів Церніке, що описують викривлення хвильового фронту відбитого від сітківки випромінення, яке пройшло крізь оптичну систему ока. Проведено навчання нейронних мереж та наведено його результати. Невелику частину (10 примірників) використано для перевірки працездатності та навчання агента для уточнення результату. Розроблено середовище для роботи агента, яке імітує оптичну систему, що використовується для вимірювань. Створено агента на базі методу глибокого Q-навчання. Додатково створено агент на базі методу оптимізації проксимальної політики та проведено йогонавчання з метою дослідження доцільності його використання як модифікації глибокого Q-навчання. П’ятий розділ містить в собі опис методу на основі штучної нейронної мережі для надроздільної здатності викривлень хвильового фронту. Для визначення коефіцієнтів Церніке вищих порядків за значеннями коефіцієнтів нижчих порядків, розроблено штучну згорткову нейронну мережу, проведено її навчання та наведено результати. Використано вибірку, яка складається з зображень хмарного неба, фрагменти яких перетворено на нормовані зображення викривлень хвильових фронтів, за якими розраховано коефіцієнти Церніке для створення навчаючої вибірки. У дисертаційній роботі отримано наступні нові наукові результати дослідження: 1. Набув подальшого розвитку рейтрейсинговий метод аберометрії ока шляхом модифікації із застосуванням нейронних мереж на різних етапах функціонування методу: перше наближення визначення характеристик аберацій, уточнення результату та оцінка аберацій вищих порядків. Це дозволило підвищити точність методу. Зокрема за оцінками в симуляції точність при визначенні дефокусу підвищено на 25% порівняно з існуючим аберометром iTrace у випадку викривлень зображення на детекторі не більше ніж 0.1 за відстанню Жаккара. Також запропонована модифікація дозволяє знизити вимоги до оптичної системи, необхідної для реалізації приладу, пришвидшити процес вимірювання шляхом одночасного сканування, а також надає можливість прогнозувати значення коефіцієнтів Церніке високих порядків на основі коефіцієнтів аберацій нижчих порядків (при апроксимації коефіцієнтів 6 та 7 порядків похибка становить не більше 4% за метрикою SMAPE). 2. Набуло подальшого розвитку генерування аберометричних даних у вигляді векторів коефіцієнтів Церніке. Це досягнуто шляхом застосування розробленої в рамках роботи генеративно-змагальноїнейронної мережі. Використання перетворення наборів коефіцієнтів Церніке у двовимірне зображення розширило можливості аугментації вхідних даних, що є особливо актуальним в умовах низької доступності клінічних даних та значних потреб у навчаючих вибірках для розробки рішень на основі штучних нейронних мереж для використання в офтальмологічній аберометрії. Розроблений метод придатний до синтеза даних, що мають розподіл, схожий з навчаючою вибіркою (відстань Фреше дорівнює 0.7), і які одночасно не є копією реальних примірників (92% за метрикою творчості) та примірники яких є різноманітними (значення відповідної метрики дорівнює 3.64, оптимальним є значення 3.83). 3. Запропоновано модифікацію рейтрейсингового методу аберометрії для одночасного сканування декількох зіничних координат із застосуванням масиву лазерних випромінювачів. Використання нейронної мережі для класифікації стало розв’язанням проблеми некоректного зіставлення променів сканування та їхніх відбитків на сітківці. Результатом застосування модифікації є зменшення довірчого інтервалу, що позитивно впливає на прецизійність: наприклад, при скануванні одночасно 16 зіничних координат довірчий інтервал зменшується в 4.4 рази для часового бюджету аберометра iTrace. Визначені в ході цієї роботи обмеження, які супроводжуватимуть імплементацію методу, показали необхідність у розробці модифікації, яка б потребувала, за необхідності, іншого методу вимірювання та, відповідно, іншої оптичної системи. Отримано практичні результати досліджень: 1. Розроблена дослідна реалізація моделі процесу вимірювань для запропонованої нейромережної модифікації рейтрейсингового методу аберометрії ока в середовищі Zemax. Для моделі розроблено алгоритм обробки зображень в програмному пакеті MATLAB, якийвикористовується для підготовки даних для подальшого визначення коефіцієнтів хвильового фронту відбитого від сітківки світла. 2. Розроблена нейронна мережа для визначення коефіцієнтів Церніке хвильового фронту по сигнатурах світлових плям на фотодетекторах для нейромережної модифікації методу рейтрейсингової аберометрії. Розробка та тренування нейронної мережі здійснювалося в середовищі Kaggle мовою програмування Python із залученням бібліотек функцій TensorFlow, SciPy та ін. 3. Розроблена програма-агент навчання з підкріпленням (метод Deep QNetwork) для уточнення першого наближення при визначенні коефіцієнтів Церніке. Підготовка агента та його навчання, а також розробка середовища здійснювались в програмному пакеті MATLAB. 