Аннотации номера

ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

1
Виртуальная реальность (метод виртуальной среды, VET) широко используется на протяжении двадцати лет. За этот период стали очевидными преимущества использования технологий виртуальной окружающей среды во многих областях, включая оценку рисков и обучение, образование, реабилитацию и психологические исследования познавательной способности в пространстве. Гибкость, воспроизводимость и адаптируемость методов виртуальной среды особенно важны при тренировке способности операторов к ориентации на местности. Однако, к сожалению, использование оператором пространственной информации от входных устройств виртуальной реальности приводит к неизменному преуменьшению оценки расстояния до наблюдаемых объектов. В данной работе выполнен обзор эволюции технологий создания виртуальной среды и прогнозирования вероятных сфер их применения. Подчеркиваются перспективные направления оптимизации использования человеком новых технологий.

ФОТОНИКА И ОПТОИНФОРМАТИКА

ЭФФЕКТ ПЁРСЕЛЛА В ПРЕДЕЛЬНО АНИЗОТРОПНЫХ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ МЕТАМАТЕРИАЛАХ Чебыкин А. В., Орлов А. А., Хайслер Ф. ., Барышникова К. В., Белов П. А.
9
Теоретически продемонстрирован эффект Пёрселла в предельно анизотропных метаматериалах с эллиптической изочастотной поверхностью. В отличие от гиперболических метаматериалов, данный эффект не связан с расходящейся плотностью состояний. Показано, что большой фактор Пёрселла можно наблюдать и без возбуждения мод с большими волновыми векторами в одном из направлений, при этом нормальная слоям компонента волнового вектора будет меньше k0. Это дает возможность получить в данных материалах увеличение не только мощности, излучаемой в среду, но и мощности, передаваемой в свободное пространство через границу среды, расположенную поперечно слоям материала. Методами анализа являлись построение изочастотных контуров, а также расчет аналитической зависимости фактора Пёрселла от частоты для бесконечной структуры слоистого метаматериала. В диапазоне видимого света сильная пространственная дисперсия не позволяет получить усиление спонтанного излучения в метаматериале с двухслойной элементарной ячейкой. Эффект может быть реализован в периодических слоистых металлодиэлектрических наноструктурах с элементарной ячейкой, содержащей два металлических и два диэлектрических слоя. Анализ полученных зависимостей фактора Пёрселла от частоты показывает, что спонтанное излучение усиливается на порядок и более только для случая ориентации возбуждающего диполя вдоль слоев метаматериала, а для случая поперечной ориентации излучение максимально может усиливаться лишь в 2–3 раза. Результаты работы могут быть использованы для создания нового типа метаматериалов с эллиптическими изочастотными контурами, обеспечивающих более эффективное излучение света в дальнее поле.
15
Предметом исследования являются техники определения статистики частиц, в частности, методы обработки изображений частиц, полученных при когерентной подсветке. Рассматривается задача распознавания и статистического учета индивидуальных изображений малых рассеивающих частиц в произвольном сечении объема в случае их высокой концентрации. Для автоматического распознавания изображений сфокусированных частиц использовался специальный алгоритм статистического анализа на основе оконтуривания и пороговой обработки. С использованием математического аппарата скалярной теории дифракции были смоделированы когерентные изображения частиц, сформированные оптической системой с высокой числовой апертурой. Проведена численная апробация предложенного метода для случаев различных концентраций и распределений частиц по объему. В результате получены распределения плотности и массовой доли частиц и определена эффективность метода при работе с изображениями частиц различной концентрации. При высоких концентрациях усиливается проявление эффекта когерентного наложения частиц из соседних плоскостей, что делает затруднительным распознавание изображений частиц с помощью рассмотренного в работе алгоритма. В этом случае мы предлагаем дополнить методику вычислением функции взаимной корреляции изображений частиц соседних сегментов объема и оценкой отношения высоты корреляционного пика к высоте пьедестала функции в случае различных характеров распределения. Рассмотренный в работе способ статистического учета частиц имеет важное практическое значение при исследовании объема с частицами различной природы, например, в задачах биологии и океанологии. Эффективная работа в режиме высоких концентраций расширяет пределы применимости рассматриваемых методов на практически важные случаи и позволяет оптимизировать время определения характера распределения и статистических характеристик частиц.
САМООРГАНИЗАЦИЯ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК СУЛЬФИДА СВИНЦА В СУПЕРСТРУКТУРЫ Ушакова Е. В., Голубков В. В., Осколков Е. О., Литвин А. П., Парфенов П. С., Баранов А. В.
