了得網社會科學_信息處理方法及其應用

內容簡介

信息處理方法及其應用對計算機科學、自動化、應用數學、運籌學、工業與繫統工程、通信工程領域中從事相關研究的科技工作者和工程技術人員有較大的參考價值,同時也可作為相關專業的本科生和研究生教材及教師的教學參考書.

目錄
前言第 1章緒論 1
1.1本書的研究目標和意義 1

1.1.1研究目標 1

1.1.2研究意義 2

1.2國內外研究現狀分析 3

1.2.1軟件老化與再生 3

1.2.2數據挖掘 7
目錄

前言第 1章緒論 1

1.1本書的研究目標和意義 1

1.1.1研究目標 1

1.1.2研究意義 2

1.2國內外研究現狀分析 3

1.2.1軟件老化與再生 3

1.2.2數據挖掘 7

1.2.3模糊圖像處理 9

1.3本書的主要研究工作和內容安排9第 2章模糊不完備數據處理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

2.1引論 12

2.2模糊不完備方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3概率統計方法 23

2.3.1檢驗統計量 23

2.3.2未知參數的假設檢驗 23

2.3.3變量是向量情況時統計挖掘的應用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4幾種老的數據挖掘方法簡介 29

2.4.1神經網絡方法 29

2.4.2支持向量機方法 31

2.4.3決策樹 32

2.4.4回歸分析 36

2.5幾種數據挖掘方法在軟件老化診斷中的應用比較 49

2.6各種方法的適用條件 54

第 3章軟件老化機理分析建模與再生方法研究 56

3.1問題提出的背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.2軟件老化機理分析與再生 59

3.3 CPU資源的利用對繫統性能的影響 60

3.3.1 M/G/c/K混合制排隊繫統 61

3.3.2實例和仿真 68

3.4內存資源的調用對繫統老化的影響 71

3.4.1老化度量與再生周期 71

3.4.2仿真 73

3.5老化模式的構建及一個新的再生方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.5.1資源間的函數關繫建立 75

3.5.2老化模式的構建 82

3.5.3新的再生方法 82

3.5.4仿真 88

第 4章軟件再生的多資源分配與控制方法研究 94

4.1神經網絡在軟件繫統資源分配建模和控制中的應用 . . . . . . . . 94

4.1.1控制原理 94

4.1.2 FNNA控制器的繫統結構設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.2仿真結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101第 5章模糊圖像處理及其在語義理解中的應用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.1問題提出的背景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102

5.2模糊圖像的信號處理方法 103

5.2.1模糊圖像的去模糊處理方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.2.2修補處理 105

5.2.3動態組合處理 106

5.2.4閾值消噪處理 108

5.3定義支持度及選定 ROI 113

5.4 ROI目標的多維參數提取 116

5.5模糊識別方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.5.1模糊識別方法的介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.5.2仿真 121

5.5.3仿真分析 122

5.6實現圖像 ROI場景語義理解 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122第 6章紋理分割算法及其對指紋的識別 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.1問題提出的背景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126

6.2指紋的特征分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129

6.3指紋圖像的預處理 130

6.3.1基於指紋圖案的特征預處理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

6.3.2指紋特征點的抽取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.4指紋特征提取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

6.4.1小波包分解繫數特征的提取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

6.4.2小波包對圖像分解的能量特征的提取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

6.5匹配與識別 146

6.5.1匹配與識別方法 146

6.5.2實驗及分析 148

總結與探討 151

參考文獻 153

索引 165

在線試讀

第 1章緒論
近年來 ,隨著高度信息化的現代社會的飛速發展 ,各種成像技術的完善 ,以及相應的數據收集能力的持續增強 ,我們獲得了越來越多的變化數據 ,當海量的模糊圖像應用於軍事目標的監測時 ,傳統的人工圖像判讀方式已經不能滿足信息獲取的實際需求 ,因此迫切需要開展模糊圖像信息處理技術的研究 .此外 ,目標識別和人們的身份鋻別已經滲透到日常生活的每一個方面 .金融、安全、網絡、電子商務等無一不需要可靠的目標或身份鋻別技術 .傳統的利用密碼等物體或身份鋻別的方法具有易遺忘、易假冒等缺點 ,已不符合現代數字社會的需求 .而計算機是信息處理的必要工具 ,那麼為保證軟件繫統的穩定性 ,就要對軟件繫統進行老化分析和再生方法研究 .研究老化與再生方法前 ,首先要對測量到的大量數據進行數據挖掘.
1.1本書的研究目標和意義
1.1.1研究目標
針對不同情況下的數據處理問題 ,本書研究開放環境下軟件中間件運行時的軟件老化、再生的數據處理方法 ;提出不完備的數據挖掘方法 ,並給出其與現有數據挖掘方法的比較 ;研究模糊圖像的閾值處理方法 ;提出模糊圖像的去模糊處理方法 ;討論紋理圖像的處理 ;給出小波的能量提取和目標的識別方法,並給出目標識別方法的比較.
本章從軟件老化的不確定性因素的角度出發 ,首先 ,對軟件老化檢測的數據進行挖掘 ,給出一種新的數據挖掘方法 ,並把它與老的數據挖掘方法進行比較 .其次 ,對軟件老化問題進行建模、預測 ,建立預測模型 ;以提高繫統可靠性和不降低繫統性能為出發點 ,研究具有軟件再生特征的應用服務器軟件中間件 (簡稱中間件 )繫統 ,建立相應的繫統理論模型 .再次,研究繫統資源配置 ,主要是兩種資源的配置方法 ,即給出軟件再生的一種新方法 .最後 ,研究多種資源的配置 ,延緩軟件的老化 .研究中間件運行時繫統的穩定性特征 ,提出中間件運行時繫統的多維度穩定性度量模型 ;基於該度量模型 ,結合預測與在線監控方法 ,給出相應的穩定性恢復機制 ;建立具有高穩定性特征的中間件繫統理論框架 ,進行實驗分析驗證.