4. Розроблена генеративно-змагальна нейронна мережа для генерації аберометричних даних. Створення та навчання мережі здійснювались в середовищі Kaggle мовою програмування Python із залученням бібліотек функцій TensorFlow, SciPy та ін. 5. Розроблена нейронна мережа для прогнозування коефіцієнтів Церніке вищих порядків на основі значень коефіцієнтів нижчих порядків. Створення та навчання мережі здійснювались в середовищі Kaggle мовою програмування Python із залученням бібліотек функцій TensorFlow, SciPy та ін. 6. Для модифікації методу із масивом лазерних випромінювачів розроблено класифікаційну нейронну мережу для встановлення відповідностей між променями сканування та відбитками на сітківці. Створення та навчання мережі здійснювались в середовищі Google Colaboratory мовою програмування Python із залученням бібліотек функцій TensorFlow, SciPy та ін. 7. Результати дисертаційних досліджень використані як матеріали при підготовці та викладанні курсу лекційних і практичних занять (комп’ютерного практикуму) з дисципліни “Основи нейромережнихтехнологій” та викладанні курсу лекційних і лабораторних занять з дисципліни “Системи комп’ютерного зору” другого (магістерського) рівня вищої освіти спеціальності 172 «Електронні комунікації та радіотехніка» освітньо-професійної програми «Інформаційнообчислювальні засоби радіоелектронних систем», що засвідчено відповідним актом.Документ Відкритий доступ Композиційні моделі телекомунікаційних систем в суб'єкто-об'єктному середовищі програмування(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Зилевіч, Максим Олегович; Редько, Ігор ВолодимировичЗилевіч М.О. Композиційні моделі телекомунікаційних систем в суб'єктооб'єктному середовищі програмування. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 “Телекомунікації та радіотехніка”. – Національний технічний університет України “Київський полiтехнiчний iнститут iменi Ігоря Сiкорського”, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої та актуальної науковоприкладної задачі – технологізації процесів вирішення сучасних задач в людиномашинних, зокрема, телекомунікаційних системах, методом композитологічного уподібнення – логічного ядра суб’єкто-об’єктного середовища програмування (СОСрП). Дисертаційне дослідження складається зі вступу і чотирьох розділів, які відображають та обґрунтовують основні результати роботи. У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, висвітлено зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами НДР КПІ ім. Ігоря Сікорського. Сформульовано мету та вказані задачі, вирішення яких передбачає досягнення мети дослідження. Визначено об’єкт, предмет та методи дослідження, надано інформацію про наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію про висвітлення результатів роботи в періодичних наукових виданнях та їх апробацію на наукових конференціях. У першому розділі розглянуто ряд важливих питань, пов'язаних з розробкою програмно-апаратних комплексів у галузі телекомунікацій і його якістю. Головна ідея полягає в тому, що розвиток інформаційних технологій підвищує вимоги до якості та ефективності програм, але сучасний підхід до програмування, не завжди відповідає вимогам сьогодення і більше спирається на інтуїцію та досвід програмістів. Тому, актуальним є перегляд підходів до програмування і питання того, як можна базувати програми на технологічних принципах і теорії інформації. Досліджено реально-номінальні розбіжності, які виникають між очікуваною роботою програми і тим, як вона фактично функціонує. Акцентовано увагу на важливості реального врахування причинонаслідкового зв’язку між програмуванням та програмою та значущості цього зв'язку для ефективної розробки програмно-апаратних комплексів. Показано особливості та передумови концептомонадної парадигми як інтерсуб’єктивної основи СОСрП. Описано відповідну понятійну систему, що, зокрема, включає такі поняття, як суть, сутність, монада, концепт, композит, оракул тощо. Показано на репрезентативних прикладах оракульне та редукційне концептування, а також конкретний приклад застосування оракульного концептування при розробці та нотації програмного рішення у мові програмування Verilog. Наголошено на питаннях адекватності суб'єкто-об'єктної парадигми та розглядається можливість типізації сутностей у суб'єкто-об'єктних системах для