автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Научные основы функциональной и технологической точности аудио- и видеосистем и аппаратуры

3 од

' -..•-•О

ГОСУДАРСТВЕ®Шй КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи УДК 778.5 + 621.397.6

колжшский

Николал Николаевич

НАУ;ПШЕ ОСНОВЫ ФУШШОНАЛЬНОЙ И ТЕХНОЛОГ.'ШЖОЙ ТОЧНОСТИ АУДИО и ВВДЙО СИСТЕ', И АППАРАТУРЫ

Сиелдьи'ьяостъ: 05.02.18 - Теория

механизмов и машин

05.11.14 - Технология

приборостроения

НЕУЧКЫЙ ДОКЛАД

по оп/бликовакнкм работам, представленный на соискание ученой степени доктора технических наук

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕЙ ЖОЛЕ

ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи УДК 778.5 + 621.397.6

&0Л (ЖЕНСКИЙ Николай Николаевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ АУДИО И ВИДЕО СИСТШ И АППАРАТУРЫ

Специальность: 05.02.18 - Теория

механизмов и машин

05.II.14 - Технология

приборостроения

ННУЧНЫЙ ДОКЛАД

по опубликованном работам, представленный на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в институте кино и телевидения г. Санкт-Петербурга

Официальные оппоненты:

д.т.н., проф. Иванов В.А., С-1ШТЫ0 д.т.н., проф. Крючков М.А.., ЫИП д. т.н., проф. Шнеидер Ю.Г., С-ПИТШ

Ведущее предприятие: Оптико-механическое

объединение (С-Петербург)

при Институте точной механики и оптики по адресу 197101, г. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14.

Защита диссертации состоится в " ч мин. на за«

мин. на заседании специализированного совета

Научный доклад разослан

Ученый секретарь специализированно: к.т.н. ,дои

Ю.П.Кузьмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Целью создания и функционирования различных видов кинематографических и кинотелевизионных систем в широком смысле является удовлетворение культурно-познавательных потребностей кино и телекинозрителей в документальной и художественной информации, а в узком смысле - запись и воспроизведение физиологически и психологически точных сигналов изображений и звуков при кино и телекино-показе. Указанные цели вызывают необходимость в управлении уровнями качества и параметрической надежности рассматриваемых систем на всех этапах их жизненного цикла. При этом к числу важнейших и актуальных научно-технических проблем кинематографии относятся квалиметрические проблемы нормирования качества изображения и звука, а также соответствующего технического и метрологического обеспечения процесса проектирования, производства и эксплуатации комплексов гашовидеоаппаратуры и кинотехнологического оборудования на всех стадиях производства и эксплуатации.

Научно-обоснованное нормирование качества изображения и звука, воспринимаемого кино и телекинозрителем предполагает аксиоматическое построение теории оценивания этого качества с использованием методов психофизики, позволяющих устанавливать связь между психофизическими (субъективными) и информационно-техническими (объективными) параметрами рассматриваемых систем. Принципиальным вопросом при разработке теории оценивания и нормирования качества изображения и звука является определение научно-обоснованных критериев (мер) оценки и разработка физико-математических моделей эволюции и прогнозирования качества как по частным параметрам -дифференциально, так и по их совокупности - интегрально.

Уровень качества функционирования и параметрической надежности кинематографических систем характеризуется состоянием во времени ее информационно-технических параметров, определяющих на

основе сенсорных функций зрительного и слухового анализаторов обобщениио психофизический (субъективные) параметры качества изображения и звука при кино и телекинопоказе. Поэтому оптимизация технических параметров с учетом экономических критериев является патаейшей системной задачек и требует формулирования едини основ анализа и синтеза различных кинематографических и кинотеле-гшзиошшх систем с точки зрения совокупности выходных психофизических параметров (интегрального качества изображения и звука).

Как известно, интегральная субъективная оценка качества изображения и звука в кипоматографе и телевидении находится в тесной связи с обобщенным информационным критерием совершенства воспроизводящих свойств систем, однако это не идентичные понятия ввиду специфики восприятия зрительной и слуховой информации чело-пеком. Приходится констатировать, что проблема корректного установления и формализации связей между субъективно воспринимаемым качеством реального изображения и звука и количеством информации, воспроизводимой рассматривавший системами, особенно в многомерном случае, до настоящего времени не решена (по опубликованным данным). Вместе с тем очевидно, что только при наличии интегрального критерия возможно сравнение разных действующих и проектируемых систем, определение обменных соотношений между выходными параметрами, нормирование как выходных (субъективных), так и исходных (технических) требований и, в конечном счете, управление интегральным качеством мзображешш и звука. При этом необходимо различать формализованный, т.е. замечаемый количественный обмен между числовыми значениями отдельных субъективных параметров ври одном и том же значении интегрального качества сравниваемых изображении и звучании (квазиэквипалентное качество) и не формализованный, т.е. не замечаемый в пределах стохастичности восприятия обмен (квазиго.тдеотвешюе качество).

В силу двойственной природа восприятия качества изображения и звука, а именно единовременного анализа всей совокупности психофизических параметров и синтеза этих выделенных параметров в единый зрительный или слуховой образ, целесообразно ввести понятие интегродифференциальной оценки качества изображения и звука.

Постановка и разработка некоторых указанных проблем и является содержанием представленной диссертационной работы, в первом разделе которой анализируется состояние проблемы оценки выходных параметров кинематографических (кинотелевизионных) систем, а во втором - осуществляется собственно разработка современных концепций, теории и методов оценки качества функционирования и параметрической надежности систем по выходным субъективным (психофизическим) параметрам.

Актуальность работы заключается в необходимости научно-обоснованного (количественного) управления уровнем качества и технического состояния кинематографических и кинотелевизионшх систем на всех этапах их жизненного цикла от идеи создания, проектирования и производства, до снятия с эксплуатации. Как известно, один из фундаментальных принципов современной науки и состоит в том, что явления материального мира нельзя считать понятыми и управляемыми до тех пор, пока они не описаны посредством количественных характеристик.

В настоящее время в кинематографии отсутствуют теоретические концепции качества изображения и звука и соответственно теория параметрической надежности (качества развернутого во времени) кинематографических и кинотелевизионных систем. Существующие дифференциальные и интегральные критерии оценки качества изображения и звука не обеспечивают указанного управления, так как не имеют необходимого теоретического обоснования и построены на

интуитивно-умозрительных предпосылках.

Тшсш образом нормирование и повышение уровнл воспроизводимого качества изображении и звука в рассматриваемых системах, их сравнение между собой, прогнозирование технического состояния и определение ресурса киновидеоакпаратури, а также оптимизация различных затрат, как составные элементы управления оказываются не реализуемыми и в основе всей конструкторско-технологичёской, эксплуатационной, метрологической, экономической и др. видах деятельности находится эмпиризм, подкрепленный отдельным исследованиями.

В ближайшей перспективе ставится задача разработки автомати-зиропаншх систем управления всеми процессами фильмопроизводства, а также кинопоказа и, соответственно, телекинопоказа совместно со специальными очувствлошшми техническими устройствами-перцеп-тронами (кваяиметраш), т.е. осуществления автоматизации контрольно-измерительных функций. Последнее требование принципиально не может быть обеспечено без разработки единой теории параметрической надежности кинематографических и кинотелевизионных систем на базе универсального интегродифференциального критерия и алгоритма оценки качества изображения и звука по выходным параметрам.

Целями и задачам; работы являются:

1. Разработка аксиоматики теории субъективной оценки качества изображения и звука в кинематографе и телевидении на основе теоретико-множествешшх и вероятностно-статистических методов и методов психофизики.

2. Разработка универсального интегродифференциального критерия и алгоритма субъективной оценки качества изображения и зпука с учетом методов психофизики и установление закономерностей взаимосвязи между психофизическими и информационно-техническими параметра1, иг.

)

3. Разработка случайных динамических моделей преобразования сигналов в видео и звукоблоках киновидеоаппаратуры, а также критериев и методов оценки их параметрической надежности с анализом типовой кинематографической системы по преобразованию-сигналов изображения и звука в видео и звукоблоках.

4. Разработка теории параметрической надежности кинематографических и кинотелевиэионных систем на основе предложенного универсального интегродафференциального критерия и алгоритма оценки качества изображения и звука.

5. Разработка обобщенной экономической модели параметрической надежности кинематографических систем.

6. Расчетно-экспериментальная проверка разработанных теоретических положений диссертационной работы.

Научная новизна работы заключается в разработке единой множественно-вероятностной аксиоматической основы теории субъективной оценки качества изображения и звука в кинематографе и телевидении, а также особой метрики сенсорных пространств зрительного и слухового анализаторов с использованием математической конструкции гильбертова пространства. Предложен и разработан универсальный интегродифференциалышй критерий субъективной оценки качества изображения и звука в виде многомерного характеристического функционала с детерминированным и случайным компонентами, согласующимися с природой восприятия перцептивных образов сигналов изображения и: звука.

Установлены закономерности взаимосвязи между психофизическими и информационно-техническими параметрами на основе многомерного стохастического дифференциального уравнения и показ;ана принципиальная возмозшость и необходимость моделирования и расчета параметрической надежности кинематографических и кинотелевизионных систем с помощью ЭВМ.