22
Методом рентгеновского структурного анализа (рассеяние рентгеновского излучения под малыми углами) показано, что структуры, полученные в результате самоорганизации на подложке квантовых точек сульфида свинца, представляют собой упорядоченные массивы. Самоорганизация квантовых точек происходит при медленном испарении растворителя из кюветы. Кювета представляет собой тонкий слой слюды с приклеенным на нее тефлоновым кольцом. По положению пиков рассеяния на дифрактограмме была рассчитана кристаллическая структура полученных упорядоченных структур. Такие структуры обладают ромбической сингонией с примитивной кристаллической решеткой. Вычисленные параметры решетки: a = 21,1 нм; b = 36,2 нм; c = 62,5 нм. Размеры структур составили десятки микрометров. Исследованы спектральные свойства полученных суперструктур из квантовых точек сульфида свинца и кинетические параметры их люминесценции. Полоса поглощения суперструктур уширена по сравнению с полосой поглощения квантовых точек в растворе, полоса люминесценции немного смещена в красную область спектра, при этом ширина полосы практически не изменилась. Время затухания люминесценции полученных структур значительно уменьшилось по сравнению с изолированными квантовыми точками в растворе, но совпадает для плотно упакованных ансамблей квантовых точек сульфида свинца. Такие суперструктуры могут быть использованы для создания элементов солнечных батарей с улучшенными параметрами.
28
Представлены результаты численного моделирования методом Монте-Карло переноса излучения в средах со сложной структурой и динамикой с использованием оригинального подхода спекл-коррелометрии на основе использования локализованного источника излучения и приемника излучения с кольцевой апертурой. В качестве модельных сред рассматривались «динамические» протяженные объекты с различной геометрией и локализацией в «статическом» однородном слое, имитирующие биологические структуры с различными характеристиками микроциркуляции крови. Получены оценки коэффициента обратного рассеяния модельной среды, оцениваемого как отношение «динамических» парциальных составляющих обратно рассеянного поля к полному рассеянному полю. При этом и «динамические» парциальные составляющие обратно рассеянного поля, и полное рассеянное поле регистрируются детектором с заданным набором значений радиусов кольцевых апертур. В результате анализа зависимости коэффициентов обратного рассеяния от радиусов кольцевых детекторов были определены глубины залегания «динамического» протяженного объекта для различных случаев глубины локализации объекта. Также показано, что зависимости коэффициента обратного рассеяния от радиуса кольцевого приемника излучения для сред с различными оптическими свойствами и содержащими «динамический» объект с различными геометрическими размерами могут быть описаны δ-функцией, а наблюдаемый сдвиг пикового значения может быть обусловлен изменением показателя анизотропии рассеяния.
35
Рассмотрены основные принципы представления сигналов в оптической когерентной томографии с использованием формализма теории динамических систем; проведен сравнительный анализ вычислительной сложности алгоритмов динамического оценивания параметров сигналов в оптической когерентной томографии, таких как расширенный фильтр Калмана и последовательный метод Монте-Карло. Показано, что вычислительная сложность обработки одного отсчета сигнала при помощи расширенного фильтра Калмана полиномиально возрастает в зависимости от размера вектора параметров и вектора наблюдения, а сложность обработки отсчета сигнала последовательным методом Монте-Карло линейно зависит как от размеров вектора параметров и вектора наблюдения, так и от количества генерируемых случайных векторов. Приведены экспериментальные результаты оценивания времени обработки тестового сигнала при использовании каждого из алгоритмов. Показано, что время обработки сигнала, содержащего 500 дискретных отсчетов, при помощи расширенного фильтра Калмана в случае простейшей модели скалярного сигнала составляет примерно 0,1 с и возрастает при усложнении модели в несколько раз. Время обработки аналогичного сигнала при помощи последовательного метода Монте-Карло с использованием аналогичной простейшей модели и при фиксированном количестве генерируемых векторов составляет 0,7 с и при усложнении модели возрастает незначительно, примерно в 1,5 раза. Полученные результаты могут быть использованы при оценке ожидаемого времени обработки данных с помощью рекуррентных алгоритмов динамического оценивания параметров в системах оптической когерентной томографии.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

41
Предложены два новых взаимодополняющих метода формирования изображений стереопары. Первый из них основан на нахождении максимального значения корреляционной функции между градиентными изображениями левого и правого кадров. Второй метод предполагает нахождение сдвига между двумя сопряженными ключевыми точками изображений стереопары, обнаруженными при помощи детектора точечных особенностей. Методы позволяют с высокой точностью задать выделенному на изображении объекту желаемую величину вертикального и горизонтального параллаксов. Их применение дает возможность измерить значения параллаксов у объектов на готовой стереопаре в пикселах и (или) процентах от общего размера изображения. Это позволяет заранее предсказать возможное превышение допустимых пределов величин параллаксов при печати или проекции стереопары. Предложенные методы легко автоматизируются после выделения на изображении объекта, для которого в дальнейшем будет выставлено заданное значение горизонтального параллакса. Совмещение изображений стереопары методом ключевых точек происходит менее чем за одну секунду. Метод с использованием корреляции требует чуть больше вычислительного времени, однако позволяет контролировать и совмещать неразделенное анаглифное изображение. Предложенные методы формирования стереопары могут найти применение в программах по монтажу и обработке изображений стереопары, в видеоконтрольных устройствах съемочных камер, в устройствах оценки качества видеопоследовательности.