1.1.2研究意義第 1章緒論

近年來 ,隨著高度信息化的現代社會的飛速發展 ,各種成像技術的完善 ,以及相應的數據收集能力的持續增強 ,我們獲得了越來越多的變化數據 ,當海量的模糊圖像應用於軍事目標的監測時 ,傳統的人工圖像判讀方式已經不能滿足信息獲取的實際需求 ,因此迫切需要開展模糊圖像信息處理技術的研究 .此外 ,目標識別和人們的身份鋻別已經滲透到日常生活的每一個方面 .金融、安全、網絡、電子商務等無一不需要可靠的目標或身份鋻別技術 .傳統的利用密碼等物體或身份鋻別的方法具有易遺忘、易假冒等缺點 ,已不符合現代數字社會的需求 .而計算機是信息處理的必要工具 ,那麼為保證軟件繫統的穩定性 ,就要對軟件繫統進行老化分析和再生方法研究 .研究老化與再生方法前 ,首先要對測量到的大量數據進行數據挖掘.

1.1本書的研究目標和意義

1.1.1研究目標

針對不同情況下的數據處理問題 ,本書研究開放環境下軟件中間件運行時的軟件老化、再生的數據處理方法 ;提出不完備的數據挖掘方法 ,並給出其與現有數據挖掘方法的比較 ;研究模糊圖像的閾值處理方法 ;提出模糊圖像的去模糊處理方法 ;討論紋理圖像的處理 ;給出小波的能量提取和目標的識別方法,並給出目標識別方法的比較.

本章從軟件老化的不確定性因素的角度出發 ,首先 ,對軟件老化檢測的數據進行挖掘 ,給出一種新的數據挖掘方法 ,並把它與老的數據挖掘方法進行比較 .其次 ,對軟件老化問題進行建模、預測 ,建立預測模型 ;以提高繫統可靠性和不降低繫統性能為出發點 ,研究具有軟件再生特征的應用服務器軟件中間件 (簡稱中間件 )繫統 ,建立相應的繫統理論模型 .再次,研究繫統資源配置 ,主要是兩種資源的配置方法 ,即給出軟件再生的一種新方法 .最後 ,研究多種資源的配置 ,延緩軟件的老化 .研究中間件運行時繫統的穩定性特征 ,提出中間件運行時繫統的多維度穩定性度量模型 ;基於該度量模型 ,結合預測與在線監控方法 ,給出相應的穩定性恢復機制 ;建立具有高穩定性特征的中間件繫統理論框架 ,進行實驗分析驗證.

1.1.2研究意義

由於目前對於中間件運行時繫統穩定性問題、航天航空不完備數據、極地高空模糊圖像數據等的研究和應用幾乎是一片空白 ,所以本書展開對中間件運行時繫統的穩定性、不完備數據的挖掘、模糊圖像數據處理等的研究具有重要的理論和實用價值 ,為該領域的研究提供理論依據以及新的方法 .本研究工作能夠拓展人們的思維 ,並有益於培養人們的思考及解決問題的能力,這些能力具有持久的價值.

本書對不同情況下的數據挖掘所展開的研究具有重要的理論和實用價值 ,可為信息處理領域的研究提供理論依據以及新的方法 .本書主要是對軟件中間件繫統穩定性進行建模 ,並對穩定性恢復機制的理論和方法進行研究 ,它不但豐富了軟件中間件理論的內容 ,並對該理論的進一步發展提供了重要的參考 ,而且為研究中間件運行時繫統的穩定性、環境的可靠性問題提供了理論依據以及新的開發方法和實現途徑 ,為中間件運行環境在線穩定能力檢測提供了新的解決方案 ,為中間件控制臺的檢測繫統設計開發以及中間件的故障自愈技術提供了理論依據和方法 ,這使得高可靠的中間件運行環境能夠在互聯網應用中發揮作用 ,並取得較大的社會效益和經濟效益.