Таким образом предлагается стратегия и алгоритм управления качеством и параметрической надежностью ¡синематографических и кинотелевпзпокннх систем на всех стадиях их жизненного цикла.

Практическая ценность работы представлена в первую очередь в возможности научно-обоснованного анализа-синтеза кинематографических и кинотелевизионных систем с целью нормирования всей совокупности как ИСХОД1ШХ, так и выходных параметров (информационных и субъективных), а также в получении сравнительных характеристик (показателей) различных воспроизводящих информационных систем.

Важным практическим результатом является возможность прогнозирования технического состояния и определения ресурса всех звеньев и систем в целом с оптимизацией затрат на всех этапах их создания ц эксплуатации.

Таким образом в сфере производства обеспечивается соответствующей уровень технологичности, серийнопригодности и конкурентоспособности Осласса) кшовидеоаппаратуры и киновидеотехнологичес-кого оборудования, а в сфере эксплуатации гарантированный уровень качества и надежности их функционирования в зависимости от установленного масса, а такие категории кинотеатра или киновидеозала. В управленческо-организационной сфере созданные (на основе выводов и рекомендаций работы) стандарты и руководящие технические материалы позволят иметь научно-обоснованную методологию отраслевого управления качеством и надежностью кинематографических и кинотелевизионных систем и соответствующей киновпдеоаппаратуры и кдновлдеотехнолсгыческого оборудования.

Основные научные положения, выносимые на защиту представляют собой следующее:

Существующие метрики и интегральные критерии оценки качества изображения к звука аудиовизуальных систем кинематографии и теле-

видения не имеют единой аксиоматической основы, противоречивы по содержанию и форме и не обеспечивают научно-обоснованного управления всем жизненным циклом этих систем и киновидеоаппаратуры (от возникновения идеи, проектирования, производства и до снятия с эксплуатации).

Предлагаемые автором аксиоматика и соответствующая метрика в виде кольца множеств со структурой булевой -алгебры и многомерного гильбертова сенсорного пространства позволили разработать основы теории квалиметрии и универсальный интегродифферен-циальный критерий оценки качества изображения и звука, позволяющие формулировать научно-обоснованные требования к параметрам рассматриваемых систем и составных частей на всех этапах их жизненного цикла. При этом автором вводится и обосновывается новое понятие "интегродифференциальный критерий" качества изображения и звука как более точно и тонко отражающий двойственную природу восприятия сигналов изображения и звука при кино- и телекинопо-казе.

Установленные автором аналитические стохастические зависимости (закон) между психофизическими параметрами качества изображения и звука и информационно-техническими параметрами кинематографических систем п киновидеоаппаратуры позволили разработать теорию параметрической надежности этих систем и осуществлять прогнозирование их технического состояния по исходным (первичным) и выходным параметрам, а также предпосылки для создания специальных очувствленных технических устройств - перцептролов (кваливет-ров).

Результат проведенного автором моделирования и экспериментальной провергл предложенного интегродифференциального критерия и алгоритмов по определению параметрической надежности типовых кинематографических систем показали их высокую эффективность и достоверность.

Апробация и реализация результатов работы:

Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались: II Всесоюзная конференция "Любительская киноаппаратура" (1983, г.Ленинград, ГОИ); I Всесоюзная научно-техническая конференция "Совершенствование технической базы, организация и планирование телевидения и радиовещания" (1984, г.Москва, ВНИИТР); ЛИ Всесоюзная научно-техническая конференция "Техника фильмопроизводства" (1985, г.Москва, НИКФИ); IX Всесоюзная научно-техническая конференция "Техника и технология киноизображения" (1987, г.Москва, НИКФИ); Ш Всесоюзная научно-техническая конференция "Состояние и пути повышения надежности видеоаппаратуры" Ц9Ь9, г.Ленинград, ВНИИ "Электронстандарт"); П Всесоюзная конференция "Оптическое изображение и оптические среды" (1990, г. Ленинград, ГОИ); П Симпозиум "Квалиметрия человека и образования" (1993, г.Москва, Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов Комитета по высшей школе); У1 Симпозиум "Динамические измерения" (1993, г.С.Петербург, НТО приборострои-. телей им. С.И.Вавилова, Всероссийская Академия наук, Всероссийский НИИ им. Менделеева); научно-технические конференции института киноинженеров и киноорганизаций г.Ленинграда (С.Петербурга) 1968, 1974, 1975, 1976, 1981, 1990, 1992 г.г.

Научные и практические результаты исследований использовались более чем в 10 научно-исследовательских и опытно-конструкторских хоздоговорных работах, выполненных при участии, а также иод научным руководством автора: "Повышение эксплуатационных ха- . рактеристик и конструктивных параметров кинопроекционной аппаратуры" (1986-1987 г.г.); "Разработка технологических финишных методов и средств повышения точности и параметрической надежности киноаппаратуры (1989-1990 г.г.); "Разработка методов оценки и

контроля выходных параметров гелекинодатчиков в условиях серийного производства" (1989-1990 г.г.).

В процессе выполнения одной из НИР была разработана и зарегистрирована оригинальная технологическая оснастка для финишной обработки прецизионных деталей в приборостроении: "Акустическая головка для упрочняюце-отделочной обработки" (НИИ П1Э, Москва, 1987); "Вибрационная головка для обработки внешних и внутренних поверхностей" (ЫТЦ НТШ, Ленинград, 1987).

Предложенные интегральные и дифференциальные критерии оценки качества изображения и звука видео и аудиосистем и аппаратуры, а также соответствующие алгоритмы и методики используются для обоснования технических требований при проектировании и производстве аудио и видеотехники в Оптико-механическом объединении (С.Петербург) .

Результаты исследований положены в основу двух новых специальных дисциплин: "Надежность и ремонт киновидеоапларатуры" и "Специальные вопросы технологии и надежности киновидеоаппаратуры", читаемых автором в Санкт-Петербургском институте кино и телевидения.

Публикации и структура работы

Основные научные результаты исследований опубликованы в научных государственных изданиях. По рассматриваемым в научном докладе вопросам опубликовано 50 научных работ, из которых 29 в центральных издательствах.

Научный доклад содержит 2 раздела, каждый из которых состоит из 4 параграфов, а также общее заключение. Предельно сокращенный список цитируемой в докладе литературы содержит лишь необходимые для целостного понимания материала, ключевые работы. Приводится список дополнительной литературы по теме доклада, а также список работ автора.

ОБОБЩЕННОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

I. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЗВУКА В АУДИО И ВВДЕО СИСТЕМАХ

1.1. Состояние проблемы точности воспроизведения изображения и звука

В настоящее время отсутствуют теоретические концепции качества изображения и звука и соответственно теория параметрической надежности (качества развернутого во времени) аудиовизуальных систем. Существующие дифференциальные и интегральные критерии оценки качества изображения и звука не обеспечивают указанного управления, так как не имеют необходимого теоретического обоснования и построены на интуитивно-умозрительных предпосылках [1].

Приведем основные известные интегральные критерии оценки субъективного качества изображения и звука, используемые в телевидении, кинематографии и радиовещании.

Для оценки качества изображения предложены две группы критериев: мультипликативные и аддитивные £п,12]

Обобщенная относительная оценка качества

а = к т. п я I к = 1>2'3 (1л)

С,У,Г ¿«<

где - совокупности параметров, характеризующих цветность и объемность; Т - совокупность параметров, общих для черно-белого и цветного изображений; - нормированная сенсорная функция 6 -го параметра; К - коэффициент нормирования;

П - число параметров.

Результирующая относительная оценка качества при воздействии искажений по П параметрам

и

Рг = 0,нъ +0,887 П Р"(. , (1.2)

1-4

где Рь - относительная оценка качества по I -му параметру. Кумулятивная функция вероятности

(1 (1.3)

где V/( "П. Т^ ) - кумулятивная функция вероятности того, что оценка качества по £. -му параметру не ниже "Тх .

Арифметическая сумма импов (результирующее ухудшение)

где - частное ухудшение по I -му параметру. Квадратичное суммирование импов

, ч 2. У/я

• 1^(5,1;.) .

Рекуррентное суммирование

где X макс, X мин - максимальное и минимальное значения показателя степени закона сложения ^ С - параметр, характеризующий скорость изменения"^ с увеличением X•

Для обобщенной оценки качества звучания находит применение линейная многомерная модель вида

а -1 ^ ^ а.7)

где Рй - основные статистически независимые субъективные ощущения (признаки качества), оцениваемые с помощью специальных психологических шкал; 13^ - весовые множители, определяющие значи-

мосгь каждого ощущения при формировании общей оценки.

При этом следует отметить, что каждому виду звучания (монофоническому, стереофоническому, псевдостереофоническому, квазистереофоническому и т.д.) присуще своя совокупность признаков (ощущений).

