автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка методов отображения специальной информации с помощью электронных плазменных панелей

Введение

ГЛАВА ПЕРВАЯ. Производительность и эффективность устройств визуального отображения информации .У

1.1. Исходные определения .У

1.2. Злфективность отдельных полей

1.3. Отображение информации в условиях искажений .ЗЭ

1.4. Нэпология отображений

1.5. Выводы

ГЛАВА ВТОРАЯ. Грамматики и автоматные реализации

2.1. Постановка задачи z.'d. Грамматики непосредственно составляющих

2.3. Линейно-ограниченные автоматы

2.4. Контекстно-свободные грамматики

2.5. Алгеброические языки и знакогенераторы . 113 2.5. Выводы.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Разработка электронных блоков устройства отображения информации . 121 3.1. Общая характеристика устройств отображения информации с плоскими экранами

3.<i. Газоразрядная индикаторная панель ГИП

3.3. Описание структуры устройства вывода информации полями оптимального размера

3.4. Выводы

В принятых ^ XVI съездом КПСС Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до i990 года ставится задача совершенствования систем и средств передачи, обработки и отображения информации, повышения эффективности автоматических и автоматизированных систем управления.

Для отдельных видов работ на железнодорожном транспорте таких, как работа машиниста, участкового и станционного диспетчеров, при маневровой работе, в том числе на сортировочных горках, и ряде других, своевременное получение достоверной информации является определяющим и позволяет существенно повысить пропускную и провозную способность, а также безопастность движения. Любые работы в этой области несомненно актуальны. Традиционный способ обмена-информацией между человеком и автоматической системой сводился к выдаче символьной /буквенно-цифровой/ информации с помощью алфавитно-цифровых печатающих устройств /АЦПУ/ или /в последнее время/ видиодисплеев. Этот способ не потерял своего значения и в настоящее время, однако ряд свойственных ему ограничений вызывает необходимость поиска более эффективных решений.

Указанные ограничения можно подразделить на два основных класса.

1. Аппаратурные. Электромеханические АЦПУ громоздки и работают с недостаточной скоростью. Видиодисплеи с 3JIT также громоздки, недолговечны из-за наличия нагреваемого катода, требуют высоких напряжений питания.

2. Методические. Этот вид ограничений особенно важен. Дело в том, что во многих современных автоматизированных системах человек должен принимать решения за минимальные отрезки времени /иногда доли секунды/. Чтение текста, например, с экрана видиодисплея, во-первых, занимат долгое /иногда недопустимо долгое/ время, во- вторых, отвлекает внимание оператора и, наконец, в-третьих, может служить причиной серьезных ошибок.

Наиболее рациональный путь, позволяющий, хотябы частично, снять второе из указанных ограничений, состоит в использовании всевозможных мнемонических изображений. Сама постановка задачи здесь совершенно очевидна. Ясно, например, что для отыскания пути в лабиринте гораздо проще и эффективнее иметь карту лабиринта с нанесенным на ней маршрутом, а не словесное описание этого маршрута. В то же время, в каждом конкретном случае построение достаточно рациональных мнемосхем может превратиться в самостоятельную достаточно сложную проблему. В последнее время проводимые здесь исследования оформились в самостоятельное направление, получившее название образный анализВ рамках образного анализа ставится и решается достаточно большое количество задач. Однако, в конечном итоге, все они сводятся к задаче построения таких изображений /образов/, которые при прочих равных условиях могли бы распознаваться человеком с наибольшей достоверностью за кратчайшее время.

ТЬлько что сказанное есть ничто иное, как одна из возможных формулировок задачи достижения максимальной пропускной способности канала связи, включающего в себя устройство отображения и зрительные рецепторы человека. Способы построения изображений, в свою очередь, есть разновидность общей методики кодирования информации. Подобные аналогии позволяют подойти к решению общей задачи построения эффективных устройств отображения с теоретико-информационных позиций.