此外 ,隨著發射的應用衛星日益增多 ,以及世界各國對周邊地區環境監視的需求日益增長 ,模糊圖像的理解和應用研究成為圖像處理領域的一個熱點問題 .對於模糊圖像感興趣區域目標而言 ,目標的檢測、識別、分類對目標的動態監視、意圖評估具有重要意義 .研究如何解決現實中模糊圖像的理解問題 ,對降低信號的處理成本、減少操作人員的勞動強度,具有特殊的現實意義和廣闊的實際應用前景 ,也為圖像的更好識別和全局性理解提供了強有力的工具.

1.2國內外研究現狀分析

1.2.1軟件老化與再生

可信計算技術體現的是運行繫統整體可靠性的思想 ,涉及硬件、軟件、網絡等多個方面 .關於可信計算目前尚無標準的、形式化的定義 ,各組織和個人都按照自己研究的側重點對可信計算進行了描述性定義 .例如 ,“可信計算組織 ”(TCG)用實體行為的預期性來定義可信：如果一個實體的行為總是以預期的方式朝著預期的目標 ,則稱這個實體是可信的[1]. ISO/ IEC 15408標準定義可信為：參與計算的組件、操作或過程在任意的條件下是可預測的 ,並能夠抵御病毒和物理干擾 [2].文獻 [3]認為 ,所謂可信是指計算機繫統所提供的服務可以論證其是可信賴的 ,即從用戶角度看 ,計算機繫統所提供的服務是可信賴的 ,而且這種可信賴是可論證的 .閔應驊 [4]認為 ,可信計算是繫統提供可信賴的計算服務的能力 ,而這種可信賴性是可以驗證的 .瀋昌祥 [5]認為 ,可信的概念是指 “一個實體在實現給定目標時其行為總是如同預期一樣的結果”.

復雜開放環境下軟件中間件運行時的繫統穩定性是指 :繫統在遭受攻擊、故障和很多模糊不清的偶然事故時還能及時完成其任務 .在這種情況下 ,我們說軟件中間件的生存力強 ,是可生存的 .那麼 ,這裡的穩定性是一種可生存性.

可生存性作為可信性的一個重要組成部分 ,概念最早出現在武器繫統[6]和通信繫統 [7]中,定義為繫統被破壞或發生故障後服務可用的概率 . Neumann等於 1993年最先定義了網絡繫統可生存性 [8]：在任意的不利條件下 ,基於計算機通信繫統的應用所具有的持續滿足用戶需求的能力 .目前引用較多的是 Ellison等給出的定義：繫統在遭受攻擊、故障和偶然事故時還能及時完成其任務的能力 [9,10].基於 Ellison的定義 ,不少學者提出了類似的可生存性定義 ,如 Moitra[11]認為可生存性是繫統抵抗攻擊以及被攻擊後仍能提供一定程度服務的能力 ; Wilson[12]認為可生存性是在確定的故障等事件下 ,繫統仍能保持工作狀態的能力 ; Louca[13]認為網絡可生存性包括兩方面內容：在出現故障等情況下 ,繫統還能保持或者恢復到可被用戶接受的性能的能力 ,以及阻止或者轉移潛在服務故障的能力 ;多個文獻 [22.29]使用以下定義：繫統在遭遇攻擊、失效或故障時,仍能實時提供服務的能力.

目前對於可生存性的研究主要集中在網絡安全方面 .隨著計算機技術的不斷發展 ,傳統的保護 [14]和檢測 [15.17]技術已經無法保證網絡繫統的安全性 .於是網絡安全的研究重點逐步轉向 “容忍 ”技術 ,即承認網絡繫統漏洞無法完全消除 ,入侵也不能全部防範 ,而采用的新思想 ——在繫統遭受入侵和破壞時 ,繫統能夠觸發一定的保護機制 ,使得繫統仍能運行並提供一定的基本服務 ,在一定程度上消除入侵的影響 .可生存性就是在以上傳統安全領域研究的基礎上 ,提出一種在繫統安全機制被破壞後 (自身和外在 ),保障繫統基本功能並進行恢復的技術 .傳統網絡安全方法仍然是提高和保障繫統可生存性的重要手段 ,但並不足以解決所有問題.

軟件穩定性與網絡可生存性問題的研究有一定的相關性 .保證網絡繫統的可生存性需要保證網絡中軟件的穩定性 ;復雜環境下軟件繫統的體繫結構與網絡繫統存在相似性 ,同樣面臨與網絡類似的可生存性問題 .此外 ,軟件繫統在設計階段存在缺陷、錯誤等 ,通過傳統的軟件工程方法並不能完全解決 ;軟件在運行過程中可能受到各種外界環境的影響 ,造成繫統可用性下降 ,甚至宕機 ,需要在運行時提供一種保護和恢復軟件關鍵服務的機制.所以對於軟件穩定性的研究勢在必行.

目前對軟件穩定性的研究較少 ,尚未形成統一的定義 .我們研究的軟件穩定性是指軟件繫統在運行期間遭受攻擊、發生故障以及環境發生變化時 ,繫統仍能持續提供服務並恢復部分功能的能力 .包含以下幾層意思： ①穩定性所涉及的主體是運行時軟件繫統 ; ②軟件繫統與環境的交互以及環境發生變化時對繫統的影響 ; ③在確定的故障或不確定的偶發因素影響等事件下 ,繫統仍能保持工作狀態或者及時恢復到可被用戶接受的性能的能力.

上述定義中 ,將運行時軟件繫統分為兩部分 ,即繫統本身和運行環境.環境包含以下幾方面因素.

(1)

資源：軟件運行時所需的條件 ,如 CPU時間、內存、網絡帶寬等;

(2)

人：對於軟件運行有影響的所有用戶 ,如普通用戶、維護人員、管理人員以及黑客等;

(3)

其他軟件：運行時與該軟件進行交互的其他軟件 ,它們之間可能存在多種關繫,如提供支持、協作、競爭等 .

影響軟件穩定性的因素很多 ,歸納起來包括： ①軟件自身因素 (軟件的缺陷、算法效率等 ); ②軟件的容錯恢復能力及保護能力 (故障檢測、故障恢復等 ); ③軟件運行時對環境變化的適應能力 (即對自身運行狀態的監測及發展趨勢的預測能力 ,對恢復機制的正確調度等 ).目前的研究工作主要集中在 ①和 ②這兩個方面 . David Wells[18]等研究新的軟件機制確保了繫統的可生存性 ,提出了基於 OSA(object services architec-ture)的軟件結構 ,並采用適應性和易構建性 (ease of construction)對基於 OSA應用進行描述 . Anup K. Ghosh[19]等在分析了軟件可生存性研究的必要性基礎上 ,指出傳統軟件測試方法的不足 ,提出了基於故障注入的 “o.-nominal”測試方法 ,旨在增強軟件的可生存能力 .在文獻 [20] 中,作者提出了采用快速軟件組件遷移的方法實現軟件可生存性 .北京航空航天大學李未院士主持的 “973”項目 “海量信息的協同性和可生存性的理論與實踐研究 ”[21]研究了海量信息的可生存性 ,該問題的解決能夠提高海量信息繫統的服務質量.

目前增強軟件穩定性的途徑主要包括： ①在開發階段 ,提高代碼質量,降低繫統出錯概率 ; ②在繫統發生錯誤時 ,提供相應的補救措施 ,如錯誤檢測、恢復機制等 ; ③在運行時基本上采用人工干預的方式實現繫統的穩定恢復.其一般過程如下：

(1)

用戶對軟件的穩定性提出需求;

(2)

確定穩定性的描述指標,並進行量化;

(3)

根據用戶的需求目標,進行軟件繫統設計開發;

(4)

評價開發出的繫統是否滿足用戶需求;

(5)如果不滿足

,進行修改、完善 (可能需要多次迭代);

(6)運行時

,由人工管理來恢復繫統.

這種方法存在的問題包括： ①用戶的需求往往隨著運行情況而變化 ,繫統無法適應 ; ②繫統自身的措施是在開發時確定的 ,所考慮的環境相對封閉、簡單 ,無法適應復雜多變的環境 ; ③采用的機制缺乏自主性、前攝性; ④對繫統的行為特征研究主要是統計意義上的.

中間件是位於應用與操作繫統之間 ,屏蔽底層操作繫統、網絡以及數據庫的異構性和復雜性 ,簡化網絡分布式應用的開發、管理和維護的一類重要軟件繫統 .從 20世紀 80年代末到現在 ,取得了長足的發展 ,獲得了工業界和學術界的青睞 ,已成為分布式繫統的主流技術之一 .應用服務器是 Web計算環境下產生的新型中間件 ,為創建、部署、運行、集成和管理事務性 Web應用提供一個跨平臺的運行環境 .近年來 ,隨著基於互聯網的各種企業級應用的大量出現 ,有關中間件的高可靠性和運行時服務質量 (QoS)保證問題受到了人們的普遍重視.

對於中間件來說 ,其面臨的穩定性問題尤為突出 .首先,其所處的環

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