48
Предложена структурная схема активной стереоскопической системы и алгоритм ее работы, обеспечивающий быстрое вычисление пространственных координат. Система включает в себя две одинаковые камеры, образующие стереопару, и лазерный сканер, который осуществляет вертикальное сканирование лазерным лучом пространства перед системой. Синхронная работа двух камер обеспечивается с помощью отдельного блокасинхронизатора. Разработанный алгоритм работы системы реализован в среде MATLAB. В предложенном алгоритме влияние фоновой засветки устраняется за счет межкадровой обработки. Алгоритм базируется на предварительном вычислении координат эпиполярных линий и сопряженных точек стереоскопического изображения. Эти данные используются для быстрого вычисления трехмерных координат точек, составляющих трехмерные изображения объектов. Приведено описание эксперимента на физической модели. Результаты эксперимента подтверждают работоспособность предложенной активной стереоскопической системы и алгоритма ее работы. Предложенная авторами схема активной стереоскопической системы и метод вычисления пространственных координат могут быть рекомендованы для создания стереоскопических систем, работающих в реальном времени и требующих повышенного быстродействия: устройства распознавания лиц, системы контроля положения железнодорожного пути, активные системы безопасности автомобиля.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКА

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ, ОСНАЩЕННЫМ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМ МАНИПУЛЯТОРОМ Маргун А. А., Зименко К. А., Базылев Д. Н., Бобцов А. А., Кремлев А. С., Ибраев Д. Д., Чех М. .
54
Рассматривается задача синтеза системы управления для мультиротационного беспилотного летательного аппарата, оснащенного робототехническим манипулятором. Предложен алгоритм управления, основанный на методе линеаризации обратной связью и синтезе пропорционально-дифференциального регулятора с учетом изменений тензора инерции, положения центра масс и компенсацией реактивного момента сил, порождаемого динамикой манипулятора. В качестве модели рассматриваемого объекта управления выбран квадрокоптер с плоским двухзвенным манипулятором. На основании законов механики Ньютона и уравнений Эйлера–Лагранжа получены системы уравнений, описывающие поведение рассматриваемой динамической системы. Предложены выражения, определяющие тензор инерции и положение центра масс системы в зависимости от текущего положения манипулятора, а также реактивный момент сил, действующих на квадрокоптер со стороны манипулятора. Для полученной нелинейной системы с перекрестными связями применена линеаризация обратной связью с компенсацией влияния манипулятора на квадрокоптер, в результате чего уравнения динамики робота были преобразованы к линейной стационарной системе. Управление преобразованной системой осуществлено с помощью пропорционально-дифференциального регулятора. Проведено моделирование рассматриваемой системы с описанным в работе методом управления и классическим методом на базе пропорционально-дифференциального регулятора. Результаты моделирования показали, что предложенный подход позволяет достигнуть более высоких показателей точности и эффективности при движении по заданной траектории, чем управление с помощью пропорционально-дифференциального регулятора.
63
Рассмотрена задача адаптивного управления параметрически неопределенными многоканальными линейными стационарными объектами c произвольной относительной степенью каждой локальной подсистемы. Cинтезирован регулятор, обеспечивающий стабилизацию объекта управления при условии, что для каждой подсистемы: измеряются только выходные переменные; точно известны относительные степени, но не порядок линейных дифференциальных уравнений; выполнены условия минимальной фазовости. Для упрощения общей методики синтеза управления рассматривается процедура стабилизации двухканальной системы. В качестве базового подхода управления выбирается метод «последовательный компенсатор», основанный на использовании теоремы о пассификации А.Л. Фрадкова, с дополнительными фильтрами, содержащими в своей структуре большие коэффициенты усиления. Анализируется устойчивость замкнутой системы в классе указанных типов регуляторов, а также рассматриваются необходимые и достаточные условия, обеспечивающие экспоненциальные свойства сходимости. В качестве практических рекомендаций использования рассматриваемого подхода предлагается адаптивная версия метода «последовательный компенсатор», основанная на настройке коэффициента усиления, на базе алгоритма интегрального типа. Для иллюстрации работоспособности предлагаемого в работе подхода приведены результаты компьютерного моделирования для подсистем третьего и второго порядка соответственно, функционирующих в условиях полной параметрической неопределенности. Показано, что применение данной методики синтеза позволяет синтезировать алгоритмы управления многоканальными параметрически неопределенными системами, обладающими минимальным динамическим порядком в сравнении с известными зарубежными и отечественными аналогами.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ СВЕТОДИОДНЫХ ЛЮМИНОФОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Фудин М. С., Мынбаев К. Д., Липсанен Х. К., Айфантис К. Е., Бугров В. Е., Романов А. Е.
