信号処理教育でのハイブリッド手法

信号処理教育は現在様々な問題に直面しています。将来のエンジニアたる学生のモチベーションを保つのもそうですが、イメージを思い浮かべるのが困難な、離散時間数学などの抽象的な概念についても教えなければなりません。このような問題を克服するために、教育担当者はNILabVIEW 8.20を使用した「ハイブリッド」な方法でコンセプトのデモンストレーションやコンピュータを使用した演習、各種プロジェクトなど、信号処理教育を行うべく検討し始めています。

ハイブリッドプログラミングとは何か

テキサス大学ダラス校のNasser Kehtarnavaz教授は、「ハイブリッドプログラミング」を「グラフィカルプログラミングとテキストベースのプログラミングアプローチの併用」と定義しています。Kehtarnavaz教授は同僚とともに、デジタル信号処理システムを実装する際に、学生がハイブリッドプログラミングをどう思うかについてテストを行いました。ダラスにて開催された2007 Texas Instruments DeveloperConferenceにおけるエジュケーショントラックでは、「Using HybridProgramming for DSP Lab Courses」と題してプレゼンテーションが行われましたが、この中で、学生はグラフィカルかテキストベースかいずれか一方のプログラミングアプローチよりも、ハイブリッドプログラミングを好むとの発表がありました。

学生は、学部4年生のDSP Lab設計プロジェクトの一環として、信号処理アルゴリズムを実装しました。このプロジェクトでは、人工内耳システムという、重度聴覚障害者の聴力を回復させることのできる人工補聴器具を取り上げました。同システムでは、信号処理を適用して、収集した音を電気的刺激に変換し、内耳神経に直接刺激を与えます。

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図1．学生が各アプローチの評価に使用したCISアルゴリズムは、デジタルフィルタを使用してオーディオ入力信号を分解し、適切な神経を刺激するために使われる周波数帯域に変換します。

学生は、NI LabVIEWを使用して、連続インターリーブサンプリング（CIS）アルゴリズムを実装しました（図1参照）。CISアルゴリズムの実装には、グラフィカル、テキストベース、グラフィカル／テキストベースの3種類のプログラミングアプローチを使用しています。テキストベースの実装には、LabVIEW MathScript という数式指向型のテキストベースプログラミング言語を使用しました。MathScriptはLabVIEW に内蔵されています。The MathWorks, Inc. 社のMATLABソフトウェアやCOMSOL AB社のCOMSOL Scriptソフトウェアなどに対応したm-fileスクリプトシンタックスが使えます。

学生にはハイブリッドプログラミングが人気

学生がグラフィカルアプローチ、テキストベースアプローチ、ハイブリッドアプローチ（表1参照）のいずれを好むかを判断するために、5つの評価基準を設けました（表1参照）。これらの基準に照らして、学生が常にハイブリッドプログラミングアプローチを好むことが明らかとなりました。

表1．学生は、グラフィカルアプローチ、テキストベースアプローチ、ハイブリッド（グラフィカル＋テキストベース）プログラミングアプローチを比較検討する上で、これらの5つの評価基準を活用しました。

学生がハイブリッドプログラミングを好んだのも不思議なことではありません。「ハイブリッド」では、2つのアプローチを組み合わせて、両方のよいところが使えるのです。学生は、グラフィカルアプローチにもテキストベースアプローチにもそれぞれよい点があると指摘しています。信号処理設計には、テキストベースよりもグラフィカルアプローチの方がわかりやすいとのことです。また、モジュール性、GUI機能、信号処理用の内蔵ツールの豊富さなどを理由に、グラフィカルアプローチの方がよいと感じた学生もいました。テキストベースアプローチの方がよいと答えた学生は、代数方程式の指定やコードのサイズが小さいこと、使い慣れていること、などを理由として挙げています。

LabVIEWでは、単一の開発環境で作業が行え、グラフィカルでもテキストベースでもハイブリッドでも、「最適な」アプローチを選ぶことができます。このような柔軟性と信号処理用の豊富な内蔵機能、シンプルなGUI、生信号へのアクセスのしやすさなどがあるため、LabVIEWは信号処理教育にとって理想的なプラットフォームであると言えます。

信号処理教育にLabVIEWを使用する方法についての詳細は、ni.com/jp にアクセスの上、Info Code欄に「nsi7114」と入力するとご覧いただけます。

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