поліпшення їх ефективності та точності. У другому розділі проведено виклад основних концепцій, принципів та понять композиційного програмування, що утворюють основу теоретичних досліджень та практичних розробок у галузі універсальних та спеціалізованих мов програмування та мовних процесорів. Спільність концепцій композиційного підходу та засобів специфікації мов програмування та мов, що використовуються для схематичного опису інтегральних мікросхем дозволяє поєднати два найважливіших напрями інформатики: мови програмування та схемотехнічного дизайну, адже схемотехнічна розробка близька до програмування, а схемотехнічні рішення – до програм. Досліджено основні змістовні влативості програм. Проаналізовано три основні аспекти програм – прагматика, семантика та синтаксис у їх взаємодоповненні, засадничі принципи, що визначають цю взаємодію та проведене їх прагматико-обумовлене збагачення на область схемотехнічних рішень. Суть описаних аспектів показано на репрезентативних прикладах. Описано основні властивості композицій програм, серед яких особливу увагу приділено адекватності та обчислюваності. Проаналізовано принципи обумовленості, підпорядкованості та віддільності, що визначають взаємодоповнюваність основних аспектів рішень, визначають три основні етапи конструювання програми: аналіз прагматичних вимог, семантичне конструювання програми, синтаксичне оформлення програми. Опрацьовано програмні дефінітори, що визначають зв’язок між семантикою та синтаксисом мови програмування і як наслідок надають можливість створення інтерпретованої мови програмування. Здійснено принципове збагачення програмного дефінітора як замкненої у конкретній мові програмування системи до програмного дескриптора як відкрито-замкненого середовища існування програмних дефініторів. На репрезентативному прикладі продемонстровано використання концептів програмування у вигляді семантичних шаблонів як ланок програмного ланцюга, які обумовлюють певні класи програм. Використано програмний дескриптор, який виступає у ролі засобу трансляції композитів та базових функцій системи програмування у їх синтаксичні представлення. За допомогою редукційного програмування у заданій системі була отримана програмна специфікація, коректність якої випливає з її побудови. На основі отриманої специфікації за допомогою дескриптора отримано код програми. Визначено композиційні основи СОСрП та обґрунтовано прагматичне положення про концептологічну парадигму програмування. Описано основні парадигми, що характерні СОСрП. У третьому розділі розглянуто композитосутністі основи СОСрП як концептуальноєдиної інтеграційної платформи програмування. Продемонстровано на ряді репрезентативних прикладів та в цілому обгрунтовано, що дане середовище, успадковуючи позитивні сторони традиційних підходів, також суттєво розвиває їх, зокрема, у напрямку врахування взаємодоповнюючої (причино-наслідкової) природи зв’язку вирішення задачі та її рішення, програмування та програми. Такий підхід реально, а не тільки номінально, підтримує взаємодоповнення основних аспектів програмування, забезпечуючи реальну продуктивність отримуваних результатів. Розкрито значення основних загальних властивостей композицій – тотальності, адекватності та замкненості. Ці властивості допомагають обґрунтувати прагматичну обумовленість та відносність виокремлення композицій як засобів проєктування серед різноманіття алгебраїчних операцій, а також конкретизують важливі взаємозв'язки між ключовими учасниками проєктних рішень – його розробниками та тими, на кого вони орієнтовані. Досліджено логіко-предметні передумови суб’єкто-об’єктної системи програмування (СП) як композитної конкретизації СОСрП. Запропоновано ряд редукційних схем як предметно-орієнтованих шаблонів програмування. Останні предметно розвивають метод редукцій. На репрезентативних прикладах розкрито редукційні аспекти програмної релятивізації, показано приклад логіко-математичної релятивізації рішень задач в побудованій СП. Показано, що композито-композиційна релятивізація рішень задач реально підтримує семантико-синтаксичну підпорядкованість вирішення задач на відміну від синтаксисо-семантичних підходів, що розглядають семантику рішення (програму) виключно через інтерпретацію його коду (тексту у мові програмування). Розглянуті приклади вирішення задач у суб’єктооб’єктній системі демонструють важливі загальні особливості редукційного концептування оракульних схем. У четвертому розділі описано основні методи розробки суб’єкто-об’єктних середовиш програмно-апартного проєктування. Визначено, що описані підходи не забезпечують системності. Жоден з них