71
Для  оценки  перспектив  применения  люминофорных  светодиодов  в системах  беспроводной  передачи  данных в оптическом диапазоне рассмотрены частотные характеристики современных светодиодных люминофорных  материалов. Проведены измерения зависимости интенсивности излучения одиночных светодиодов и светодиодных  сборок с люминофорами на основе иттрий-алюминиевого и лютеций-алюминиевого граната (в том числе с добавлением нитридного люминофора), а также силикатных люминофоров, от частоты электрических импульсов, возбуждающих излучение светодиодов. Показано, что с точки зрения скорости передачи информации люминофоры на основе гранатов (в том числе с добавлением нитридных люминофоров) имеют бóльший потенциал, чем силикатные люминофоры. Материалы на основе гранатов могут быть использованы в оптических системах передачи данных с полосой  пропускания  (без  дополнительной модуляции)  до  3 МГц  (в  одночиповых  светодиодах)  и  до  4,5 МГц  (в 9-чиповых сборках). Результаты работы показывают, что значительная часть светодиодов, применяемых в системах общего освещения, уже сейчас может быть использована для передачи информации пользователям, например, в системах позиционирования в закрытых пространствах, для облегчения поиска нужных помещений и объектов и т.п. 
77
Разработка и исследование люминофоров на основе квантовых точек является перспективной задачей фотоники. Введение квантовых точек во фторофосфатные стекла обеспечивает жесткую матрицу, высокий коэффициент поглощения, широкую полосу люминесценции и высокий квантовый выход. Поскольку ионы марганца обладают интенсивной полосой люминесценции в красной области спектра, то добавление их в стекла с квантовыми точками приводит к уширению спектра в длинноволновую область спектра. Такое излучение по своему спектральному составу ближе к естественному солнечному излучению и обеспечивает источникам излучения на его основе более высокий индекс цветопередачи. Целью работы является исследование спектрально-люминесцентных свойств фторо-фосфатных стекол, активированных марганцем и квантовыми точками CdS. Для этого были синтезированы фторо-фосфатные  стекла  состава  47NaPO3 -30H3 PO4 -10Ga2O3 -5ZnO-xMnS-7,5NaALF6 -4,2CdS, где х=3, 6, 8 мол.%. Квантовые точки были получены путем вторичной термообработки стекол при температуре 430 °С в течение 90 мин. Измерены спектры поглощения  в  видимой  области спектра  (300–600 нм). Показано смещение края  фундаментального поглощения в видимую область спектра при термообработке. Данное изменение обусловлено ростом квантовых точек. Экспериментально установлено, что при возбуждении лазером на длине волны 410 нм максимумы интенсивности люминесценции сдвигаются в красную область спектра (с 620 нм до 660 нм). Максимальный сдвиг наблюдался у образца с концентрацией марганца 3 мол.%, минимальный сдвиг – у образца с концентрацией 8 мол.%. По результатам  измерений  кинетики  затухания люминесценции  марганца  (620 нм)  были получены  значения  времен  жизни от 18 мс для образца с концентрацией MnS 3 мол.% до 15 мс – для MnS 8 мол.%. Уменьшение времени жизни с ростом концентрации  связано  с концентрационным  тушением  люминесценции  марганца. Рост квантовых  точек  CdS  при термообработке приводит к снижению значений времен жизни люминесценции до значений 9–3 мс (3 и 8 мол.% MnS соответственно).  Результаты проведенных  исследований  показали,  что  данные фторофосфатные стекла,  активированные марганцем и квантовыми точками CdS, являются перспективными для применения в качестве люминофоров для белых светодиодов.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ РЕЗКОСТИ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Беззубик В. В., Белашенков Н. Р., Вдовин Г. В., Кармановский Н. С., Соловьев О. А.
82
Предложен и апробирован метод улучшения резкости цифровых изображений, основанный на выполнении многомасштабного анализа изображения, вычислении значений дифференциальных откликов его яркости по различным пространственным масштабам и последующем синтезе восстанавливающей функции, с помощью которой повышение резкости изображения производится путем простого поэлементного вычитания значений этой функции из массива значений яркости искаженного изображения. Особенностью метода является использование принципа транспозиции элементов восстанавливающей функции, ее нормировка и учет знака градиента дифференциального отклика яркости изображения в областях вблизи границ объектов. Алгоритм, реализующий предложенный метод, допускает применение целочисленной арифметики, что значительно сокращает время вычислений. В работе показано,  что  для  изображений  с  небольшой  величиной  размытия  границ,  соответствующих неустранимым  аберрациям изображающих  систем,  при  синтезе  восстанавливающей  функции  резкости  достаточно  ограничить  рассмотрение двумя первыми масштабами. Предлагаемый метод не требует априорной информации о характере и величине ядра размытия, что соответствует представлениям о «слепой» деконволюции изображений, но практическая реализация  данного метода существенно проще и не требует значительных вычислительных ресурсов. Наиболее перспективной областью применения метода являются цифровые системы машинного зрения и интеллектуальные системы наблюдения, предназначенные для работы в составе информационных комплексов, непосредственно связанных с распознаванием образов и выработкой решений на их основе в режиме реального времени. 