Что касается первой группы рассмотренных выше ограничений, свойственных традиционным способам отображения информации, то здесь имеющиеся трудности в большой степени могут быть разрешены за счет использования появившихся в последне время различных плоских экранов и, в частности, так называемых плазменных панелей. Плазменные панели занимают относительно немного места, экономичны и не требуют высоких /десятки киловольт/ напряжений питания. В настоящее время промышленностью осваивается выпуск трехцветных плазменных панелей, что позволяет использовать для построения изображений, т.е. как уже указывалось, кодирования информации, не только геометрические, но и цветовые характеристики. Плазменные панели позволяют строить составные экраны, что, в свою очередь, дает возможность получить практически любое разрешение и любые размеры экрана.

В то же время плазменные панели и подобные им устройства состоят из отдельных светящихся элементов. Построение каждого изображения осуществляется путем коммутации этих элементов. Таким образом, увеличение разрешения при данных размерах экрана, или, что то же самое, увеличение информативности экрана требует, во-первых, увеличения количества светящихся элементов, а, во-вторых, существенного усложнения схем коммутации, т.е. в конечном итоге удорожания конструкции и снижения ее надежности.

Следовательно, задача рационального конструирования .устройства отображения с плазменными панелями может быть сформулирована в одной из двух редакций: обеспечить максимальную пропускную способность при заданном числе светящихся элементов, либо минимизировать число заняткх светящихся элементов при заданной пропускной способности. 1ккие постановки типичны для информационной теории систем, развиваемой в работах!где в качестве основного критерия эффективности работы системы или подсистемы принимается отношение взаимной энтропии системы и среды к затратам, ценой которых достигается это значение энтропии. Положения и выводы информационной теории систем могут быть развиты на случай задачи проектирования устройств отображения с плазменными панелями, что и является целью диссертации.

Выше отмечалось, что построение образов /мнемосхем/ на экране устройства отображения представляет собой частный случай кодирования информации. С этой точки зрения каждое конкретное изображение /образ/ молено рассматривать как композицию из некоторого набора стандартных фрагментов, составляющих некоторый алфавит. Каждая такая композиция может строиться по определенным правилам, совокупность которых есть ничто иное, как грамматика языка изображений.

Трудности композиции большого вдела светящихся элементов экранов из плазменных панелей могут быть существенно снижены при условии задания неизменного набора стандартных фрагментов /алфавита/. ТЬгда собственно коммутация будет необходима лишь для построения композиций. Именно такой подход используется в традиционных устройствах /знакогенераторах/ при формировании буквенно-цифровых строк. Еще одна из целей диссертации состоит в том, чтобы развить существующие подхода на случай произвольных наборов символов /алфабитов/. Очевидно, наконец, что при прочих равных условиях, выбранный метод построения образов /язык образов/ будет тем эффективнее, чем большей информативностью будут обладать сами символы.

Определение и задание набора стандартных фрагментов /алфавита/ позволяет также использовать стандартные электронные схемы формирования этих фрагментов, аналогичные традиционным знакогенераторам. Стандартизация таких схем особенно важна в современных условиях, когда имеется возможность исполнить их в виде интегральных микросхем.

Таким образом, в диссертации ставится и решается основная задача разработки принципов рационального конструирования устройств оперативного отображения информации с плазменными панелями и подобными им устройствами на основе методологии информационной теории систем.

Зта задача, в свою очередь, разбивается на следующие четыре подзадачи:

1. Разработка стандартного набора фрагментов /алфавита/, удовлетворяющего критериям информациошой теории систем.

2. Разработка правил композиции /грамматики/ языка образов.

3. Синтез стандартного набора электронных схем /знакогенераторов/ для построения фрагментов изображений.

4. Разработка устройства отображения с плазменной панелью на основе применения принципов, развитых в диссертации.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены во Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта при разработке устройств телеуправления энергоснабжением электрифицированных железных дорог. Ожидаемый экономический эффект здесь составляет б тыс. рублей в год на диспетчерский круг. Результаты внедрены также в проектно- конструкторском технологическом бюро по локомотивам при разработке технологии проверки геометрии обрабатываемой детали с экономическим эффектом около 2 тыс. рублей в год и на предприятии п/я Г-4993 в натурном испытательном стенде.