Анализ методологии обоснования рассмотренных критериев и формирования их соответствующих математических выражений (1.1) -(1.7) показывает, что в качестве исходных посылок во всех случаях использовались либо аппроксимации эмпирических зависимостей, либо разные интуитивно-умозрительные представления. Поэтому в отсутствие единой аксиоматической основны предложенные критерии: I) имеют разнородные и противоречивые содержание и форму; 2) не учитывают стохастичность восприятия и оценки качества изображения и звука (за исключением критерия (1.3); 5) не отражают весовой вклад отдельных (частных) параметров в общую (интегральную) оценку (за исключением критерия (1.7); 4) не раскрывают возможные корреляционные связи мевду отдельными (частными) параметрами.

1.2. Разработка аксиоматики теории точности воспроизведения изображения и звука

Приведем возможный аксиоматический подход, позволявдий на его основе сформулировать новый, более совершенный интегродиффе-ренциальный критерий, в котором, на наш взгляд, в первом приближении разрешаются и устраняются противоречия и недостатки критериев (1.1-1.7).

Б общем виде интегральное субъективное качество изображения или звука формализуется уравнением связи

где 0, - функционал, характеризующий общий уровень качества

Л« Л< л*

изображения или звука; - уровни частных психо-

физических параметров (признаков) качества изображения или звука.

Как математические объекты континуумы значения (уровней)

г* Ы

психофизических параметров с^,^.... могут корректно рассматриваться в виде соответствующих, в общем случае нечетких, подмно-

Г-* Л/

жеств ( О < 0 (Е ) некоторого, универсального множества $ ( С1 (Ф) = Ъ ). Полная совокупность Р таких подмножеств представляет собой кольцо множеств с единицей (Е) со структурой Со -алгебры сепарабельного типа, в котором множество ф замкнуто относительно операций образования дополнений, конечных объединений и конечных пересечений .

Как известно, для(г> -алгебры характерно соотношение

где £ - максимальное подмножество системы (кольца) подмножеств

^ ^ г«/

или ее единица ( £ = I); ^ - дополнение подмножеств ф.

У 0,1.) - объединение подмножеств П Фи ~ пере-

\Л ' л/

И '

сечение подмножеств

и •

Физически П СЬ; представляет собой множество значений (уров-л *

ней) интегрального качества изображения или звука, а и (Ё 4 Ъд

п

является сопряженным множеством значений отклонений интегрального качества от уровня эталонного ( Е = I). С учетом стохастического характера откликов зрительного или слухового анализаторов значения как частных отклонений психофизических параметров, так и отклонения обобщенного (интегрального) качества изображения и звука от эталонных представляют собой случайные величины. Таким образом случайные величины А^ являются измеримыми относи-

тельно Г ( (¿> -алгебры) функциями ^ ), определенными

всех точек (л) из множества (субъективного пространства). Для теории и методов оценки качества изображения и звука целесообразно постулировать предположение о наличии стохастического оператора связи между множеством субъективных отображений Я и множеством 5 внешних сигналов. Указанный оператор при этом является в определенном смысле статистическим усреднением допустимых для данного множества сигналов 5 реакций Я . Следовательно, каждое ощущение сигнала может рассматриваться как множество случайных точек, в частности с нормальным распределением, в введенном нами гильбертовом пространстве. Отметим, что здесь предполагается способность человека - зрителя давать численную оценку степени различия между ощущениями, вызванными разными по величине внешними сигналами (их параметрами).

Современные психофизические исследования [8, подтвердили способность человека оперировать как полными описаниями сигналов, так и их описаниями по отдельным признакам. При этом процесс зрительного или слухового восприятия условно может быть разделен (в зависимости от поставленных целей и задач) на два функциональных взаимосвязанных процесса: I) анализа всей совокупности ощущений, при просмотре или прослушивании заданной информации, и ввделение наиболее существенных из них, характерных для данного способа передачи изображения или звука; 2) синтеза выделенных ощущений в единый зрительный или слуховой образ и формирование суждений экспертов на исходное световое или звуковое • воздействие.

Существование процесса анализа (дифференциации) ощущений подтверждается способностью эксперта выделять из множества свойств предъявляемого изображения или звучания тот или иной

интересующий его признак, например, контраст, резкость, четкость и др. при оценке качества изображения или прозрачность, объемность, чистота и др. при оценке качества звучания. Именно на этапе.анализа выделяются основные, наиболее существенные ощущения из всей их совокупности. Существование процесса синтеза также подтверждается наличием интегральных оценок качества изображения [10^ и звучания . Следует отметить, что

квалифицированные эксперты одинаково уверенно обеспечивают как дифференцированные, так и интегральные числовые оценки, а неквалифицированные - интегральные по шкале категорий.

Каждому виду изображения (фотографическому, кинематографическому, телевизионному и т.д.), а также звучания (монофоническому, стереофоническому и др.) присущ свой набор признаков (ощущений). Отклонения параметров технических средств и аппаратуры, используемых для реализации того или иного вида изображения или звучания, приводят очевидно к изменению величин ощущений, количественных связей между тми, что и отражается на общей (интегральной) оценке качества воспроизведения изображения или звука. Отклонения указанных параметров аудиовизуальных и других воспроизводящих систем в процессе их эксплуатации имеют необратимую тенденцию к увеличению (при отсутствии ремонта) и, следовательно, к ухудшению субъективных оценок экспертов.

1.3. Разработка нового универсального ингегродифферен-цлального критерия точности воспроизведения изображения и звука

При введении субъективной вероятностной меры [_ ОД как функции множества (аксиоматика Колмогорова) или нечеткой меры ^0,1*^ как функции принадлежности (аксиоматика Заде) выражение

(1.8) преобразуется к виду

* Л. ГУ И г*

Q = i - £1 + £ £ ¿iLAq,K -t-

+ НГ£ - ^ (1.9)

¡.'•Г '

п с учетом различной чувствительности зрительного или слухового анализатора к отдельным (частным) психофизическим параметрам

а - {- ± щ + £ ¿( ^а +

где - характеристический случайный коэффициент параметра (при неслучайных величинах Выражение (1.9) представляет собой (с достаточным приближением) разложение по многомерным моментам характеристической функции

^ <•'-< r-i K--i

(I.10)

где Sc. - многомерные кумулянты ( 3i. - математическое ожидание величины ^^ » ~ двумерный центральный момент величин (р^. ^ и т.д.).

После ряда известных преобразований ] действительная часть выражения (1.10), формализущая усредненную интегральную • оценку качества изображения или звука в случае нормального закона распределения величин будет иметь вид

(I.IO'J

к - < -i

где mi - математическое ожидание величины ;

<¿>i - среднее квадратическое величины ;

- элемент корреляционной матрицы.

Как следует из выражения (I.io'), первый сомножитель представляет собой квазидетерминированную составляющую интегродифферен-циальной оценки качества изображения или звука, а второй сомножитель - случайную составляющую. Последняя обусловливает квазитождественный обмен между психифизическими параметрами (в отличие от первой, допускающей только квазиэквивалентный обмен) и характеризует чувствительность зрительного или слухового анализаторов.

Мнимая часть выражения (1.10), формализующая усредненную интегральную оценку отклонения от эталонного качества изображения или звука будет иметь вид, аналогичный выражению Ц.Ю), но при замене функции Gos на Sin .

Отметим; что в силу двойственности выражения (1.8) действительная часть выражения (1.10) может также формализовать отклонение интегрального качества от эталонного, а мнимая часть - уровень интегрального качества от нулевого отсчета.

Как показано в разделе I существующие субъективные интегральные критерии оценки качества изображения и звука построены на интуитивно-умозрительных конструкциях и не имеют строгой аксиоматической основы. Поэтому экспериментальные данные, полученные разными авторами для указанных критериев, имеют большие расхождения, а в ряде случаев (при условии признания корректности проведения экспериментов и получения статистических данных) не всегда точно интерпретируются. Например, в работе ^12^ на основании анализа большого статистического материала по оценке качества цветного телевизионного изображения для шести основных параметров (искажений) сформулирован вывод: "ни один из известных интеграль-

ных критериев не является точным во всем диапазоне оценок". В работе отмечается, что "для обобщенной оценки качества

звучания в психофизике используется обычно линейная многомерная

п

модель вида Q - 2 П! , где Fi - осноз

iTl

ные статистически независимые субъективные ощущения (признаки качества), оцениваемые с помощью специальных психологических шкал, чаще всего в баллах; T>t - весовые множители, определяющие значимость каждого ощущения (признака качества) при формировании общей оценки (суждения)". При этом весовые множители представляют собой усредненные по всем отрывкам музыкальных программ частости употребления групп терминов, по выделенному фактору. Такая трактовка весовых множителей представляется нам не соот ветствуюцей их сути как характеристических коэффициентов.

Резюмируя, следует еще раз отметить отсутствие законченной теории и единой методологии по такой важнейшей научной проблеме как субъективная интегродифференциальная оценка качества изображения и звука в Еидео и аудио системах и смежных областях передачи зрительной и слуховой информации.

