JP5794421B2 - 測定データの圧縮方法および測定データの圧縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、時系列で変化する測定データを入力して収集するデータ収集装置におけるデータ圧縮方法およびデータ圧縮装置に関するものである。

データ収集ステーションやデジタルオシロスコープ等では、時系列で変化する測定データを入力して内部の記憶装置に一時記憶し、記憶データを各種のアプリケーションが利用する。一般的に、記憶装置の使用容量を節約する方法としては、各種データ圧縮手法が用いられる。

図３は、従来の測定データ収集装置の構成例を示す機能ブロック図である。時系列で変化する測定データＰは、生データとして波形測定手段１に入力され、元データとしてセットされる。元データは、データ圧縮手段２で可逆性を維持できるレベルで圧縮処理され、記憶手段３に保持される。トレンドデータは、データ利用装置４のアプリケーションで利用される。

特開２０１０−２２３６４５号公報

測定データの圧縮では、次のような問題があり、測定データの圧縮率を高めることな容易ではなかった。
（１）可逆圧縮であること。
可逆圧縮とは、圧縮したデータを復号すると、圧縮前と全く同じデータが得られる圧縮方法である。復号しても圧縮前の近似のデータしか得られない非可逆圧縮より、圧縮率で不利になる。測定データは、可逆圧縮でなければならない。

（２）ノイズ成分が混入すること。
可逆圧縮には、二つの方法がある。
（ａ）データの出現頻度の偏りを利用する方法
（ｂ）データの出現順序の規則性を利用する方法

しかし（ｂ）に関しては、テキストデータ等と異なり、測定データには必ずノイズが混入するので、出現順序の規則性が見出しにくい。また可逆圧縮でなければならないので、データの並びが完全に一致する部分がないと圧縮が行えない。ノイズが混入する測定データでは、ほぼ不可能である。

（３）保存したい測定データは、振幅が測定レンジの上限近くまでになることが多いこと。
測定データが存在する範囲は、その振幅の範囲である。測定レンジに比べて振幅が小さいほど、データの出現頻度の偏りが大きくなり、（ａ）の方法での圧縮が有利になる。しかし実際には、振幅をレンジの上限まで広げた方がデータの精度が高くなるので、測定器の使用者がそのような条件で測定を行うことが多く、（ａ）の方法でも圧縮率を上げるのは
容易ではない。

本発明の目的は、測定データを可逆的に圧縮すると共に、圧縮率を高めることを可能とする測定データの圧縮方法および測定データの圧縮装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）時系列で変化する測定データの生データを元データとしてセットすると共に、圧縮率を１に、微分演算回数を０にセットする第１ステップと、
前記元データを圧縮する第２ステップと、
前記元データを微分演算する第３ステップと、
前記第２ステップの圧縮データに対する前記第３ステップの微分演算データの圧縮率を計算する第４ステップと、
計算された圧縮率が向上したか否かを判定する第５ステップと、
判定により前記圧縮率が向上した場合に、前記微分演算データをさらに微分演算し、前記第２ステップの圧縮データに対する圧縮率を計算する第４ステップを繰り返す第６ステップと、
判定により前記圧縮率が向上しない場合に、前記第６ステップを実行せずに、前回の微分演算データを最終圧縮データとする第７ステップと、
前記最終圧縮データに微分演算の回数を付加して保存する第８ステップと、
を備え、
前記第３ステップおよび前記第６ステップにおける微分演算による圧縮は可逆圧縮であることを特徴とする測定データの圧縮方法。

（２）時系列で変化する測定データの生データを元データとしてセットすると共に、圧縮率を１に、微分演算回数を０にセットする初期設定手段と、
前記元データを圧縮する圧縮手段と、
前記元データを微分演算する微分演算手段と、
前記圧縮手段による圧縮データに対する前記微分演算手段による微分データの圧縮率を計算する圧縮率計算手段と、
計算された前記圧縮率が向上したか否かを判定する判定手段と、
判定の結果、圧縮率が向上した場合には、前記元データを前記微分演算手段により再微分し、前記圧縮率計算手段による圧縮データに対する前記再微分データの圧縮率計算と前記判定を繰り返すループ処理手段と、
計算された前記圧縮率が向上しなかった場合、前記ループ処理手段による処理を実行せずに、前回の微分演算データを最終圧縮データとすると共に、前記微分演算の回数を付加して保存する出力手段と、
を備え、
前記微分演算手段および前記ループ処理手段における微分演算による圧縮は可逆圧縮であることを特徴とする測定データの圧縮装置。