Основные положения результатов диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на общемосковском семинаре по информационной теории вычислительных систем при Московском правлении НТО РЭС им. А.С. Попова /март, 1984г./, на семинаре в институте кибернетики АН ЕССР /сентябрь, 1984 г./, на семинаре в Таганрогском радиотехническом институте /июнь, 1984 г./ и на заседаниях касоедры "Электроника" МИИТ.

3.4. ВЫВОДЫ.

1. Для обеспечения достаточного уровня универсальности устройства отображения информации на основе плазменной панели, между источником информации и собственно узлом отображения должно быть включено буферное ЗУ, емкость которого должна быть равна количеству светящихся элементов панели. Зто определяет всю структуру электронной части устройства отображения.

2. Формат слов, хранящихся в буферном ЗУ, в общем случае может не совпадать с форматом строк и столбцов информационного поля. Уто, в свою очередь, требует преобразования форматов, что представляет собой самостоятельную достаточно сложную задачу. Подобная задача решена в описанном устройстве.

3. Другой самостоятельной задачей является локализация каждого поля в пределах экрана, Зта задача решена в описываемом устройстве введением специального блока преобразования адресов.

4. Методы, использованные при разработке электронной части устройства отображения могут быть легко распространены на случай больших составных экранов из нескольких плазменных панелей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что при определениии информационной пропускной способности устройств отображения с плоскими экранами, необходимо брать за основу не отдельные точки, а составленные из этих точек фрагменты.

2. Показано, что при прочих равных условиях наибольшей информационной эффективностью обладают квадратные поля.

3. Показано, что положение кривой зависимости эффективности от размеров поля не зависит от наличия и эффективности помех.

4. Предложена методика построения наборов Фрагментов, отвечающих критериям информационной теории систем.

5. Показано, что, в общем случае, множество фрагментов изображений можно рассматривать как язык, порождаемый НС-грамматикой .

6. Предложен новый класс грамматик, названных связными грамматиками.

7. Построены две грамматики: индексная и блочная, отно-. сящиеся к классу связных грамматик. Показано, что эти грамматики являются контекстно-свободными.

8. Предложен метод знакогенерации, основанный на использовании полученных в работе КС-грамматик, что, в свою очередь, дало возможность использовать для зиакогенерайии языковые уравнения.

У. Разработано и внедрено устройство отображения на основе плазменной панели ГИП-ЮООО.

1. Автоматизация проектирования сложных логических структур/ Под ред. В.А.Горбатова. М.: Энергия, 1978.

2. Агейкин Д.И. Представление информации на пультах операторов. Приборы и системы управления, 1974, Ш.

3. Адасько В.И., Кашавцев Ю.А., Пац В.Б. Устройства ввода-вывода современных вычислительных машин. М.: Энергия, 1974.

4. Арховский В.Ф. Схемы переключения аналоговых сигналов. -М.: Энергия, 1970.

5. Ахо А., Ульман Дж. Тэория синтаксического анализа, перевода и компиляции. М.: Мир, 1978.

6. Шуэр Ф., Гооз Г. Информатика. -М.: Мир, 1976.

7. Белов В.В., Воробьев Е.М., Шаталов В.Е. Теория графов. -М.: Высшая школа, 1976.

8. Бпркго Г. Математика и психология. М.: Сов. радио,1977.

9. Братчиков И.Л. Синтаксис языков программирования. М.: Физматгиз, 1975.

10. Бурбаки Н. Общая топология. -М.: ^изматгиз, 1958.

11. Ван Трис Г. ТЬория обнаружения, оценок и модуляции. -М.: Сов. радио, 1972.

12. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. Теория распознавания образов. -М.: Наука, 1974.

13. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. М.: Сов. радио,1978.

14. Варакин Л.Е. ТЬория сложных сигналов. М.: Сов. радио, 1970.

15. Венда В.Ф.,Нафтульев А.И., Рубахин В.Ф. Организация труда операторов. М.: 1978.

16. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: Наука, 1969.

17. Галлагер Р. Пэория информации и надежная связь. М.: Сов. радио, 1974.

18. Гинсбург С. Математическая теория контекстно-свободных языков. -М.: Мир, 1970.

19. Гладкий А.В. Формальные грамматики и языки. М.: Наука, 1973.

20. Гладкий А.В., Мельчук И.А. Элементы математической лингвистики. -М.: Наука, 1969.

21. Громова Т.А. Автоматные реализации языков, описывающих двумерные образы.

22. Z2. Громова Т.А., Шилейко А.В. Об информационной эффективности двумерных образов. Информационные процессы и системы, ВИНИТИ, 1984, т.

23. Громова Т.А., Шилейко А.В., Фошко Э.Л. К вопросу построения отображений значений наборов параметров. Депонири-вана в ВИНИШ 1У.01.84 №390-84 Деп.

24. Гросс М., Лантен А. Теория Формальных грамматик. М.: Мир, 1971.

25. Z5. Горелик А.Л. Об одном подходе к выбору пространства признаков, используемого при построении системы распознавания объектов и явлений. Кибернетика, 1972, 1М.

26. Горелик AJ1., Скрипкин В.А. Методы распознавания. М.: Высшая школа, 1977.

27. УЛ. Гуглин И.Н. Телевизионные устройства отображения информации. -М.: Радио и связь, 1981.

28. ДеркачВ.П., Корсунский В.М. Улектролюминисцентные устройства. Киев: Наукова думка, 1968.

29. Джатавски Д. Телевизор с плоской светодиодной панелыоразмером 160 120. Электроника, 1979, №9.

30. Диалоговые устройства отображения информации на электронно- лучевых трубках / Под ред. М.К. Сулима. М.: Статистика, 1977.

31. Диковский А.Н. 0 соотношении между классом всех контекстно-свободных языков и классом детерминированных контекстно- свободных языков. Алгебра и логика, 1969, , W-L.

32. Елисеева И.И., Рукавишников В.О. Группировка, корреляция, распознавание образов. М.: Статистика, 1977.

33. Журавлев Ю.И., Никифоров В.В. Алгоритмы распознавания, основанные на вычислении оценок. Кибернетика, 1971, В?3.

34. Згурский B.C., Лисицин Б.Л. Элементы индикации. М.: Энергия, 1974.

35. Зубарев Ю.Б., Глоризов Г.Л. Передача изображений. М.: Радио и связь, 1982.

36. Йоко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. -М.: Связь, 1980.

37. Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов. -М.: Сов. радио, 1979.

38. Каган Б.М., Каневский М.М. Цифровые вычислительные машины и системы. -М.: Энергия, 1974.

39. J9. Катыс Г.П. Визуальная информация и зрение роботов. М.: Энергия, 1979.

40. Кашников Н. Г., Покрывайло А.Б., Яблонский Ф.М. Газоразрядные индикаторные панели новый класс приборов отображения информации. - Электронная техника, 1976, вып. 8.

41. Келли Дж. Общая топология. М.: Наука, 1968.42. -Ко шо го ров А.Н. Основные понятия теории вероятностей.1. М.: Наука, 1974.

42. Кос тюк В.И., -Ходаков В.Е. Система отображения информации и инженерная психология. Киев: Вища школа, 1977.

43. Куликовский Л.®., Морозов В.К. Основы информационной техники. М.: Высшая школа, 1977.

44. Латхи Б.П. Системы передачи информации. М.: Связь, 1971.

45. Липкин И.Л, Основы статистической радиотехники, теории информации и кодарования. М.: Сов. радио, 1978.

46. Лисицын Б.Л. Элементы индикации. М.: Энергия, 1978.

47. Литвак И.И., Ломов Б.Ф., Соловейчик И.Е. Основы построения аппаратуры отображения в автоматизированных системах. -М.: Сов. радио, 1975.

48. Мазур М. Качественная теория информации. М.: Мир, 1974.

