автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Визуализация оперативной информации в АСУ транспортных объектов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

На правах рукописи

ХАН САНГ ЙОНГ

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ОПЕРАТИВНОЙ ИНФОРМАЦИИ В АСУ ТРАНСПОРТНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность : 05.13.06 Автоматизированные системы управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Попов С.А.

Научный консультант д.т.н., проф. Ли С. К.

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение. Постановка задач исследования 4

I. Анализ и выбор способа формирования динамических объемных изображений 19

1.1. Основные характеристики систем отображения объемных изображений. 19

1.2. Анализ способов формирования объемных изображений. 24

1.3. Выбор способа формирования объемных изображений. 29 Выводы по главе I. 36

II. Синтез необходимых характеристик и основных параметров формируемых объемных изображений 38

2.1. Основные причины формирования неадекватных реальному объекту интегральных объемных изображений. 38

2.2. Формирование интегральных объемных изображений

с необходимой и достаточной глубиной и зоной. 43

2.3. Способ формирования единого мнимого и действительного интегрального изображения. 50 Выводы по главе II. 53

III. Методы передачи и отображения трехмерной информации. 55

3.1. Преобразование информации для ее передачи. 55

3.2. Пространственное уплотнение каналов связи для передачи трехмерной информации. 60

3.3. Отображение трехмерной информации. 63

Выводы по главе III. 69

IV. Принцип построения систем преобразования, передачи и отображения трехмерной информации. 71

4.1. Системы преобразования оптических сигналов. 71

4.2. Структура устройства формирования передаваемых сигналов. 75

4.3. Структура системы преобразования и вычисления для отображения интегральных изображений. 79 Выводы по главе IV. 90

V. Экспериментальные исследования средств восприятия, передачи и отображения трехцветных объемных изображений. 91 5.1 Экспериментальные исследования элементов средств восприятия и отображения трехцветных объемных изображений. 91 5.2. Экспериментальные исследования оптоэлектронной системы передачи трехцветной объемной информации. 96 Выводы по главе V. 110 Заключение 111 Литература 114

з

Введение. Постановка задач исследования

В условиях развития современного постиндустриального общества, проблема его информатизации приобретает не только значение его перспективного важнейшего компонента, но и требует создания новой информационной инфраструктуры современного общества.

Для реализации инструментальных средств такой инфраструктуры требуется интеграция всех достижений в области электроники, связи и вычислительной техники.

В настоящее время во всем мире идет интенсивное перевооружение средств и сетей связи на основе достижений в развитии вычислительной техники, микроэлектроники, технологии изготовления высокопрозрачных материалов для волоконно-оптических систем связи. Наряду с традиционными видами связи (телефонами, телеграфом, радиовещательными и телевизионными программами) появились новые виды связи, такие как факсимильная связь, передача видеотекстов, телетекстов, видео телефонная, конференцсвязь и т.п.

Растущие потребности общества в объемах передаваемой разнородной информации, скорости ее передачи, защиты от несанкционированного доступа, заставляют все больше склоняться к использованию световых потоков в качестве носителей информации и волоконно-оптических каналов связи, как средств их технической реализации. Это позволяет организовать широкополосные каналы передачи информации с большой пропускной способностью. В качестве основной системной концепции выступает архитектура открытых систем, разработанная и принятая Международной организацией по стандартизации (МОС) по предложению Международного координационного комитета телефонии и телеграфии (МККТТ). /7/

Эта концепция предполагает переход ко второму поколению сетей интегрального обслуживания СИО-2 (так называемых BSN-Broadband Services Network) с организацией широкополосных цифровых каналов для передачи телевизионных программ, высокоскоростной передачи файлов, организации телеконференций с возможностью визуализации информационных образов. /49/

Успехи в использовании волоконно-оптических каналов связи поставили серьезную научно-техническую проблему пересмотра и перестройки привычных первичных структур систем формирования и преобразования информационных образов на передающей стороне и систем восстановления полного интегрального изображения на принимающей стороне широкополосных сетей интегрального обслуживания.

Таким образом, назревшая необходимость организационной, структурной и параметрической перестройки по использованию более высокоорганизованных форм информации в виде двухмерных и трехмерных информационных образов, выдвинули на первый план поисковые научно-исследовательские работы по разработке методов и способов по формированию, преобразованию, сжатию, передаче, восстановлению и представлению объемных информационных изображений. Кроме этого, также важными и актуальными стали конструкторско-поисковые работы по разработке принципов построения технических средств реализации систем визуализации информации. Учет требований Международных стандартов и рекомендаций МККТТ позволит существенно повысить эффективность проводимых исследований и разрабатываемых и используемых систем-пользователей и системы в целом, представляющей распределенную информационно-вычислительную среду. /34, 46/

Рассматриваемая научно-исследовательская и конструкторская, проектно-поисковая проблема привлекла внимание многих известных

отечественных и зарубежных ученых и специалистов, в числе которых С.П. Иванов, H.A. Валюс, Ю.Н. Денисюк, П.В. Шмаков, Ю.А. Дудников, Б.К. Рожков, С.К. Ли, И.Н. Компанец, A.A. Васильев, Г.П. Катыс, Г. Липман, Г.Айвс, Я. Суэмацу, А. Маршалл, Р. Кольер, К. Беркхарт, Д. Касасент и др.

Прагматический аспект представляемой научно-технической проблемы характеризуется большим многообразием областей использования и особенно в области информационной поддержки выработки и принятия решений человеком-оператором. Процесс выработки решений основан на внутренней оценке внешнего возмущения (в большинстве случаев информационного образа), обусловленной активностью интеллекта. Именно через анализ и формы представления информации интеллект обеспечивает оценку ситуации и принятие решений. Чем выше уровень организации информации (негэнтропии), тем больше системная связность организации информационных объектов принятия решений и тем меньше уровень неопределенности при принятии решений.

Если в части развития мер защиты информации от несанкционированного доступа уже достигнуты значительные практические результаты, то проблемы снижения риска принятия неадекватных и опасных решений сохраняет свою остроту и напрямую связаны с уровнем информационного обеспечения.

Принимаемые ошибочные и нерациональные решения приводят к глубоким необратимым процессам, составляющим значительную угрозу существованию и развитию общества. Это требует практического решения ряда сложных научных и опытно-конструкторских задач разработки и реализации информационных систем интеллектуальной поддержки выработки и принятия решений, в создании которых значительную роль призвана сыграть высокая организация информационных процессов на

основе достижений научно-технического прогресса и, в первую очередь, в области развития новых наукоемких информационных технологий. /24/

Визуализация информационных образов, особенно в форме объемных цветных изображений, наиболее адекватно отображающих объекты реального мира, является, на наш взгляд, самым значительным и эффективным направлением быстрейшего достижения наибольшей полноты информационного отображения действительности и уменьшения риска принятия опасных ошибочных решений, которые могут иметь непредсказуемые последствия. Для реализации этой цели, путем разработки и создания технических средств визуализации и, особенно средств передачи объемного изображения на большие расстояния, а также его воспроизведения в системах информационной поддержки принятия решений, требуется разрешить достаточно большое количество очень трудных научных и опытно-конструкторских задач.

Предметной областью, которая, в первую очередь, нуждается в использовании средств визуализации информационных образов в системах информационной поддержки лиц принимающих решения, являются подвижные транспортные объекты, как объекты повышенной опасности. /4, 14, 18,23,27/

Управление подвижными транспортными объектами (самолетами, морскими и речными судами, автомобилями, военными подвижными объектами и т.п.) связано с принятием решений на основе оперативной информации. Опасность принятия неэффективных управленческих решений напрямую связана с количеством, качеством и формой представления оперативной информации лицу принимающему решения (ЛПР), человеку-оператору. Проблема снижения риска принятия неадекватных и опасных решений приобретает исключительную важность. Принимаемые ошибочные и нерациональные решения приводят к глубоким необратимым процессам,

составляющим значительную угрозу существованию и даже гибели, людей и самих транспортных объектов./2/

Для принятия обоснованных решений в любой сфере деятельности необходима не просто информация, не просто совокупность сведений, которые могут быть полезными, а высокоорганизованная информация, упорядоченная в определенную систему. Именно высокоорганизованное системное упорядочение информации, объективно и достоверно отражающей сложившуюся ситуацию, стимулирует эффективное использование концептуальной модели принимающего решения человека и способствует интенсификации информационных процессов с их превращением в акт принятия решений.

В качестве эффективных способов предметной организации информации, облегчающих процесс ее использования для принятия решений, являются различные формы ее представления, степень организации которых соответствует полноте знаний, несущих функционально необходимую и достаточно обоснованную системную информацию об объекте принимаемого решения. Под степенью организованности информации понимается количественная мера различимости объекта принятия решения. В общем случае применительно к искусственным системам степень организованности информации включает в себя структурную организованность, параметрическую организованность и динамическую организованность. Так, например, при сопоставлении возможных вариантов организованности информационных образов: одномерных, двухмерных и трехмерных, целесообразно использовать пространственно-структурно-параметрические показатели, которые, как известно, наиболее высокими будут у трехмерных информационных образов. Для того чтобы достигнуть высокой степени организации информационных образов в информационных системах отображения, передачи, воспроизведения и представления информации необходимо

располагать запасами ее пространственных, структурных, параметрических и динамических ресурсов. Поиск рациональных в заданном смысле пространственных, структурных и параметрических ресурсов высокой организации информационных образов в рамках области существования, связан со многими фундаментальными исследованиями и разработками новых наукоемких информационных технологий, составляющих одну из важнейших глобальных проблем современной науки.

Решение этой большой научно-технической и конструктивно-поисковой проблемы обусловлено исследованиями многих функциональных задач с требованием использования фундаментальных знаний по формам движения материи; по видам и формам преобразования и передачи потоков энергии, вещества, информации; по видам и формам возможных взаимодействий; по выявленным закономерностям организации систем различных классов, соответствующих заданному смыслу целесообразности, адаптивности, целостности и устойчивости.

Одно из направлений проблемы получения высокоорганизованной информации и создания информационных систем, реализующих эту информацию является визуализация информационных образов для поддержки принятия решений ЛПР при оперативном управлении подвижными транспортными объектами, как, между прочим, и другими сложными объектами. Выбор рациональных вариантов реализации средств информационного обеспечения выработки и принятия решений при оперативном управлении сложными объектами упирается в главную ключевую задачу: как адаптировать выбираемые средства реализации к человеку-оператору с его субъективными психофизиологическими факторами? Если эта главная ключевая задача не будет хотя бы частично решена, то и главная цель повышения эффективности оперативного

управления также не будет достигнута: сокращения до минимума времени выработки и принятия управленческих решений. /2/

Встает вопрос, по какому каналу человек легче всего воспримет эту информацию. Как известно, наиболее распространены зрительные и слуховые каналы или, как принято, в психологии, каналы зрительной и слуховой модальности. Одно из первых оснований для выбора той или иной модальности было выдвинуто Норбертом Винером, который рассматривал критерии эффективности этих каналов. По Винеру критерием является отношение между числом зрительных и слуховых образов на уровне коры головного мозга. Организация различных полей коры головного мозга, связанных со зрением, и площадей коры головного мозга, обслуживающих слух, может быть использована при сравнении эффективности зрения и слуха. Это отношение равно 100:1.

Авторы работ по теории информации и инженерной психологии провели исследования количества информации, которая может быть передана по зрительному и слуховому каналам. Первоначально определяют пропускную способность нервных волокон, идущих от глаза и уха к мозгу. В среднем, по нерву может проходить 300 импульсов в секунду. Глазной нерв содержит около 1 млн. нервных волокон, т.е. он в состоянии передать 300 млн. дв. ед. информации в секунду. В этом случае пропускная способность зрительного анализатора, как парного органа, равна 600 млн. дв. ед. в секунду. Слуховой нерв содержит 300 тыс. нервных волокон, и, следовательно, может пропустить несравнимо меньшее количество информации, а именно 18 млн. дв. ед. в секунду. Но сам по себе способ определения информации, с учетом проводимости нервного волокна, пригоден, лишь, для специальных целей. Нас же интересует задача выработки решений человеком на основе восприятия информации и определенной мыслительной деятельности. /8, 43, 44/

Ньюэллом, Саймоном и Шоу была выдвинута гипотеза, которая в рамках информационного анализа должна ответить на вопрос: как представлены объекты мышления в психике? В результате анализа было выяснено, что внутренний образ может быть отнесен к зрительной модальности в том случае, если он по природе своей таков, что может служить точкой приложения, входом для информационных процессов, характерных для обработки зрительных образов. Эти процессы для переработки зрительной информации, применяемые при обработке внутренних образов, могут, по мнению исследователей, расцениваться как «мыслительные образы».

Отсюда мы должны сделать вывод, что при разработке и реализации средств информационной поддержки выработки решений следует ориентироваться, чтобы информация, представляемая ЛПР - человеку-оператору носила бы визуальный характер в виде зрительных информационных образов. Тогда ее восприятие и обработка не встретят противоречий со стороны внутренних образов мыслительных процессов человека, а, следовательно, приведет к резкому сокращению времени выработки решений и наиболее полной взаимной адаптации средств информационной поддержки.

Способы визуализации информационных образов для представления информации в средствах информационной поддержки решают еще одну важную задачу сжатия информации. Можно задачу сформулировать несколько иначе. Визуальный информационный образ это вход нашей системы переработки информации. Показания, снятые человеком и пропущенные через его мыслительный аппарат - выход. Количество информации, переданное от входа к выходу, при прочих равных условиях будет изменяться с изменением характера входа. И это связано не только с изменением его информационного содержания, но и с изменением способа кодирования, оформления информационного образа и формы его

представления. Допустим, что ЛПР получает информационное сообщение с помощью трех видов зрительных информационных образов: одномерного, двухмерного и трехмерного. Одномерный зрительный образ, в котором сообщение передается текстом, �