91
Рассматриваются дисциплины обслуживания заявок общего вида в системах массового обслуживания с неоднородной нагрузкой. Для математического описания таких дисциплин предлагается использовать матрицу приоритетов, отображающую вид приоритета (относительный, абсолютный или его отсутствие) между двумя любыми классами заявок. Такой способ описания, обладая наглядностью и простотой задания приоритетов, позволяет получить математические зависимости характеристик функционирования системы от параметров. Сформулированы требования  к  формированию  матрицы  приоритетов, введено  понятие  канонической  матрицы приоритетов.  Показано, что не всякая матрица, построенная в соответствии с этими требованиями, является корректной. Понятие некорректности матрицы приоритетов проиллюстрировано на примере; показано, что такие матрицы не обеспечивают однозначности и определенности при разработке алгоритма, реализующего соответствующие им дисциплины обслуживания. Для канонических матриц приоритетов сформулированы правила построения корректных матриц. В качестве одной  из  основных  характеристик  рассматривается  время  пребывания  в  системе  заявок  разных  классов,  которое складывается из времени ожидания начала обслуживания и времени нахождения заявки на обработке. Для этих характеристик  с  использованием  метода  введения  дополнительного  события  получены  преобразования  Лапласа,  на основе  которых  выведены  математические зависимости  для  расчета  двух  первых  начальных  моментов  соответствующих характеристик обслуживания заявок. 
98
Традиционный в области разработки программ процесс тестирования не может гарантировать их корректности, поэтому при повышенных требованиях к надежности программ прибегают к верификации. Верификация позволяет проверять некоторые свойства программы во всех возможных ее состояниях, однако сам процесс верификации сложен. В методе проверки моделей (model checking) строится модель программы (обычно вручную), а требования к ней записываются на языке темпоральной логики. Выполнение или невыполнение этих требований к модели может быть проверено автоматически. Основной проблемой такого подхода является разрыв между программой и ее моделью. Парадигма автоматного программирования позволяет устранить указанный разрыв. В  автоматном программировании логика работы программ описывается управляющими конечными автоматами, модели которых могут быть построены автоматически. В работе рассматривается применение муравьиного алгоритма на основе графа мутаций для решения задач построения автоматных программ по их спецификации, заданной сценариями  работы и темпоральными свойствами. Апробация предложенного подхода проведена на примере задачи построения автомата управления дверьми лифта, а также на случайных данных. Полученные результаты показывают,  что  муравьиный алгоритм в два–три раза эффективнее ранее применявшегося генетического. Предложенный подход может быть рекомендован для автоматизированного построения управляющих программ для ответственных систем.
106
 Рассматривается эффективность использования ортогональных преобразований в частотных алгоритмах цифрового  маркирования  неподвижных  изображений.  Выбраны  дискретное  преобразование  Адамара,  дискретное косинусное  преобразование  и  дискретное  преобразование  Хаара.  Их  эффективность  определяется  незаметностью встроенного с их помощью в изображение цифрового водяного знака, его стойкостью к наиболее распространенным операциям обработки изображения: JPEG-сжатию, зашумлению, изменению яркости и размера, эквализации гистограммы изображения. При использовании указанных ортогональных преобразований алгоритм цифрового маркирования его параметры встраивания остаются неизменными. Незаметность встраивания определяется величиной пикового отношения сигнала к шуму, стойкость водяного знака – коэффициентом корреляции Пирсона. Встраивание считается незаметным, если величина пикового отношения сигнала к шуму не ниже 43 дБ. Встроенный водяной знак  считается устойчивым к определенной атаке, если коэффициент корреляции Пирсона не ниже 0,5. Для вычислительного  эксперимента выбран  алгоритм  Elham,  основанный  на энтропии  изображения.  Вычислительный  эксперимент проводится по следующему алгоритму: встраивание цифрового водяного знака при помощи алгоритма Elham в низкочастотную область изображения (контейнера), применение вредоносного воздействия на защищаемом изображении (стеганоконтейнере), извлечение цифрового водяного знака. Данные действия сопровождаются оценкой качества  стеганоконтейнера и водяного знака, на основе которых и определяется эффективность ортогонального преобразования. В результате вычислительного эксперимента было установлено, что выбор указанных ортогональных преобразований  при  одинаковом  алгоритме  и  параметрах  встраивания  не влияет  на степень  незаметности  водяного  знака. Основываясь на показателях корреляции, была установлена эффективность дискретного преобразования Адамара и дискретного косинусного преобразования по отношению к выбранным для эксперимента атакам. При этом использо- вание дискретного преобразования Адамара повышает устойчивость встроенного водяного знака к изменению яркости  и  эквализации  гистограммы  стеганоконтейнера.  Использование  преобразования  Хаара  показало  наименьшую эффективность. Полученные результаты будут полезны при разработке частотного алгоритма встраивания цифрового водяного знака в изображение.