本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）測定データの圧縮率が高くなった結果、記憶するデータ量が減らせる。データ量が減ることにより、限られた記録容量により多くの測定データを記録でき、記憶装置へのアクセス時間の短縮、記憶装置との通信経路の負荷の低減が実現できる。

（２）従来高い圧縮率の実現が困難だった時系列で変化するデータに、可逆で簡単な演算を施すことにより、高い圧縮率での圧縮を実現することができる。

本発明を適用した測定データの圧縮装置の一実施例を示す機能ブロック図である。 本発明を適用した測定データの圧縮方法の信号処理手順を示すフローチャートである。 従来の測定データ収集装置の構成例を示す機能ブロック図である。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した測定データの圧縮装置の一実施例を示す機能ブロック図である。図３で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

時系列で変化する測定データＰは、生データとして初期設定手段１０に入力される。最初のデータは生データのまま保存され、この生データから元データＤｉがセットされる。この時、システムは微分回数をゼロにセットすると共に、圧縮率を１にセットする。

元データＤｉは、図３に示した周知のデータ圧縮手段２により可逆性を保持したレベルＤｉ´に圧縮されると共に、微分演算手段２０により微分演算される。最初のデータは生データのまま保存し、２番目以降のデータはそのデータと直前のデータの差をとる。この計算はサンプリング周期を１としたときのデータの傾きを求めるもので、測定データの微分である。

圧縮データＤｉ´と第１回目の微分演算データＤ１は、圧縮率計算手段３０に入力され、微分演算データＤ１の前記圧縮データＤｉ´に対する圧縮率が計算される。この計算結果は、判定手段４０に導かれ、微分演算の結果圧縮率が向上したか否かが判定される。

判定手段４０により圧縮率が向上しているとの判定結果の場合には、制御信号Ｆ１を微分演算手段２０に与え、元データを再度微分演算させる。この第２回目の微分演算データＤ２が圧縮率計算手段３０に入力され、圧縮データＤｉ´に対する圧縮率が再計算され、判定手段４０で再判定される。

の判定結果で圧縮率が向上していれば上記と同じループ処理で微分演算データＤ２，Ｄ３，…Ｄｎが圧縮率計算手段３０に入力され、圧縮データＤｉ´に対する圧縮率が再計算され、判定手段４０で再判定される。微分演算データは、前回の演算データが微分演算手段２０に保持される。

第１回目の微分演算データＤ１の圧縮データＤｉ´に対する圧縮率計算で圧縮率が向上しない場合には、判定手段４０の制御信号Ｆ２で圧縮データＤｉ´を出力手段５０に入力して最終圧縮データとして保持する。

第ｎ回の微分演算データＤｎの圧縮データＤｉ´に対する圧縮率計算で圧縮率が向上しない場合には、判定手段４０の制御信号Ｆ２でひとつ前の微分演算データＤｎ-１を出力手段５０に入力して最終圧縮データとして保持する。

図２は、本発明を適用した測定データの圧縮方法の信号処理手順を示すフローチャートであり、次の８ステップを備える。
（１）時系列で変化する測定データの生データを元データとしてセットすると共に、圧縮率を１に、微分演算回数を０にセットする第１ステップＳ１。
（２）前記元データを圧縮する第２ステップＳ２。
（３）前記元データを微分演算する第３ステップＳ３。
（４）前記第２ステップの圧縮データに対する前記第３ステップの微分演算データの圧縮率を計算する第４ステップＳ４。
（５）計算された圧縮率が向上したか否かを判定する第５ステップＳ５。
（６）判定により前記圧縮率が向上した場合に、前記微分演算データをさらに微分演算し、前記第２ステップの圧縮データに対する圧縮率を計算する第４ステップを繰り返す第６ステップＳ６。
（７）判定により前記圧縮率が向上しない場合に、前回の微分演算データを最終圧縮データとする第７ステップＳ７。
（８）前記最終圧縮データに微分演算の回数を付加して保存する第８ステップＳ８。