Предложенные в данной работе критерии, модели и алгоритмы интегродпфференциальной оценки качества изображения и звука, воспринимаемого человеком, потребуют в дальнейшем специальной всестс ронней и полной экспериментальной проверки с учетом различных фав торов. В теоретическом плане, по мнению автора, указанные критерии, модели и алгоритмы можно считать достаточно логико-матема-тически обоснованными и имевдими непротиворечивую аксиоматику.. В качестве расчегно-экспериментальной проверки интегрального критерия (1.10) и подтверждения его эффективности воспользуемся самым значительным статистическим материалом опубликованным в работе по субъективной оценке качества цветных телевизион-

ных изображений на основе анализа шести психофизических параметров: положительный эхо-сигнал (ЭХО); установочное расхождение во времени сигналов яркости и цветности (РВ); тянущиеся продол-жешад (ТП); дифференциальная фаза (ДФ); флуктуационная помеха (ФП); сетевая фоновая помеха (ФОН). Как уже отмечалось, 1ш один из известных интегральных критериев не обеспечил необходимую точность оценок этих экспериментальных данных.

Таблица Ы

Г? Дифференциальные оценки (экспериментальные) Интегральные п/п _оценки

<и 9з 9 5 Ц/ 6 0 эксп. 0 расч.

I 0,95 0,95 0,95 0,95 0,93 0,94 0,94 0,94

2 0,91 0,92 0,90 0,90 0,87 0,92 0,82 0,83

3 0,91 ' 0,89 0,83 0,90 0,87 0,89 0,75 0,76

4 0,81 0,92 0,90 0,69 0,81 0,92 0,62 0,58

5 0,81 0,89 0,83 0,69 0,81 0,89 0,56 0,50

6 0,81 0,89 0,83 0,69 0,81 0,75 0,51 0,44

7 0,81 0,89 0,75 0,69 0,69 0,89 0,32 0,26

В табл. 1.1 представлены исходные и итоговые экспериментальные [12] и расчетные по предлагаемому критерию (1.10) числовые значения субъективной оценки качества цветного телевизионного изображения по шкале отношений для шести частных параметров (перевод 5 бальной шкалы в шкалу отношений проводился через шкалу категорий по методике . Результаты расчетов показы-

вают на относительно высокое соответствие экспериментальных и расчетных (по новому критерию) значений оценок качества изображения, особенно в области высоких оценок.

Аналогичные результаты получены при расчетах субъективной интегральной оценки качества кинематографического изображения по экспериментальным данным для двух частных параметров - зернистости и четкости [ю] .

Б табл. 1.2 представлены исходные и итоговые экспериментальные [13] и расчетные по предлагаемому критерию (1.10) числовые значения субъективной оценки качества кинематографического изображения по шкале отношений.

Таблица 1.2

!!' Дифференциальные оценки Интегральные оценки

п/п -—-—-

Ц (эксп.) (эксп.) Ц (эксп.) О (расч.)

I 0,95 0,94 0,96 0,92

2 0,86 0,87 0,84 0,85

3 0,78 0,82 0,75 0,77

4 0,68 0,94 0,89 0,80

5 0,69 0,87 0,79 0,74

6 0,66 0,82 0,62 0,69

7 0,64 0,72 0,52 0,60

Для расчета интегродафференциальной оценки качества звучания по четырем психофизическим свойствам - звонкости ), объемности ( ^ 2)' ,лягкос™ ) 11 четкости ) по предлагаемому критерию использовалось уравнение

0 = 0,52 ^ 0,40 + 0,17 - 0,34 Цц - 0,05, где - общее звуковое впечатление (ощущение) по шкале отно-

шении.

В табл. 1.3 представлены исходные и итоговые экспериментальные и расчетные по предлагаемому критерию (1.10) числовые значения субъективной оценки качества звучания радиоэлектронной аппаратуры.

Таблица 1.3

№ Дифференциальные оценки (эксп.) Интегральные оценки

Ч>1 Ц2 <^4 0 (эксп.) ы (расч.)

I 0,66 0,64 0,52 0,43 0,49 0,48

2 0,66 0,47 0,52 0,33 0,50 0,53

3 0,28 0,71 0,45 0,14 0,37 0,44

4 0,70 0,38 0,35 0,37 0,47 0,43

5 0,59 0,60 0,51 0,29 0,60 0,50

6 0,35 0,03 0,50 0,30 0,18 0,33

7 0,39 0,01 0,53 0,40 0,16 0,29

Результаты расчетов по табл. 1.3 наглядно свидетельствуют о достаточно точном соответствии экспериментальных и расчетных данных по определению интегрального качества звучания (для исследованных четырех психофизических параметров) и о пригодности и корректности нового универсального критерия для интегродифферен-циальных оценок как качества изображения, так и качества звучания в кинематографе.

1.4. Выявление закономерностей взаимосвязи психометрических и фпзикотехническнх параметров

Статистическая природа ощущений на соответствующие стимуль-нне воздействия в психофизике приводит к необходимости разрабатывать стохастические модели взаимосвязи физического и сенсорного пространств. При этом следует иметь в виду, что статистические свойства одинаково присущи как сенсорному, так и физическому пространствам, то есть определенные распределения вероягностей случайных величин стимулов (параметров сигналов) отображаются в некоторые распределения вероятностей случайных величин ощущений.

Установление полного статистического соответствия между рассматриваемыми пространствами, особенно в многомерных случаях, представляет собой важнейшую научную проблему. Однако для практических приложений психофизики может бшь достаточным оперирование статистическими характеристиками (моментами) распределений случайных величин. Очевидно, что при варьировании одной статистической характеристики стимула (сигнала) анализируется одномерная стохастическая зависимость случайной величины ощущения от неслучайной величины стимула.

В теоретическом плане при постулировании стохастической одномерной взаимосвязи физического и сенсорного пространств введем в исходное дифференциальное уравнение (I.II) аддитивный белый шум ((модель сенсорного шума отражающей подсистемы), мультипликативный белый шум (модель сенсорного шума решающей подсистемы), а характеристический коэффициент представим в виде случайной величины, вследствие вариабельности чувствительности экспертов и других факторов.

Таким образом принятая автором концепция непрерывности сенсорного пространства и введенного им понятия сенсорной чувствительности в виде с/К приводит к новому обобщенному постулату семейства психофизических законов [х]

¿Я + ,

(1Л1)

где значение эталонного уровня ощущения;

о) и 2$ - винеровские случайные коррелированные процессы отражающей и решающей подсистем сенсорных систем эксперта (с№ = 2 ( 5 )ЙИ с/гЯ = е ( $ ) ¿5 , где ? ( в ) и € ( 5 ) - белые нейронные шумы);

) и М ( 5 ) _ коэффициенты интенсивности нейронных шумов;

И - показатель степени нелинейности отображения сенсорной системы.

Показатель степени характеризует линейные или нелинейные свойства сенсорной системы по физическому стимулу данной модальности. Для линейных стохастических дифференциальных отображений показатель степени /7=1, что соответствует экспоненциальному (основному) психофизическому закону, а для нелинейных ( п < I или П У I) - модифицирующим параболическому или гиперболическому законам.

Коренное и принципиальное отличие предложенного автором нового постулата (1.1I)от рассмотренных известных заключается в том, что в нем сенсорная чувствительность связывается исключительно с уровнями ощущений, а не с уровнями стимулов юс вызывающих, хотя постулат естественно оперирует приращениями (бесконечно малыми) стимулов для формулирования как понятия сенсорная чувствительность, так и логико-математического обоснования вывода семейства психофизических законов.

Более простая одномерная линейная стохастическая модель взаимосвязи физического и сенсорного пространств получается при наличии в дифференциальном уравнении (I.II)постоянного характеристического коэффициента и мультипликативного белого щу-ма:

cIr = [(К- вг/2)ds + Бс/u)] [R- Ro\, (1Л1'}

где dR и duD - стохастические дифференциалы \Дто ;

- параметр, обусловленный особенностями стохастического дифференцирования по Ито.

I

Решениями уравнения (I.II) по математическому ожиданию и дисперсии будут следующие выражения

m*,= Rniexp[(K-B^Xs-s.^; (1.12)

- Кц^Яиг^елр^^-б/^Хь-Ц; ц.12')

DRi « Rn\ exf»[2(K-B*Xs- So)][-1 -e«f> b\s- sjj (I.I3)

Следует отметить, что влияние мультипликативных шумов может проявляться физически в следующих аспектах: в повышении динамичности (уменьшении устойчивости) ощущений; в появлении дополнительной систематической составляющей в ощущениях при линейных дифференциальных отображениях и отсутствии стимула (сигнала); в увеличении дисперсий параметров ощущений и их корреляции при многомерных наблюдениях.

Соответствующие уравнения для нелинейных стохастических диффе-

ренциальных отображений ( У\ф 1 ) будут иметь аналитические зависимости значительно более сложного вида, а в многомерных задачах получение даже приближенных решений представляет известную проблему. Однако указанные трудности имеют.очевидно матема-тико-вычислительнуго, а не психофизическую природу.

В заключение настоящей главы отметим, что как качественные, так и количественные проверки предложенного автором экспоненциального семейства психофизических законов и соответствущих аналитических выражений (детерминированных и стохастических) по опубликованным теоретическим и экспериментальным данным в области психофизики и ее приложений безусловно подтвердили корректность этих законов и лежащих в юс основе постулатов.