113
Предмет исследования. Рассмотрены базовые информационные технологии, автоматизирующие информационные процессы  сохранения,  распространения  и  обработки  данных,  с  точки  зрения  требуемых  им  физических  ресурсов. Показано, что изучение этих процессов с такими традиционными для современной информатики целями, как способность передавать знания, степень автоматизации, обеспечение информационной безопасности, кодирование, надежность и других, уже недостаточно. Причиной этого являются, с одной стороны, увеличение объемов и интенсив- ности информационного взаимодействия в ходе предметной деятельности людей и, с другой стороны, приближение к пределу производительности информационных систем, основанных на полупроводниковых технологиях. Актуальной проблемой  современных  инженерных  разработок  стало  создание  таких  технических  средств,  которые  не  просто обеспечивают  поддержку  информационного  взаимодействия,  но  и  потребляют  рациональные  объемы  физических ресурсов. Таким образом, объектом исследования являются базовые информационные технологии, обеспечивающие сохранение, распространение и обработку данных для поддержки информационного взаимодействия людей, а предметом исследования – физические временные, пространственные и энергетические ресурсы, необходимые для реализации этих технологий.   Используемые подходы. Предпринимается попытка за счет учета в явном виде объемов физических ресурсов, необходимых  для  изменения  состояний  носителей  информации,  расширить  возможности  традиционной  методологии кибернетики,  которая  заменяет  рассмотрение  материальной  составляющей  информации  перебором  состояний  информационных объектов.   Цель работы. Выработка общего подхода к сравнению и последующему выбору базовых информационных технологий сохранения, распространения и обработки данных с учетом не только требований к качеству информационного взаимодействия в определенной предметной области и степени использования технических средств, но и объемов потребляемых при этом физических ресурсов.   Основные результаты работы. Предложена классификация ресурсов, потребляемых базовыми информационными технологиями, по их физической природе на пространственные, временные и энергетические. Показано, что основными пространственными ресурсами применительно к базовым информационным технологиям являются плотность записи данных, распределение пользователей в зоне охвата и размер техпроцесса, временными – время гарантированного сохранения, время доставки данных и производительность обработчика, энергетическими – уровни энергетического барьера и сигнала и энергопотребление. Выделены ключевые физические ресурсы для базовых информационных технологий сохранения, распространения и обработки данных, к которым отнесены соответственно плотность записи, время доставки и энергопотребление. На примере технологий сохранения данных предложен подход к выбору такой информационной технологии, которая удовлетворяет требованиям пользователей к качеству информационного взаимодействия при рациональном потреблении физических ресурсов. Практическая значимость. Результаты работы могут быть полезны специалистам, занимающимся проектированием и эксплуатацией высокопроизводительных систем вычислений, хранения и распространения данных; разработкой способов повышения эффективности существующих коммуникаций, включая мобильную и оптическую связь, методов и алгоритмов для сбора, хранения и интеллектуального анализа больших объемов данных; внедрением новых  информационных технологий. 
ПОИСК ЛЮДЕЙ ПО ФОТОРОБОТАМ: СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ Кухарев Г. А., Матвеев Ю. Н., Щеголева Н. Л.
123
 Обсуждается  проблема  поиска  людей  по  фотороботам,  составленным  по  словесному  портрету. Приводится  обзор  состояния этой  проблемы  от  исходных  понятий  и  используемой терминологии  до  современных технологий  создания  фотороботов,  реальных  сценариев  и  результатов  поиска.  Представлены  история  развития систем формирования композиционных портретов (фотороботов и скетчей) и идеи, реализованные в этих системах.  Обсуждается  задача  автоматического  сравнения  фотороботов  с  оригинальными  фотографиями,  вскрываются причины недостижимости устойчивого поиска фотопортретов-оригиналов по фотороботам в реальных сценариях. Формулируются требования к базам фотороботов в дополнение к существующим бенчмарковым базам изображений лиц, а также способы реализации таких баз. В рамках этих способов обсуждаются методы генерации популяции фотороботов  из  исходного  фоторобота  для  повышения  результативности  поиска  по  нему  фотопортрета-оригинала.  Представлен метод повышения индекса подобия в паре фоторобот/фотопортрет, основанный на вычислении среднего фоторобота из сформированной популяции. Показано, что такие фотороботы более подобны портретам-оригиналам и их использование в обсуждаемой проблеме поиска может привести к высоким результатам. При этом сформированные фотороботы отвечают требованиям правдивого сценария, поскольку учитывают возможность неполной информации  в  словесных  портретах.  Обсуждаются  результаты  применения  этих  методов  для  баз  CUHK  Face  Sketch database и CUHK Face Sketch FERET database, а также опубликованных в открытой печати фотороботов и соответствующих им фотографий.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

РАСПОЗНАВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЛИТЕЛЬНЫХ ЭМОЦИЙ В РЕЧИ (на англ. языке) Анагностопулос Т. ., Хоружников С. Э., Грудинин В. А., Скоурлас К. .