微分を行うことで測定データの振幅は変化する。全ての測定データは様々な周波数成分のsin波の集合なので、sin波で考える。sinを微分すると以下のようになる。
d/dt・sin ωt = ω・cos ωt

微分されたsin波の振幅は、測定データの角周波数（ω）を掛けたものになる。ωが１より小さければ、振幅は小さくなる。前述した通り、サンプリング周期を１としたときの微分なので、ωは測定周波数とサンプリング周波数との比によって決まる。測定周波数をfx、サンプリング周波数をfsとすると、ωは次のようになる。
ω=2πf=2πfx/fs

このときω<1となる条件は、fx < fs/2πである。2π≒6.28であるから、測定データの主要な（振幅が大きい）周波数成分の周期がサンプリング周期の約6.28倍より大であれば、振幅は小さくなる。

測定器の中でレコード長が短い波形測定器でも、レコード長は1000以上が普通であるから、微分によって振幅が圧縮できる確率は極めて高い。振幅が圧縮された結果、データの出現頻度の偏りが大きくなり、測定データの圧縮率は高くなる。測定データの安定な（振幅が大きい）周波数成分の周期がサンプリング周期の約6.28倍より大であれば、振幅は小さくなる。

また測定データによっては微分を繰り返すことで、更に振幅を圧縮させ、圧縮率を向上させることも可能である。復号する際に微分した回数が必要になるが、その情報は圧縮データの先頭に付けておけばよい。

逆に、周期がサンプリング周期の約6.28倍未満の周波数成分は振幅が大きくなってしまうが、サンプリングされたデータはナイキスト周波数（サンプリング周波数の１／２）より高い周波数成分を含んでいない。

全体で見れば、圧縮率が悪化するデータは少数であり、そのようなケースでも微分する回数を０にすれば、圧縮率を悪化させずに済む。尚、本発明で採用されるデータ圧縮手段２が備える圧縮のアルゴリズムは、データの出現頻度の偏りを利用したもの、（例えば可変長符号、算術圧縮等でなど）であればなんでもよく、高い柔軟性がある。

２ データ圧縮手段
４ データ利用装置
１０ 初期設定手段
２０ 微分演算手段
３０ 圧縮率計算手段
４０ 判定手段
５０ 出力手段

Claims (2)

1. 時系列で変化する測定データの生データを元データとしてセットすると共に、圧縮率を１に、微分演算回数を０にセットする第１ステップと、
   前記元データを圧縮する第２ステップと、
   前記元データを微分演算する第３ステップと、
   前記第２ステップの圧縮データに対する前記第３ステップの微分演算データの圧縮率を計算する第４ステップと、
   計算された圧縮率が向上したか否かを判定する第５ステップと、
   判定により前記圧縮率が向上した場合に、前記微分演算データをさらに微分演算し、前記第２ステップの圧縮データに対する圧縮率を計算する第４ステップを繰り返す第６ステップと、
   判定により前記圧縮率が向上しない場合に、前記第６ステップを実行せずに、前回の微分演算データを最終圧縮データとする第７ステップと、
   前記最終圧縮データに微分演算の回数を付加して保存する第８ステップと、
   を備え、
   前記第３ステップおよび前記第６ステップにおける微分演算による圧縮は可逆圧縮であることを特徴とする測定データの圧縮方法。
2. 時系列で変化する測定データの生データを元データとしてセットすると共に、圧縮率を１に、微分演算回数を０にセットする初期設定手段と、
   前記元データを圧縮する圧縮手段と、
   前記元データを微分演算する微分演算手段と、
   前記圧縮手段による圧縮データに対する前記微分演算手段による微分データの圧縮率を計算する圧縮率計算手段と、
   計算された前記圧縮率が向上したか否かを判定する判定手段と、
   判定の結果、圧縮率が向上した場合には、前記元データを前記微分演算手段により再微分し、前記圧縮率計算手段による圧縮データに対する前記再微分データの圧縮率計算と前記判定を繰り返すループ処理手段と、
   計算された前記圧縮率が向上しなかった場合、前記ループ処理手段による処理を実行せずに、前回の微分演算データを最終圧縮データとすると共に、前記微分演算の回数を付加して保存する出力手段と、
   を備え、
   前記微分演算手段および前記ループ処理手段における微分演算による圧縮は可逆圧縮であることを特徴とする測定データの圧縮装置。

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