49. Майдельман Й.Н., Ревенко В.Н., Саркисян Б.Г. Отображение информации в автоматизированных системах управления. -М.: Сов. радио, 1972.

50. Мальцев А.И. Алгоритмы и рекурсивные функции. М.: Наука, 1965.

51. Мелихов А.Н. Ориентированные графы и конечные автоматы.-М.: Наука, i97I.

52. Мелихов А.Н., Кодачигов В.И. г1Ьория алгоритмов и Формальных языков. Таганрог: TP Ж, 1983.

53. Меньшиков Г.Г. Методические указания к практическим занятиям по курсу "Высшая математика". Качественный анализ обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка . Ленинград, ЛЭТИ, ±984.

54. Назаров М.В., Кувшинов Б.И., Попов О.В. Теория передачи сигналов. М.: Связь, 1970.

55. Патрик Э. Основы теории распознавания образов. М.:1. Сов. рацио, 1980.

56. Поленов А.Н., Яблонский Ф.М. Исследование характеристик газоразрядной индикаторной панели переменного тока.-Электронная техника, 1976, вып. 5.

57. Подонников Р.И., Коелок В.И., Краскевич В.Е. Матричные метода обработки сигналов. Киев: Техника, 1977.

58. Прангишвили И.В. Микропроцессоры и микро-ЗЕМ. М.: Энергия, 1979.

59. Пугачев В.Н. Комбинаторные методы определения вероятностных характеристик. -М.: Сов. радио, 1973.

60. Распознавание образов. Теория и приложения / Под ред. й. Т. Турбовича. -М.: Наука, 1977.

61. Рози А. Теория информации и связи. -М.: Энергия, 1971.

62. Саямов Э.А. Средства воспроизведения и отображения информации. -М.: Высшая школа, 1982.

63. Свиланс М.П. Преобразование и передача информации. -Рига: Зинатне, 1978.

64. Свиланс М.П. Элементы теории информации. Рига: Зинатне, 1973.

65. Соучек Б. Микропроцессоры и микро-ЭШ. М.: Сов. радио,1979.

66. Средства информационной техники: Справочник / Артамонов Г.Г. и др.: под ред. Г.Г.Артамонова. -М.: Энергия,1980.

67. Стратонович Р.Л. Теория информации. МО КВА: Сов. радио, 1975.

68. ТемниковФ.Е., АФонш-i В.А., Дмитриев В.И. Теоретические основы информационной техники. -М.: Энергия, 1979.

69. Темников Ф.Е., Ивашкин 30.А. 0 представлении массовой информации перед оператором в системах наблюдения и управления. -М.: Энергия, 1977.

70. Флоре с А. Внешние устройства ЭШ. М.: Мир, 1977.

71. Ларкевич А.А. Избранные труды. Т.З. Теория информации. Опознание образов. -М.: Наука, 1972.73. ларкевич А.А. О ценности информации. Проблемы кибернетики, I960, вып. 4.74. .Хвдгбурн Дж., Джулич 11. Микро-ЭВМ и микропроцессоры. М.: Мир, 1979.

72. Омский Н., Миллер Дж. Введение в Формальный анализ естественных языков. М.: Мир, 1965.

73. Цуккерман И.И. Преобразования электронных изображений. -М.: Энергия, 1972.

74. Черри К. Человек и информация / Критика и обзор/. М.: Связь, 1972.

75. Шеннон К. Ра.боты по теории информации и кибернетике. -М.: ИЛ, 1963.

76. Шилейко А.В. Об одном способе оценки производительности и эффективности вычислительных автоматов. Вопросы теории вычислительных систем. Вып. 395, М., 1971.

77. Шилейко А.В. Цифровые модели. М.: Энергия, 1964.

78. Эббинхауз Г.Д., Якобе К. И др. Машины Тьюринга и рекурсивные Функции. -М.: Мир, 1972.

79. Зндрюс Г. Применение вычислительных машин для обработки изображений. М.: Энергия, 1977.

80. Яглом A.M., Яглом И.М. Вероятность, и информация. М.: Наука, 1973.