137
Люди действуют рационально, и это их фундаментальное отличие от других видов жизни. Кроме того, в современной психологии подчеркивается, что люди как разумные создания отличаются чувствами и эмоциями. Существует пятнадцать видов универсальных длительных эмоций, плюс нейтральное эмоциональное состояние, такие как гнев, злость, паника, страх, тревога, отчаяние, грусть, восторг, радость, интерес, скука, стыд, гордость, отвращение, презрение и нейтральное отношение. В данном исследовании рассматривается  понимание эмоционального состояния человека по анализу речи в процессе общения. Доказано, что на основе достаточного объема акустических данных  эмоциональное  состояние  человека  может  быть классифицировано  набором  мажоритарных  классификаторов.  Предложенный  набор  классификаторов  построен  на  основе  трех  базовых классификаторов:  kNN,  C4.5  и SVMRBFKernel. Этот набор обеспечивает лучшую обработку классификаций эмоций, чем каждый из базовых классификаторов в отдельности. Он сравнивается с двумя другими наборами классификаторов: один-против-всех (OAA) мультиклассовый SVM с гибридными ядрами и с набором классификаторов, состоящим из двух базовых классификаторов С5.0,  и нейронная сеть (NeuralNetwork). Предложенный вариант достигает лучшего результата, чем два других набора классификаторов. В настоящей статье осуществляется классификация эмоций набором мажоритарных классификаторов, который состоит из трех определённых базовых классификаторов, имеющих низкую вычислительную сложность. Базовые классификаторы базируются на различных теоретических данных с целью избегания отклонений и избыточности, что дает предложенному набору классификаторов возможность  обобщиться в пространство определений эмоций. 
146
 Рассматривается реализация резервированной аппаратуры управления электроприводом, выполненной на  основе  микросхем  с  программируемой  структурой.  Резервирование  выполнено  способом  постоянного  общего резервирования. В отличие от раздельного резервирования замещением с использованием ненагруженного резерва,  общего резервирования замещением, такой способ обеспечивает сохранение всех функций аппаратуры при переходе на резерв, а также непрерывный контроль исправности основного и резервного каналов. Приведен пример реализации  такой  аппаратуры.  Структурная  схема  канала  управления  электроприводом  содержит  два  блока  управления  – основной и резервный, а также четыре источника питания. Программирование аппаратуры осуществлялось с исполь-зованием автоматного подхода. Разработана модель канала управления электроприводом, обеспечивающая совместное моделирование управляющей машины состояний и силового преобразователя. Благодаря наглядности и иерар-хичности конечных автоматов было сокращено время отладки по сравнению с традиционным программированием.  Для синтеза управляющей машины состояний в системе проектирования производителя микросхем необходимо описать ее на языке описания аппаратуры. Такое описание формировалось автоматически средствами пакета MATLAB. Для проверки результатов были разработаны и изготовлены два образца блока управления, два образца источников вторичного электропитания и макет прибора. Блоки устанавливались в макет прибора. Образцы блоков были выпол- нены в соответствии с требованиями, предъявляемыми к поставляемой аппаратуре. Приведены результаты модели-рования и испытаний канала управления в исправном состоянии, а также при имитации неисправности основного  блока управления. Автоматный подход позволил наблюдать и отлаживать переходы в управляющей машине состояний  при  моделировании  переходных  процессов,  протекающих  при  имитации  неисправностей.  Результаты  работы могут быть использованы при создании отказоустойчивых каналов управления электроприводом.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

153
Разрабатывается подход к дискретизации нестационарных уравнений Навье–Стокса на неструктурированных сетках в рамках метода конечных объемов, обсуждаются его преимущества и перспективы развития. Рассматриваются особенности дискретизации невязких и вязких потоков, а также производных по времени. К преимуществам предлагаемого подхода относятся: возможность работы как на структурированных, так и неструктурированных сетках; использование разностных схем высокого порядка по времени и по пространственным координатам; выбор для дискретизации законов сохранения среднемедианного контрольного объема; применение соотношений для расчета градиента и псевдолапласиана, позволяющих получить более точные результаты на сильно растянутых сетках в пограничном слое; запись соотношений для расчета потоков через грани внутренних и граничных контрольных объемов в одинаковой форме, что обеспечивает более простую программную реализацию. Подход позволяет реализовать стратегию адаптации сетки в соответствии с особенностями конкретного течения, а также дает обширные возможности для параллелизации процессов вычислений. Возможности разработанного подхода демонстрируются на примере решения задачи, связанной с моделированием нестационарных течений в элементах газотурбинных двигателей.
163
Предмет исследования. Целью исследования является разработка методов и средств математического и компьютерного моделирования систем информационного обеспечения региональной безопасности как многоуровневых иерархических систем. Эти системы характеризуются слабой формализованностью, многоаспектностью происходящих в них процессов и их взаимосвязанностью, динамичностью и высокой степенью неопределенности. Методологическая база исследования включает функционально-целевой подход и аппарат теории иерархических многоуровневых систем. В работе решаются задачи анализа и структурно-алгоритмического синтеза автоматизированных систем, ориентированных на информационную поддержку процессов управления и принятия решений в сфере региональной безопасности. Основные результаты. Разработана многоуровневая рекуррентная модель иерархического управления комплексной безопасностью региональных социально-экономических систем. Модель основана на функционально-целевом подходе и обеспечивает как формальную постановку и решение, так и практическую реализацию задач синтеза структуры автоматизированных систем и алгоритмов управления региональной безопасностью, оптимальных в смысле определенных критериев. Предложен подход к решению задач внутриуровневой и межуровневой координации в многоуровневых иерархических системах. Такая координация обеспечивается за счет удовлетворения требований взаимосвязи между показателями качества функционирования (целевыми функциями), оптимизируемыми различными элементами многоуровневых систем. Это позволяет достичь достаточной согласованности локальных решений, принимаемых на разных уровнях управления, в условиях децентрализованного принятия решений и высокой динамики внешней среды. Использование рекуррентной модели позволяет сформировать математические модели управления безопасностью региональных социально-экономических систем, функционирующих в условиях неопределенности. Практическая значимость. Практическая реализация предложенной модели позволяет проводить автоматизированный синтез программной исполнительной среды информационно-аналитической поддержки принятия управленческих решений в сфере региональной безопасности. Модель сможет найти применение при создании методологии математического и компьютерного моделирования многоуровневых иерархических систем управления комплексной безопасностью сложных систем.