Полученная в настоящей работе на основе теоретических представлений экспоненциальная модель зависимости отклонений психофизических и информационно-технических параметров для оценки изображения и звука (частного случая общей модели (1.11) при П = I) нашла широкое применение как аппроксимация экспериментальных данных. Так, особенно часто эта зависимость в детерминированном виде используется для оценки ухудшений качества телевизионных изображений по частным психофизическим параметрам, подробно классифицированным и изученным в работе . Анало-

гично аппроксимируются экспериментальные кривые (сенсорные функции) при оценке кинематографического изображения по резкости и четкости в зависимости от информационных критериев ^16, 171.

Имеются экспериментальные данные |_э] о том, что ощущения акустических сигналов по лингвистическим переменным громкость (1000 Гц) тона, длительность шумовых сигналов, скорость повторения звуковых импульсов и т.п. также могут быть аппроксимированы экспоненциальной зависимостью.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ТОтПГОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ВВДЕО II ЗВУКОЕЛОКОВ АППАРАТУРЫ

2.1. Разработка случайных динамических моделей точности преобразования сигналов в видео и звукоблоках

Канал передачи аудиовизуальной информации в кинематографических и кинотелевизионных системах может быть представлен в общем случае тремя типовыми звеньями записи, тиражирования (копирования, печати), воспроизведения. Каждое звено состоит из ряда линейных и нелинейных элементов, которые могут быть представлены последовательной цепочкой: а) линейные системы с заданными (постоянными) параметрами, б) линейные системы со случайными параметрами и в) нелинейные систем.

В линейной параметрической системе, как известно 20]> структура спектра на выходе не зависит от амплитуды входного сигнала, а только от формы (для нелинейной системы выходной спектр зависит как от формы, так и от амплитуды входного сигнала). Частотный спектр воздействия деформируется в соответствии с частотной характеристикой параметрической системы.

Линейная параметрическая система подчиняется принципу суперпозиции, а при анализе воздействия сложного сигнала на нелинейную систему его нельзя разлагать на более простые; необходимо искать отклик цегш на результирующий сигнал.

Для оценки динамической точности функционирования видео- и звукоблоков необходимо провести корреляционный анализ линейной параметрической системы. Такими системами являются механизмы транспортирования сигналоноситоля видео- и звукоблоков, в которых процессы записи, печати, воспроизведения сопровождаются ошибками перемещения (продольными, поперечными, осевыми колебаниями и т.п.) сигналоноси-теля.

Известно, что в процессе записи, копирования, печати или воспроизведения световой или магнитный поток (для линейной системы)

[ределяется как свертка входного сигнала и импульсной функции [ализируемого процесса (системы) - р ( ). Воздейст-

1е входного сигнала на носитель в сканирующей системе за время -прохождения сигналоносителем сканирующего штриха (окна, щели) бу-зт представлять в среднеквадратическом смысле нормированный сигнал а выходе линейной параметрической системы ( действующая оснещен-ость, магнитный поток и т.п.).

о оо ^ _ оо

'де £ { ) - импульсная функция линейной системы с постоянными (заданными) параметрами, например функция рассеяния линии оптики.

Импульсная функция (как известно, связана преобразованием Ьурье с перед&точной функцией ^ ( ¿и)^ ).•

( 2.2)

_ оо

где о) - круговая частота.

При условии, что случайный входной процесс - и импульсная функция рассматриваемой параметрической системы не коррелированы, корреляционная функция выходного сигнала для координат носителя X4 и (соответственно в моменты 'ti^яt2 ) по общим правилам равна:

2• 3)

После целого ряда преобразований рассмотренных подробно в

в работах [2.0,21] , получаем следующее выражение корре-

ляционной функции сигнала на выходе линейной параметрической системы, которая обусловливает случайную ошибку перемещения £ ( "t ): со г Т julsc

BKfc-rbiWJlM^l FftH^M^.^e d^ ( 2>4)

о

где Fi.t°0 ~ энергетический спектр входного сигнала;

I А (j uj] |закон преобразования энергетического спектра входного сигнала на выходе линейной системы с заданным! параметрами ( - ЧКХ кинопленки; т ФШ объектива и т.п.);

~Tzff ^as (ZjUüjdtfdtT.- 6s(cJ,Tj _ характеристика, усредненная о за время Т, представляет собой характеристику энер-

гетического фильтра для Ft ( а) ) и обусловленна ошибкой перемещения S ( b ).

Если передаточную функцию представить в виде ^20,2l] f

то в результате ряда преобразований получим выражение, позволяющее определить характеристику энергетического фильтра, обусловленного ошибкой перемещения. Используя теорему Парсеваля, получим

оа

е, (и),г) = ßc(uJ, rJ3_L exf(^u)}f фч (yj) ф/wjc/w, (2.5)

-оо

** са

— СО >7г О " •

где (¿^ 6£(iJ " дисперсия и корреляционная функция ошиб!ш перемещения S (i ).

2.2. Установление критериев и методов оценки точности и надежности видео и звукоблоков

Состояние видео- или звукоблока киновидеоаппаратуры, функционирующего в условиях случайных возмущений, можно полностью определить совокупностью П физических параметров lit 2Х , ., -г* , принятых в качестве основных параметров состояния. Эти параметры можно считать компонентами некоторого вектора ? в П -мерном фазовом пространстве состояний.

Исходя из назначения киновидеоаппаратуры и физических принципов ее функционирования (запись, печать, воспроизведение сигналов изображения или звука), разделим фазовое пространство состояний некоторой граничной поверхностью ид (поверхностью предельных состояний) на две области: область Q работоспособных состояний и область отказов.

Тогда параметрическая надежность киновидеоаппаратуры (по видео- или звукоблоку) есть вероятность того, что за время Т ее функционирования параметры состояния не выходят за допустимые пределы:

- Rn< <2»< Rnz j-k i T3

где б - символ, указывающий на принадлежность вектора ? и области S? ;

Rjj, Bj2........^п? ~ допустимые пределы, являющиеся координатами поверхности предельных состояний.

Если известна плотность распределения вектора 2 , т.е. плотность /(г,, ..... , -¿и / Т ) совместного распределения

параметров состояния в любой момент времени "Ь , то параметрическая надежность

d?» . (2.3. )

Пересечение вектором ? в какой-либо момент времени t <Т поверхности предельных состояний означает выход системы из работоспособного состояния, т.е. отказ. Б общем случае параметры состояния 2., , ____,2и являются коррелированными случайными ■

функциями (последовательностями при прерывистом транспортировании ленты), и вычисление интеграла (2.Н ) становится сложной зада-

В общей квазистатической постановке, т.е. без учета изменения параметров состояния во времени, при допущении нормального распределения последних, определение параметрической надежности сводится к вычислению п-кратного интеграла вида (2.8 ) от плотности совместного нормального распределения п-коррелированных случайных величин. В последнее время разработаны методы решения этой задачи, основанные на понижении порядка интеграла, аппроксимации его различными функциями, разложении в ряд по коэффициентам корреляции, а также использовании таблиц многомерных распределений и

Для случая двух параметров состояния ¿, я параметричсс- . кая надежность определяется, например, из выражения:

чей{21].

ДР

■171-

= £ Ф<и $<Ф/<) - Ъ) --ГК ¡^

(2.9 )

где

- соответственно математические ожидания, средние квадратическио отклонения и коэффициент корреляции случайных величин и ;

табличная функция двумерного нормального распределения.

При отсутствии корреляции между параметрами и ?г

В, - г о] ~ Ф(<)

Следует отметить, что при высоком уровне надежности'даже значительная корреляция и оказывает слабое влияние на вероятность Рп, что' может быть основанием корректного использования последнего выражения и в случае большего, чем два, числа параметров.

Для оценки, параметрической надежности киновидеоаппаратуры с учетом изменения во.времени параметров состояния (по математическому ожиданию, дисперсии и другим характеристикам случайного процесса) "еобходимо использовать теорию выбросов случайных функций

Определение уровней параметрической надежности видео- и звуко-

блоков может быть проведено и с помощью частотных (передаточных) функций.

В общем случае изменение детерминированных параметров видео-или звукоблоков во времени может быть интегрально описано с помощью оператора:

Фг= (2Л0 )

т.е. уравнением, решенным относительно выходной координаты $г , функционально зависящей от входной координаты , времени и параметров элементов XI видео- или звукоблока, причем I - ( и ). Для линеаризованных технических объектов понятие оператора отождествляется с понятием частотной (передаточной) функции.

)

где !-. (4ч) и и (ф<) - изображения по Лапласу выходной координаты и входного воздействия;

МСН "ЧМ*^

и (здесь - коэффициенты полиномов знаменателя и

числителя, выраженные через промежуточные параметры системы (п > т )t являющиеся функциями параметров , {£,......ССИ элементов).

При проектировании видео- или звукоблоков коэффициенты di , $>L выбираются так, чтобы частотная (передаточная) функция была в определенном смысле оптимальной. В процессе эксплуатации параметр!

Х< , , .... и соответственно коэффициенты сц и &С меняются, что приводит к отличию действительной частотной (передаточной) функции U/ ( ) от расчетной (идеальной) на величи-

ну aW( j oJ ), т.о.

Wf(/u)) = Wp (ju)J ± л NA/(JU>) . (2.H )

Если aW (ju) ) - находится в допустимых пределах, то видео-шга звукоблок признается работоспособным, в противном случае, определяется вероятность того, что возникшее в течение времени ~t приращение 6W {J Ф) для заданных особых точек частотной функции будет находиться в допустимых пределах.

Изменение во времени случайных (флуктуирующих) параметров может быть описано (также как и для детерминированных параметров) с помощью передаточных (частотных) функций, роль которых выполняют рассмотренные 6 Г 20 ] характеристические функции.

2.3. Повышение точности и надежности видео

и звукоблоков регуляризацией микрогеометрии рабочих поверхностей деталей

Параметрическая надежность деталей и механизмов киновидеоаппаратуры определяется не только физико-механическими свойствами применяемых конструкционных материалов, но и технологическими методами обработки при их изготовлении. При различных видах обработки свойства поверхностного слоя могут существенно отличаться от свойств исходного конструкционного материала. Это связано с тем, что обработка оказывает воздействие на поверхностный слой.

Основными требованиями обеспечения параметрической надежности деталей и механизмов киновадеоаппаратуры является не только получение заданных параметров в процессе изготовления деталей, но и обеспечение га износостойкости в процессе эксплуатации изделий. Применяемые в настоящее время традиционные методы снижения шероховатости (чистовое резание, шлифование, отделочные обработки) и упрочнение поверхности (термические, пластическим деформированием) не могут в полной мере удовлетворить получение требуемых свойств поверхностного слоя[18].

Для повышения износостойкости деталей киновидеоаппаратуры рационально использовать волновую технологию, связанную с передачей в зону обработки волнового (колебательного) процесса. Применение волнового процесса при резании значительно уменьшает наклеп поверхности, что обуславливает сохранение высокого уровня и однородности магнитных свойств при обработке соответствующих деталей. В то же время использование волнового процесса при формировании поверхностей, работающих в условиях трения, обеспечивает не только получение минимальной шероховатости, но и значительное их упрочнение. Такая обработка, получившая название уп-

рочняюще-отделочной, повышает износостойкость поверхностей в 1,5-2 раза [24] .

С! участием автора на кафедре технологии киноаппаратострое-ния Санкт-Петербургского института кино и телевидения разработаны специальные устройства для реализации волновой (вибро-ультра-звуковои) технологии, защищенные авторскими свидетельствами [25,2б].

Для упрочняюще-отделочной обработки поверхностей создана специальная ультразвуковая головка, которая может использоваться в качестве приставки на стандартных металлорежущих станках ^24] .

Проведенные исследования по ультразвуковой упрочняюще-отделочной обработке указывают на возможность поверхностной обработки деталей независимо от их твердости и жесткости, что особенно актуально для деталей киновидеоаппаратуры [ 27] .

Процесс ультразвуковой упрочняюще-отделочной обработки снижает шероховатость поверхности в 1,5-2 раза, повышает твердость поверхностного слоя на 30-50$, обуславливает возникновение сжимающих внутренних напряжений в поверхностном слое. Производительность процесса упрочнения достаточно высокая.

2.4. Разработка методики экономического обоснования надежности киновидеоаппаратуры

Целью производства аппаратов данного конкретного вида является удовлетворение потребности в них в количестве /1/Тр в сфере эксплуатации. Эта потребность стратегически может быть обеспечена как за счет увеличения расхода средств на обеспечение более высокого уровня надежности аппаратов, так и за счет расширения программы их изготовления.

При заданном уровне надежности Рмз аппаратов (с временем Т) связь между затратами и этим уровнем имеет вид [22] •

рм3 = Р1 р2 рз ? (2-13 >

где Pj = I — (I — Pjq) exp f - (cj - CjQ)| - составляющая надежности, учитывающая влияние отказов аппаратов в процессе эксплуатации и их резервирование;

Р2= I - (I -Р20) ехр [ - о(* " с2Ср] ~ составляющая надежности, учитывающая уровень технологии и контроля аппаратов при их изготовлении и сборке;

РЬ = I - ( 1- рЗо) охр Ч5(//отр.- л4р.01|_ составляющая надежности, учитывающая уровень отработанности аппаратов; р10» р20* р30 "" началь1Ше (минимальные) уровни составляющих Рр ?2> Р,з , соответствующие минимальным реализуемым затратам С10, С20' отр СР0ДСТВ с2 и изделий /А/0Тр .затраченных на экспе-

риментальную отработку аппаратов, I . 2* ^ 3 ~ коэффициенты, определяющие рост составляющих показателя Рмз при увеличении затрат.

Так как при изготовлении /У аппаратов их число А/у, успешно выполнивших свою задачу, случайно, то речь может идти об обеспечении практической гарантии только с некоторым уровнем

/ = &е/э{л/у ? )

где//тр. - требующееся в эксплуатации число аппаратов. Для заданных У и Л/тр с учетом известного Р[лз можно однозначно определить число А/г изготавливаемых аппаратов - У, Рм* | , гаранти-

рующих успешную реализацию задач, связанных с их эксплуатацией.

Суммарные затраты С-£_ на изготовление всей партии аппаратов могут быть определены на основе зависимости

С£в(С< + С + Ыг) . (2.15)

Смысл рациональности (оптимальности) принимаемого решения при задании необходимого уровня надежности аппарата и выделении ассигнований на обеспечение надежности заключается в минимизации суммарных затрат на разработку и изготовление необходимого количества аппаратов, гарантирующего суммарную работоспособность Л^г Л/гР аппаратов при эксплуатации.

Для формализации изложенной выше постановки задачи используем так называемое пространство элементарных событий (множество исходов 291 ), каждое из которых состоит в том, что в результате при- . менения /V аппаратов произошло ровно Л/у = I успехов.

С точки зрения достижения поставленной цели полное множество исходов V, состоящее из Ы + I элементарных событий, можно разделить на два подмножества Уц и У2 такие>

V ( £ = О, ... А/] ( 2Л £ V; ) > ( 6 5 Л'т/О ;

V 0, у,.Ус в УгУ=>

Вероятность событий ~ <■} при известной вероят-

ности безотказной работы аппаратов определяется по формуле

(2.1б)

где - объединение всех элементарных событий (исходов ).■

Формула (2.16 ) задает вероятностную меру на пространстве V . Так как подмножество У1 является объединением при Л/гя , то его вероятность определяется как сумма вероятностей этих элементарных событий:

(2.1?)

Данная вероятность и дает уровень практической гарантии успешного выполнения поставленной задачи, а именно для обеспечения заданного уровня гарантии У при известных Рмз и Лгр можно, увеличивая V , заново определять пространство V до тех пор, пока не будет выполнено условие Рм > ^ . При этом величина и будет равна искомому Таким образом, наличие функционального соответствия у>;Р_»// позволяет из множества Рмз (пространства решений) выбрать Ропт, обеспечивающее минимум суммарных затрат, в соответствии с выражением (2.15 ). При этом следует иметь в виду, что надежность Рыз может быть обеспечена различными сочетаниями составляющих Рр Р2, Рд. В каждом частном случае может быть поставлена и решена задача вспомогательной оптимизации, например, найти вектор Рр Р2, обеспечивающий Р' = Р1Р2 при минимуме стоимости С = С^- + С2. Для уровня Р3 затраты на отработку аппарата носят разовый характер и не повышают существенно стоимость каждого аппарата. В этом и подобных

случаях полезной оказывается процедура непосредственного поиска оптимального значения векторов Гр Р2 и Р3, использующая наличие одапзна«чых соответствий

Анализ приведенных зависимостей позволяет оптимизировать области значений массовости аппаратов по стоимостному критерию и создать основу для обеспечения гарантий успешного выполнения эксплуатационных задач.

Для аппаратов массового производства (применение А/Гр >10^ ) дополнительные затраты на обеспечение гарантированного результата путем увеличения программы их изготовления составляют единицы процентов суммарной стоимости программы и менее 10% от расходов на обеспечение заданного уровня надежности механизмов.

Для аппаратов серийного производства (применение затраты по гарантированному результату составляют до 10% от суммарных расходов и порядка 20% от расходов по обеспечению надежности.

Для аппаратов мелкосерийного производства (применение //

о

Ю ) затраты по гарантированному результату составляют уже до 255? от суммарных расходов и до 50% от стоимости обеспечения надежности.

Наконец, для уникальных аппаратов

- единицы) затраты

по гарантированному результату путем увеличения программы их изготовления могут в несколько раз превышать первоначальную планируемую стоимость программы, что »кономически не оправдано.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что для профессиональной киновидеоаппаратуры, не имеющей массового применения, стратегически более оправданным является путь на повышение уровня ее надежности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Необходимая непротиворечивость, замкнутость и полнота

в квалиметрйи аудиовизуальных систем может быть достигнута только в комбинированном использовании информационных и психофизических критериев при решающей роли последних.

2. Некорректность известных постулатов при обосновании психофизических Законов (Вебера, Фехнера, Стивенса и др.) связана с ошибочным введением в их структуру уровня (величины) сти-мульного воздействия.

3. Предложенный и обоснованный автором новый постулат в виде стохастического дифференциального уравнения обусловливает экспоненциальное семейство психофизических законов со статистическими параметрами.

4. Обзор отечественной и зарубежной научно-технической литературы позволяет констатировать отсутствие в настоящее время единой аксиоматики и общих принципов субъективной оценки качества изображения и звука в аудио и видео системах.

Существующие интегральные критерии субъективной оценки качества изображения и звука не имеют необходимого аксиоматического обоснования и единой теоретической концепции, вследствие чего противоречивы и разнородны как по форме, так и по содержанию.

5. В настоящей работе предложен множественно-вероятностный подход для аксиоматического построения теории субъективной оценки качества изображения и звука (в аудио и видео системах) в виде кольца множеств со структурой булевой с^ - алгебры и многомерного гильбертова сенсорного пространства с вероятностной (по Колмогорову) и нечеткой (по Заде) мерой множеств.

6. Предложенный и разработанный автором универсальный кри-

терли интегральной субъективной оценки качества изображения, и звука в Еиде многомерного характеристического функционала позволяет учитывать как детерминированную, так и случайную природу восприятия сенсорно-перцептивных образов сигналов изображения и звука по детерминированным и случайным компонентам критерия, что подтверждается экспериментальными данными.

7. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что связи между психометрическими и физико-техническими параметрами при оценке качества изображения и звука определяются на основе стохастических дифференциальных уравнений.

8. Рассмотренный квалиметрический множественно-вероятностный подход и обоснование нового интегродифференциального критерия для оценки качества изображения и звука применительно к аудиовизуальным системам позволит обеспечивать их параметрический анализ и синтез на всех иерархических уровнях и, следовательно, управление качеством и надежностью аудиовидео аппаратуры на основных этапах их жизненного цикла: проектирования, производства, эксплуатации и ремонта.

9. Предложенный интегродифференциальный критерий подтверждается многочисленными экспериментальными данными разных авторов (или но противоречит им). Однако очевидно, что необходима определенная научно-исследовательская работа по корректному использованию этого критерия в практических приложениях к конкретным аудио и видео системам.

10. Разработанная и апробированная случайная динамическая модель сканирования сигналов изображения и звука в аудио и видео системах обеспечивает научно-обоснованное нормирование требований к конструкторско-технологическок и функциональной точности комплекса механизмов транспортирования носителей аудиовизуальной информа-

НИИ.

11. Расчетно-аналитические оценки параметрической надежности аудио и видео систем на основе разработанной обобщенной экономической модели позволяют оптимизировать область- значений массовости аудио и видео аппаратуры по стоимостному критерию и гарантировать заданные уровни надежности в процессе эксплуатации.

12. Теоретическими и экспериментальными исследованиями показано, что значительным резервом повышения качества и надежности аудио и видео аппаратуры на существующей элементной базе является внедрение методов волновой отделочно-упрочняицей технологии.

13. Спроектированная и апробированная, а также защищенная авторскими свидетельствами технологическая оснастка для реализации волновых методов обработки деталей аудио и видео аппаратуры обеспечивает необходимую точность и производительность.

Список ЦИТИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Коломенский H.H. Новый интегродифференциальный критерий оценки качества изображения и звука кинематографических

и кинотелевизионных систем. - "Техника кино и телевидения", № 5, 1992.

2. Психофизические исследования восприятия и памяти. Под ред. Забродина Ю.М.: Наука, 1981.

3. Леонов Ю.П. Теория статистических решений и психофизика. М.: Наука, 1977.

4. Забродин Ю.М., Лебедев А.Н. Психофизиология и психофизика. М.: Наука, 1977.

5. Скороход A.B. Интегрирование в гильбертовом пространстве. Ы.: Наука, 1975.

6. Евланов Л.Г., Константинов В.М. Системы со случайными параметрами. М.: Наука, 1976.

7. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. ГЛ.: Наука, 1989.

8. Ломов Б.Ф., Беляева A.B., Носуленко В.Н. Вербальное кодирование в познавательных процессах. М.: Наука, 1986.

9. Распознавание слуховых образов. Под ред. Загоруйко Н.Г. М.: Наука, 1970.

10. Ковалчин Ю.А. Стереофония. I'.: Радио и связь, 1989.

11. Антипин М.В. Интегральная оценка качества телевизионного изображения. М-Л.: Наука, 1970.

12. Гофайзен О.В., Епифанов Н.И., Певзнер Б.М. Субъективная оценка качества цветных ТВ изображений. - "Техника кино и телевидения", № 2, 1979.

13. Антипин М.В., Блюмберг М.И., Кузнецова Л.Л. Визуальная оценка киноизображений. - "Техника кино и телевидения", j F 10, 1982.

14. Мазголин В.Б. Исследование связи между формой частотной характеристики бытовой радиоаппаратуры и субъективной оценкой качества звучания. Диссертация, ЛИКИ, 1977.

15. Иевзнер Б.М. Качество цветных телевизионных изображений. М.: Радио и связь, 1988.

IG. Антинин М.В., Блюмберг М.И., Кузнецова А. Л. Визуальная оценка киноизображения по резкости и зернистости. - "Техника кино и телевидения", № 3, 1979.

17. Полосин Л.Л. Качественные показатели цветного изображения. Л.: ЛИКИ, 1984.

18. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. Изд. 2-е.-Л.: Машиностроение, 1982.

19. Гребенников О.Ф. Основы записи и воспроизведения изображения. - М.: Искусство, 1982.

20. Коломенский H.H., Полосин Л.Л. Точность и надежность механизмов киноаппаратуры. - Л.: ЛЖИ, 1985.

21. Коломенский H.H., Есипенко И.Н. Анализ и синтез точности видео и звукоблоков киновидеоаппаратуры. - Л.: Труды института киноинженеров, 1988.

22. Волков Л.И. Управление эксплуатацией летательных аппаратов. - М.: Высшая школа, 1987.

23. Буловский П.И, и др. Проектирование и оптимизация технологических процессов и систем сборки РЭА. - М.: Радио и связь, 1989.

24. Коломенский H.H., Елесин Л.В., Зимовец В.Ф. Прогрессивные технологические методы повышения надежности и долговечности киновидеоаппаратуры. - Л.: Труды ЛИКИ, 1986г.

25. Коломенский H.H., Елесин Л.В., Зимовец В.Ф., Подгорский Л.Б. Акустическая головка для отделочно-упрочняющей обработки. Авторское свидетельство J£ 1468602, 1988 г.

26. Коломенский H.H., Зимовец В.Ф., Сапрунова И.Н. Вибрационная головка для обработки внешних и внутренних поверхностей. Информационный листок, ЦНТИ, Л., 1988.

27. Коломенский H.H., Елесин Л.В., Зимовец В.Ф., Подгорский Л.Б. Исследование технологических финишных методов обработки деталей, киновидеоаппаратуры. -Л.: Труды ЛИКИ, 1990.

СШСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДОКЛАДА

1.Коломенский H.H. Исследование и повышение эксплуатационных показателей мальтийских механизмов кинопроекторов.Автореф. дисс.на соиск.уч.степ.к.т.н. ,J1.,1975г.

2.Коломенский H.H.,Рыбальченко Ü.C. К расчету точности рамочно-кулачковкх грейферных механизмов киноаппаратуры.Журнал "Известия Вузов".Приборостроение,I9oj.

3.Коломенский H.H. ,Перцев С.М. Исследование шумовых характеристик мальтийских механизмов кинопроекторов.Материалы нгучно-тех-нической кокф.ЛПКИ и киноорганизаций Ленинграда ,1У7Ьг.

4.Коломенский h.Н.,Перцев С.М. О плакировании эксперимента по вертикальной неустойчивости кадра при кинопроекции.Труды ЛИКИ, вып.XXX,1У77г.

Ь.Коломенский H.H.,Перцев С.М. Технологические возможности повышения эксгггугтационной надежности мальтийских механизмов кинопроекторов.Труды ЛИКИ,выл.XXX,1977г.

5.Коломенский li.ti. Нормирование параметрической надежности в ки-ноаппаратостроении.Материалы научно-технической конф.ЛИКИ и кинооргенизаций Ленинграда,1981г.

7.Коломенский H.H. Об оценке параметрической надежности киноаппаратуры .Труды ЛИКИ,выпЛ981г.

8.Коломенский H.H. Нормирование точности и параметрической надежности механизмов транспортирования киноленты.Труды ЛИКИ, вып.82г.

У.Коломенский H.H. Оценка точности и параметрической надежности механизмов транспортирования киноленты.йурнал "Техника кино и телевидения", 1У82,1ГП.

10.Коломенский H.H. О диагностике технического состояния механизмов транспортирования киноленты.Труда ЛИКИ,вып.1983г.

11.Коломенский H.H. Методика нормирования точности и параметрической надежности механизмов киноаппаратуры. Материалы II Всесоюзной научно-технической конф."Любительская кинофотоап-пвратура",Л. ,ГШ, 1983г.

12.Коломенский H.H. Параметрическая надежность кинотелевизионных систем.Материалы I Всесоюзной неучно-технической конф. "Совершенствование технической бьзы",М.,ВНИТР,1984г.

13.Коломенский H.H. Функциональные пороги точности и параметрической надежности мехэнизмон киноаппаратуры.Журнал "Техника кино и телевидения",1984г.,№5.

14.Коломенский H.H. Оценке точности и стабильности технологического оборудования в киноаппаратостроении.Труды ЛИКИ,вып.1985г.

15.Коломенский H.H.Моделирование параметрической надежности кинематографической системы.Труды ЛИКИ,вып.1985г.

16.Коломенский H.H. Интегральная оценке параметрической надежности кинематографической системы.Журнал "Техника кино и телевидения" ,1985г. Д4.

1?.Коломенский H.H. О моделировании параметрической надежности кинематографических и кинотелевизионных систем.Тезисы докладов 8 Всесоюзной нэучно-технической-конф. НИКФИ "Техника, фи льмопроизводства",М.,1985г.

18.Елесин Л.В.,Зимовец В.Ф..Коломенский H.H.,Подгорский Л.Б. Прогрессивные технологические методы повышения надежности и долговечности киноаппаратуры.Труды ЛИКИ,вып.ГЭббг.

19.Коломенский H.H. Формализованная оценка качества киноизображений.Тезисы докладов У Всесоюзной начно-технической конф. НИКФИ "Техника фильмопроизводства",М.,1987г.

ЙО.Елесин Л.В.,Зимозец В.Ф..Коломенский H.H..Подгорский I.E. .Перспективы применения вибрационных обработок детглей в киногвларатостроении.Труды ЛИКИ,вып. 1987г.

21.Ылесин Л.В..Есипенко И.11.,Коломенский H.H. Случайная динамическая модель диргностики зпукоблоков кинопроекторов но временной ошибке .Труды ЛШ;, пып.1987г.

22.Есииенко Ii.П.,Коломенский H.H. Анализ и синтез точности видео и зпукоблоков киноаппаратуры.Труды ЛИКИ,вып.1988г.

23.11сипенко H.H. .Коломенский И.11. Сценка динамической фильтрации

сигнгло фоногрг'ммы я ,1".ук')с.чокс x кинокош'роврльных rniffipptot?.

Груды J1I ¡1 ö-i, яы и. II ОС г. 21.Коломенский К.!;. Метод моделирования и нрогнозировения параметрической надежности кинематографических систем.Труды ЛИКИ,

bbm.ivffir.

25.Белоусов A.A..Есипенко 11.11.,Зимовец В.Ф..Коломенский H.H. Перспективы иовы'ения параметрической надежности видеомагнитофонов методами волновой технологии.Тезисы докладов 3 Всесоюзной Hiучно-технической конф. "Состояние и пути повыюения надежности видеомагнитофонов",198^г. ,В111Ш."Электронстандарт".

26.Елесин Л.В..Зимовец В.Ф..Коломенский H.H..Подгорский Л.Б., PoMaiuKo В.А. Акустическая головкэ для упрочняга.;з-отделочной обработки.А.С. И468302,1988г.

27.3нмовец В.Ф..Коломенский H.H..Сапрунове И.Н. Вибрационная гот ловкэ для обработки внешних и внутренних поверхностей.Информационный листок, ЦНТПД., 1988г. 28.Есииенко И.Н.,Коломенский H.H. Случайная динамическая модель осевых колебаний киноленты в видео и звукоблоках киноаппаратуры. п. ОНТП ШКЖ ГШ КТ-А88.

2v'.Eci«)eHK0 Ii.Ii.,Коломенский h.h. íypwn передачи модуляции звуюбяока и спектр воспроизводимого сигне-лл при колебаниях скорости киноленты.Деп.ОНТИ ПИКШ ПГЗ IÍI-,j,88.

30.Елескн .'1.В. .Есииенко 1М1. .Коломенский Ii.11. Вероятностпо-стртистическгя оценка точности транспортировгния кинояенты е звукоблокнх киноспт'р£'туры.,цеп.ШТк ШЭК Л15 1СГ-Д88.

31.Есипенко Ii. 1).,Коломенский 1Í.H. Аппгрг турнг.я и квазисзнсорная оценка положения фонограммы.Деп.ОНТИ ШКЯ! HI7 КГ-^88.

32.Есипенко Ii.11. .Коломенский H.H. Моделирование статистической и случайной динамической фильтрации фошгргммы в ззукоблоке кинопроектора.Дел.СИТИ НИКИ! Ш8 КТ-,,Ш,

33.Есипенко И.11..Коломенский H.H. Энергетический спектр выходного сигнала в видео и звукоблоках киноаппаратуры при осевых колебаниях кино ленты. Деп.ОНТИ НККЭ1 Н20 КТ-Д88.

34.Есипенко И.Н..Коломенский H.H. Динамическая модель относительного смещения и неконтекта лент при печати фонограмм. деп.ОНТИ НИК®: M2I К1~,ч88.

Зб.Есипенко И.¡1..Коломенский H.H. Влияние условий экспонирования на надежность печати фонограмм,Деп.ОНТИ ШКФК М22 КТ-Д88.

ЗЗ.Есипенко И.Н..Коломенский H.H. Рэсчетно-экспериментальнкй метод определения ошибки положения фонограммы из-за колебаний скорости киноленты.Деп.ОНТИ И1К31 FI23 КТ-Д88.

ЗЗ.Есипенко И.Н..Коломенский H.H. Корреляционный анализ точности и параметрической надежности звукоблокр кинокопировального аппарата.Деп.ОНТИ НШШ Н34 КГ-Д88.

38.Есипенко H.H..Коломенский H.H. Корреляционный анализ точности функционирования эвукоблока кинопроектор?.Деп.ОНТИ НИКФИ Fi 3J КГ-ДБ8.

39.Коломенский Ii.Ii. О прогнозировании периметрической надежности кинематографических систем.Материалы научно-технической конф.ЖКИ и киноорганилоций г.Ленинграда,1990.

40.Ескненко H.H. .Коломенский H.Ii. Современная оценка технологической точности видео и звукоблоков киновидеог-пааратуры.Материалы икучно-технической конф.Л11Ш1 и киноорггннзеций г.Ле-ниш pc^;:,ljJÜ.

П.Ьлэсин J1.В..Зииовец В.ч?., Коломенский H.H..Подгорский Л.Б. Псследог-ение технологических финипных методов деталей кино-наг рятуры.Труды Ж1!а,вып.1-Л<0г.

42.Есипенко H.H. ,Коломенский h.li. .^оиенинг H.U. Корреляционный гнулиз CTf билизг.тора скорости движения киноленты кинопроектора. Тр уды Jil »1 a i, р.ьи i. I -j'J 0 г.

43.Коломенский H.H. Методы интегральной субъективной оценки качества кино и телеизобрсжений.Тезисы 2 Всесоюзной научно-технической конф. "Оптическое изображение и среды",ГОИ,JI., Tiijür.

44.Елесин Л.В.,Коломенский H.H..Матусов i.A..Подгорский Л.Б. Виброультразвуковой метод обработки деталей киновидеоаппаратуры.Труда ЛИКИ,вып.1991г.

45.Есипенко И.Н..Коломенский H.H..Нестерова Е.И. Метод оценки технологической точности механизмов транспортирования киноленты при проекции.Труды ЛИКИ,вып.1991 г.

40.Коломенский H.H. Интегродифференциальный критерий оценки качества изобретения к звука в кинематографических и кино-телевизгонных системах.¿¡¡урнел "Техника кино и телевидения", ПЗ,Ь92г.

47.Коломенский Ь.Ь. Сенсорная интегродифференцигльнач оценку ксчест»,- £,удк')вкзуш1ьных спсагм.Ыс.терИглы научных: трудов "Проблемы pf -зьитич техники и технологии кинематографа".Институт кино'и телевидения,С.-11. ,1уу2г.

48.Коломенский Ь.Н..Луговой Г.М.,Ьроворнов С.М. Направления развития кинопроекционной аштаратуры.Журнал "Технике кино и телевидения" ,,

4у.Коломенский II.Ь. Методы и модели экспертной квалиметрии с уди о и видеосистем.Материалы II Симпозиума "Кргликетрич человека", Ы.,1Э„3.

50.Коломенский 11.11. Анемические психофизические измерения в аудио и видеосистемах.Материалы У1 Симпозиума "Анемические иэмерени я", С .-П., 1*) --3.

Ы.Коломенский Н.Н. ,Семякин ¿.В.,Нестерова Е.11. Сенсорная интегральная оценка качестве З'вучанич в электроакустических системах.Мотериглы I Всероссийской научно-технической конференции "Перспективы развития радиоприемной,электроакустической, студийной и зрукоизмерительной техники",С.,ПР1Л, 1-Л53. '

К списку робот аптора ¡личный вклад}: в работах,выполненных в соавторстве личный вклад состоит в следующем: 18,20-23,2о-20,34-35,37,40-12,48 - в эти работы всеми соавторами внесен равноценный вклад; 2,3-5,1С,21-22,25,2^-33,33,38,44-45,Ы -основные идеи и результаты принадлежат автору.

ОБОБЩЕННАЯ СХЕМА КВАЛШЕТРИИ АУДИО И БВДЕО СИСШ

Зяк.бЗСу. Willi "Курс"