не охоплює процесу від початкового задуму до фактичної реалізації. Вони виступають лише як інструменти організації, але не надають конкретних настанов для організації всього процесу проєктування. Описано основні положення мови Verilog. Розроблено дослідну реалізацію СОСрП, що підтримує розробку програмно-апаратного забезпечення. Користувач може задати дескрипцію вирішення задачі у мові специфікації композицій із подальшою генерацією коду на мові програмування Verilog. Можлива підтримка створення апаратного забезпечення із залученням FPGA як базису апаратної платформи із використанням САПР “Quartus”, що значно спрощує процес розробки програмно-апратного комплексу, отриманого за допомогою суб’єкто-об’єктного середовища програмування. У дисертаційній роботі отримано наступні нові наукові результати дослідження: 1. Набуло подальшого розвитку предметне збагачення концепто-монадної парадигми програмування видом телекомунікаційних систем програмування та запропоновано відповідну понятійну систему телеконцептування. Зміст їх розкрито у концептомонадному середовищі через оракули «обумовлення», «концепт», «монада», «сутність», «суть». Це забезпечує можливість реальної інтеграції наявних підходів проєктування програмно-апаратних комплексів телекомунікаційних систем у вигляді взаємодоповнення процесів програмування та їх результатів, що складатиме основу реального розуміння програмування і дозволить відійти від сучасного інтуїтивного базису, якісно його розвинувши за допомогою сучасних досліджень та розробок. 2. Вперше розкрито прагматичну обумовленість зведення до телеконцептограм генетичних структур програм. Це дозволяє реально, а не лише номінально підтримувати причинно-наслідкові зв’язки при вирішенні задач, а також способи, методи та засоби їх специфікації. В якості телеконцептограм розглянуто телекомпозити – спеціальні класи суб’єктоорієнтованих базових телекомпозицій. Таким чином, телеконцептування на предметному рівні зводиться до вирішення відповідних рівнянь телекомпозитних редукцій, шо забезпечує коректність отримуваних рішень "за побудовою". 3. Подальшого розвитку набуло застосування підходу оракульного телеконцептування для предметного збагачення СОСрП. На репрезентативних прикладах показані його особливості та перспективи подальшого розвитку. До особливостей відноситься те, що кожна підзадача може бути проконцептована до найпростішої під задачі. Також використання оракульного телеконцептування дає можливість використання традиційного математичного апарату для нотації результату та поєднання його з денотативними методами. Реалізація такого методу на практиці сприяє уніфікації процесу розробки програмно-апаратного продукту, тим самим оптимізує та реально об’єктивізує вплив активної ролі суб’єкта у телеконцептуванні через механізм оракульних телекомунікацій як технологію телекомунікаційних рішень задач. 4. Вперше запропоновано основні логіко-предметні засади суб’єкто-об’єктної телекомунікаційної системи програмування як предметного замикання СОСрП. Головною особливістю створюваних таким чином систем програмування є те, що вони реально, а не лише номінально підтримують причинно-наслідкове взаємодоповнення двох складових вирішення будь-якої програмістської задачі – програмування як породження та застосування композицій і програми – наслідку програмування. Отримано наступні практичні та теоретичні результати досліджень: 1. Розроблена дослідна реалізація СОСрП, що підтримує розробку програмного забезпечення як предметного замикання відповідного середовища. Прагматикообумовлені умови такого замикання задаються у дескриптивному середовищі композиційних термів. Синтаксичне оформлення рішення здійснюється Verilog-дескриптором. Можлива підтримка створення апаратного забезпечення із залученням FPGA як базису апаратної платформи із використанням САПР “Quartus”. 2. Одержані в дисертації нові результати використані під час виконання науково-дослідної роботи “Композитологічні засади технологічних систем програмування” (№0122U001568), та як матеріали при підготовці та викладанні курсу лекційних і практичних занять з дисципліни “Системне програмування та керування базами даних в телекомунікаціях” другого (магістерського) рівня вищої освіти спеціальності 172 «Електронні комунікації та радіотехніка» освітньо-професійної програми «Інформаційно-обчислювальні засоби радіоелектронних систем», що підтверджено відповідною довідкою та актом.Документ Відкритий доступ Методи та система підвищеної ефективності керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022) Омелян, Анатолiй Васильович; Лисенко, Олександр Миколайович