171
Теоретические основы расчета планетарных цевочных редукторов типа k-h-v заложены сравнительно давно. Однако в последнее время к вопросам их проектирования вновь привлечено повышенное внимание. Это связано с тем, что подобные устройства входят во многие сложные технические системы, в частности, в мехатронные и робототехнические системы. Развитие современной технологической базы производства таких редукторов сегодня позволяет реализовать принципиальные возможности этих устройств – высокий коэффициент полезного действия, большое передаточное отношение, кинематическую точность и плавность хода. Наличие адекватной математической модели позволяет управлять кинематической точностью редуктора за счет рационального выбора допусков на изготовление его деталей. Появляется возможность автоматизировать процесс проектирования планетарных цевочных редукторов с учетом различных, в том числе технологических, факторов. В настоящей работе авторами разработана математическая модель и предложен математический аппарат, позволяющие моделировать кинематическую погрешность редуктора с учетом многочисленных факторов, учитывающих, в том числе, и погрешности изготовления. Погрешности рассматриваются в виде, удобном для прогнозирования кинематической точности редуктора уже на стадии изготовления по результатам измерения деталей на координатно-измерительных машинах. При моделировании погрешностей изготовления колеса они задаются отклонением радиуса окружности центров цевок, ее эксцентриситетом и отклонениями положений осей цевок относительно окружности центров. Погрешности изготовления сателлита задаются отклонением его эксцентриситета и эксцентриситетом зубчатого венца. Вследствие коллинеарности, погрешности диаметров цевок, отверстий под цевки и погрешности профилей зубьев сателлита для заданной точки контакта объединены в одном отклонении. Программная реализация модели позволяет оценить влияние указанных погрешностей на ошибку угла поворота сателлита и обоснованно выбирать точностные параметры технологических процессов изготовления деталей. Кроме того, она дает возможность по результатам измерения на координатно-измерительной машине оценить кинематическую погрешность редуктора или путем анализа кинематограммы редуктора диагностировать погрешности изготовления его деталей. Модель реализована в виде программы, разработанной в среде Microsoft Visual C++ 6.0. Полученные результаты нашли применение в системе автоматизированного проектирования планетарных цевочных редукторов.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ

ПРОБЛЕМА ПОДДЕРЖКИ КОГНИТИВНЫХ ФУНКЦИЙ В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОБУЧЕНИЯ Лисицына Л. С., Лямин А. В., Быстрицкий А. ., Мартынихин И. А.
177
Успешность развития таких важнейших когнитивных функций человека, как внимание, восприятие и скорость обработки информации, рабочая и долговременная память, мышление и т.п., является необходимой основой повышения результативности электронного обучения. Одним из путей развития когнитивных функций обучаемых в процессе электронного обучения являются компьютерные когнитивные тренинги, которые включаются в индивидуальную траекторию обучения для стимулирования его к успешному выполнению определенных учебных задач электронного курса. Проведен анализ проблем оценивания эффектов когнитивных тренингов (выраженности, устойчивости и трансфера) и предложены пути их решения. Показано, что биологической основой эффектов когнитивных тренингов является нейропластичность головного мозга, которая влияет на продолжительность и интенсивность проведения тренингов. Предложен подход к организации исследований эффектов когнитивных тренингов, основанный на применении случайных методов. Показана перспективность использования игровых механик для реализации когнитивных тренингов в электронном обучении. Проведен детальный анализ подходов к тренингу базовых когнитивных функций, в том числе рабочей памяти обучаемых. Практическая значимость данной работы состоит в выявлении первоочередных задач для разработки и исследования когнитивных тренингов в электронном обучении.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

185
Рассмотрена возможность управления модовой структурой излучения в жгуте из оптических волокон путем варьирования его пространственной геометрии, изгибного профилирования. В отличие от известного дифракционного профилирования предложен подход, основанный на управлении оптическими неоднородностями волокна, вызванными изгибом волокна. На примере винтовой укладки жгута показана возможность изменения распределения интенсивности излучения на его выходе путем изменения параметров укладки: диаметра и шага намотки. Отмечено возникновение регулярных и спекл-полей с круглым профилем пучка. Обнаружено, что с увеличением радиуса ишага намотки увеличивается число мод в пучке. Также наблюдается плавное изменение (как уменьшение, так и увеличение) интенсивности от центра пучка к краям.           
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика