Введение к работе
Актуальность проблемы. Документ (от лат. docwnentum — свидетельство) как материальный носитель различного рода актов в юридической, экономической социальной, технической и т.п областях, или письменное свидетельство о каких-либо событиях, имеет огромное значение для промышленности, промышленной безопасности и экологии. Утрата документов может нанести серьезный экономический, и технический урон предприятию или учреждению, а также имущественным и социальным интересам его сотрудников. Эффективное решение проблемы быстрого восполнения необходимой для производственных нужд документации, уничтоженной, утраченной, поврежденной или физически недоступной в условиях военного времени и чрезвычайных ситуаций, вызванных пожарами, техногенными авариями, природными катастрофами, террористическими актами и другими экстремальными ситуациями, является важнейшей не только производственной, но и государственной задачей
В то же время, хранение значительных массивов документов на бумажных носителях вряд ли оправдано, вследствие значительных затрат на аренду и содержание площадей а также на энергоресурсы, затрачиваемые на поддержание устойчивых климатических условий, обеспечивающих длительное хранение бумаги. В связи с этим, ряд постановлений Правительства Российской Федерации решает указанную проблему путем создания Российского страхового фонда документации (СФД), представляющего собой совокупность функционально ориентированных и упорядоченных массивов специально изготовленных на микрофильмах страховых копий важнейших для производственных нужд документов, хранимых в специальных хранилищах, обеспечивающих их надежную защиту от уничтожения, утраты и повреждения в условиях военного времени и чрезвычайных ситуаций Являясь государственным страховым (резервным) информационным ресурсом, СФД позволяет в кратчайшие сроки восполнить уничтоженную, утраченную или недоступную в результат военных действий или чрезвычайных ситуаций документацию, необходимую для производства, ремонта и эксплуатации вооружения, военной техники и другой важнейшей для государственных нужд продукции, проведения аварийно-спасательных и восстановительных работ на важнейших объектах экономики и объектах систем жизнеобеспечения населения, а также сохранения национального научного, культурного и исторического наследия народов Российской Федерации
_4-
Концентрация информации в одном месте имеет свои достоинства и недостатки.
К достоинствам организационно-технического решения, направленного на создание централизованных крупных массивов микрофильмированной информации, относятся
возможности комплексной механизации и автоматизации информационных услуг и связанные с ними снижение трудозатрат на хранение единицы информации в течение нормативного срока, а также появление профессионального интереса персонала к росту квалификации;
низкая доля накладных расходов;
возможность жесткой стабилизации режимов хранения с применением современных методов и технических средств поддержания искусственного климата в заданных оптимальных пределах,
возможность обеспечения любого, сколь угодно высокого уровня информационной и физической безопасности хранения, как в плане ограничения несанкционированного доступа к собственно информации, так и в плане защиты от утраты микрофильмов как физических носителей.
К недостаткам централизованных массивов относится затрудненность и относительно высокая стоимость оперативного доступа к данным, как на этапе закладки копий документов на хранение, так и на этапе их использования.
Системы СФД прошли в своей эволюции ряд этапов.
Первое поколение микрофильмирующих систем характеризуется использованием для регистрации информации носителей (галогенидосеребря-ных фотопленок) общего назначения и использованием в качестве микрофильмирующей и воспроизводящей аппаратуры вспомогательных средств. В частности, на этом этапе для воспроизведения документов пользуются обычной фотопечатью. Микрофильмы первого поколения и увеличенные фотокопии документов отличаются невысоким качеством, связанным с низкой разрешающей способностью, высокой степенью зернистости изображений и неравномерностью оптических параметров по площади кадра.
Второе поколение микрофильмирующих систем СФД, развиваемое в СССР до 90-х годов прошлого века, связано освоением в производстве таких специализированных носителей, как микратные галогенидосеребряные пленки, диазотипные, везикулярные, фототермопластические, фотохромные и другие материалы. Аппаратные средства, создаваемые и используемые на этом этапе, были ориентированы на восприятие изображений человеком и предназначались для прямого микрофильмирования оригиналов и прямого воспроизведения микрофильмированных изображений В качестве воспро-
изводящей аппаратур здесь использовались специализированные читальные аппараты и средства электрографии. Как носители, так и микрофильмирующие и воспроизводящие изображения технические средства обеспечивали при обработке документов в системах второго поколения минимум информационных потерь, контроль за которыми осуществлялся на основании экспертных оценок.
В настоящее время производится активная разработка внедрение в практику информационной деятельности СФД микрофильмирующих систем третьего поколения, использующих специализированные носители информации и цифровые технологии как управления процессами аналогового микрофильмирования, так и регистрации и доступа к изображениям на микрофильме
Прямое микрофильмирование, т.е. работа с микрофильмом как носителем аналоговой информации, включая оперативный просмотр изображений и аналоговое копирование изображений на другие типы носителей, связано с оптическими преобразованиями информации, которые не выводят сигнал за рамки пространственной модуляции светового потока Информация на каждом этапе прямого микрофильмирования представляется и воспринимается оператором в виде изображений. Цифровые технологии в данном случае используются при управлении физическими и химическими процессами микрофильмирования, а также при контроле качества изображений.
Собственно цифровые технологии регистрации и доступа к изображениям принципиально включают в себя три типа операций.
аналого-цифровое преобразование, т е. измерение пространственного распределения светового потока в цифровую форму, который для случая микрофильма осуществляется с помощью CIM-устройства (Computer Input Microfilm), а для бумажного носителя - с помощью сканера, и формирование факсимильных цифровых моделей изображений (ФЦМИ);
цифро-аналоговое преобразование, т.е перевод ФЦМИ в аналоговую форму с последующей генерацией пространственного распределения светового потока, которая для случая микрофильма осуществляется с помощью СОМ-устройств (Computer Output Microfilm), а для случая бумажного носителя — с помощью принтера;
цифровая обработка данных, включающая фильтрацию ФЦМИ, или перевод ФЦМИ в другие модели, например модели для передачи данных.
Галогенидосеребряный микрофильм является основным носителем информации в СФД. Как и любой другой носитель, в процессе хранения он подвергается одностороннему деструктивному действию окружающей ере-
-(,-
ды, снижающему достоверность доступа к изображениям. Поэтому важным системным требованием, кроме снижения влияния деструктивных факторов, является организации периодического контроля состояния носителя и обеспечение реставрации изображений в случае необходимости.
Согласно существующим нормативным документам контроль состояния осуществляется по эталонным изображениям (тест-объектам), содержащим изображение т.н. миры, и микрофильмируемым одновременно с основными документами в отдельных кадрах рулонного носителя. Содержание тест-объекта и плотность размещения эталонных кадров на носителе должны быть такими, чтобы обеспечивать достаточно достоверный контроль качества микрофильма по ограниченной выборке. Однако, оценка качества изображений при этом производится частично на основании объективных измерений, производимых с помощью аттестованного оборудования, а частично - на основании экспертных оценок, что не позволяет в ряде случаев принимать адекватные решения по состоянию микрофильма Кроме того, изображение миры, как правило, является неоднородным и перегружено элементами, предназначенными для восприятия человеком-оператором, и которые при обработке измерительной информации на ЭВМ являются источниками дополнительных ошибок.
Вследствие того, что доступ к изображениям в системах третьего поколения может осуществляться как человеком, так и техническими средствами, контрольные операции должны быть более объективными, чем при экспертных оценках Поэтому важным является разработка методологии формирования тест-объектов, которые были бы, с одной стороны воспринимаемы человеком-оператором, и позволяли производить экспертные оценки качества, а с другой - были ориентированы на цифровую обработку изображений, и не был перегружен лишними, с точки зрения извлечения релевантной информации о качестве микрофильма деталями
Перечисленные проблемы, возникающие при создании и эксплуатации систем СФД третьего поколения, решены далеко не полностью. В частности не решена проблема системного подхода к проектированию аппаратно-программных средств, осуществляющих контрольные операции и минимизирующих потери информации в системе в целом с учетом выбранной реальной технологии обработки данных, не решена и проблема длительного хранения цветной документации с восстановлением полноформатной цветной копии документа.
Все вышеперечисленное, а именно потребности в микрофильмирующих системах третьего поколения и отсутствие общей теории анализа и расчета указанных систем, ориентированной на управление процессом хра-
нения информации на микрофильмах, объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе.
Объектом исследования диссертации является микрофильмирующие системы третьего поколения, включающие технические средства как прямого так и аналого-цифрового микрофильмирования, используемые в Государственной системе страхфонда документации. Вследствие того, что задачи, решаемые в диссертации, и полученные результаты могут быть применены в том числе и для других носителей, информация на которых формируется в виде изображения, в частности бумажных носителей, объект может быть расширен до класса объектов
Важным требованием, предъявляемым к системам исследуемого класса, является обеспечение управление достижением требуемых показателей качества изображений в процессе изготовления микрофильма, длительного хранения носителя и воспроизведения информации при визуальном или машинном восприятии.
Таким образом, предметом исследования диссертации являются показатели качества изображений на микрофильме, определяемые в процессе его изготовления и эксплуатации, а также методы целенаправленного управления указанными показателями за счет технических решений, закладываемых на этапе проектирования и реализуемых на этапе организации и/или эксплуатации систем СФД.
В диссертационной работе использован подход, к анализу систем микрофильмирования, связанный с аналитическими методами математического моделирования. В работе использованы теория систем, теория вероятностей, теория многомерных ортогональных преобразований сигналов. Впервые для целенаправленного синтеза тест-объектов теоретико-множественный подход синтеза изображений соединен с пространственно-частотными характеристиками синтезированных изображений.
Диссертационная работа является дальнейшим развитием методологии проектирования репрографических систем, у истоков которой стояли такие видные ученые, как Р Н Иванов, В.А. Зернов, Г.П. Катыс, Н.П Максимов, Ф В. Сидоров, А А. Слуцкин, А К. Талалаев, JI.IL Ярославский, и зарубежные ученые Р Гонсалес, Т Джеймс, А. Папулис, У. Прэтт. В известных работах по предмету исследования проведен анализ процесса создания и структура изображения на микрофильме, предлагается ряд методов доступа к изображениям и цифровой обработки данных, поступающих от сканирующих средств измерения оптических параметров.
Цель диссертации состоит в разработке концепции и методологии оценки показателей качества микрофильмированной информации в системе
СФД, основанной на аналитическом описании свойств хранимых изображений, влияющих на восприятие информации человеком-оператором и ЭВМ, и формировании тестовых изображений, ориентированных на автоматическое измерение параметров микрофильма
В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задача
1 Проведение анализа особенностей функционирования систем СФД, а также носителей, эксплуатируемых в системах при длительном хранении информации, способов модуляции их информативного параметра, и факторов, влияющих на качественные характеристики изображений; подбор фундаментальных теорий, которые могли бы быть положены в основу методологии аналитического математического моделирования процесса управления качеством микрофильмированной информации
Разработка концепции математического моделирования процесса управления качеством микрофильмированной информации в системах исследуемого класса
Разработка методологии оценки показателей качества, основанной на применении пространственно-частотных характеристик тест-объектов, обладающих свойством инвариантности к их местоположению в пределах кадра микрофильма, и позволяющих эффективно выделять релевантные составляющие тестовых сигналов для сравнения их с эталонными значениями.
Проведение сопоставительного анализа визуального восприятия изображения человеком-оператором, и с помощью систем технического зрения (сканер, С1М-устройство), формирование пространственных фильтров, соответствующих особенностям визуального (способность к адаптации, избирательность, нелинейность характеристик) и машинного (жесткая привязка к системе координат, точное измерение оптических параметров, подверженность внешним оптическим и электрическим помехам) восприятия изображений.
Сведение параметров изображения, влияющих на восприятие информации человеком и системой технического зрения, к пространственно-частотным характеристикам изображения.
Распространение результатов анализа на изображения цветных документов.
Определение особенностей пространственно-частотных характеристик ряда пространственных объектов, используемых в практике микрофильмирования для формирования эталонных сигналов, оценка параметров, соответствующих микрофильмам с разными показателями качества изображения.
Определение областей пространственно-частотных характеристик изображений на микрофильме, определенных такими свойствами, как зернистость, шумы, вызываемые случайным расположением микрокристаллов, растровая структура (для изображений на выходе СОМ-устройств), штрихи чертежно-графической информации и т п.
Формирование обобщенной структуры изображения на микрофильме с наложением области, в которую должна укладываться частота среза фильтра пространственных частот анализатора изображений
10. Разработка методов моделирования с помощью пространственно-
частотного метода планируемых свойств изображений, в том числе и изо
бражений, используемых в качестве эталонов для формирования тест-
объектов
Формирование тест-объектов, ориентированных на использование в экспертных и автоматизированных системах управления качеством микрофильмированной информации
Экспериментальная проверка разработанных методов управления качеством микрофильмированной информации в процессе изготовления и эксплуатации микрофильмов в СФД.
Научная новизна диссертации заключается в следующем
Сформулирована концепция и разработана методология аналитического моделирования процесса управления качеством микрофильмированной информации в системе СФД на основе анализа пространственно-частотных характеристик эталонных изображений
Разработан математический аппарат оценки показателей качества микрофильмов с использованием свойства инвариантности пространственно-частотных характеристик к местоположению признаконесущих примитивов тест-объекта в пределах кадра микрофильма, позволяющий эффективно выделять релевантные составляющие тестовых сигналов для сравнения их с эталонными значениями.
Исследованы особенности визуального восприятия изображений на микрофильме человеком-оператором и установлены связи пространственно-частотных характеристик человеческого восприятия как пространственного фильтра с пространственно частотными характеристиками таких аспектов микрофильмированных изображений, как зернистость, шумы, вызываемые случайным расположением микрокристаллов, растровая структура (для изображений на выходе СОМ-устройств), штрихи чертежно-графической информации и тлі
Разработаны методы целенаправленного синтеза тестовых эталонных изображений для исследования их релевантных свойств на основе со-
вмещения теоретико-множественного и пространственно-частотного подходов.
5. Разработан метод микрофильмирования цветных изображений при разделении их на цветовые составляющие и синтезе из цветовых составляющих полноформатного цветного изображения, а также определены пространственно-частотных характеристик цветовых составляющих и восстановленного полноцветного изображения.
Принципиальный вклад в развитие теории управления качеством микрофильмированной информации в системах СФД.
Произведено обоснование общих свойств, которыми должны обладать системы управления качеством микрофильмированной информации в СФД, показано, что системы должны учитывать не только пространственно-частотные характеристики микрофильмов как носителей информации, но и свойства пространственно-частотного фильтра аппарата визуального восприятия человека-оператора, как конечного потребителя информации.
Постановлена и решена задача разработки формализованного подхода к управлению качеством микрофильмированной информации за счет математического (аналитического) моделирования заданных пространственно-частотных характеристик изображений.
Предложен принцип целенаправленного синтеза тест-объектов, заключающийся в сочетании теоретико-множественного и пространственно-частотного подходов, что позволяет осуществлять генерацию тест-объектов, используемых для управления качеством микрофильмированной информации, с заранее заданными свойствами.
Разработана методика управления качеством цветного изображения при цветоделении и обратном восстановлении с использованием пространственно-частотных характеристик
Практическая ценность работы заключается в том, что методология оценки и управления качеством изображения микрофильмированной информации в аналого-цифровых микрографических системах на основе пространственно-частотных характеристик позволяет создать оптимальные электронно-микрографические технологии создания, сохранения и доступа к государственным страховым фондам документации, разработать инженерные методики и рекомендации, позволяющие повысить качество и достоверность сохранения и воспроизведения документированной информации в государственной системе единого российского страхового фонда документации.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата и успешным
применением методологаи при решении практических задач по разработке и внедрению современных электронно-микрографических технологий создания, сохранения и использования страховых фондов документации различного назначения
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Концепция и методология управления качеством микрофильмированной информации в системе СФД на основе анализа пространственно-частотных характеристик эталонных изображений.
Математический аппарат оценки показателей качества микрофильмов с использованием признаконесущих примитивов тест-объектов в пределах кадра микрофильма.
Представление аппарата визуального восприятия человека-оператора как пространственного фильтра со специфическими свойствами и соотнесение пространственно-частотных характеристик фильтра к пространственно-частотными характеристиками ряда аспектов микрофильмированных изображений.
Метод целенаправленного синтеза тестовых эталонных изображений на основе совмещения теоретико-множественного и пространственно-частотного подходов.
Пространственно-частотный метод управления качеством цветных изображений при разделении их на цветовые составляющие и синтезе из цветовых составляющих полноформатного цветного изображения.
Реализация и внедрение результатов Разработанные в диссертации концепция, методология, методы и методики реализованы автором в процессе выполнения научно-исследовательских и проектных работ по государственным контрактам с Минэкономразвития России, Главным управлением специальных программ Президента Российской Федерации, МЧС России, Роспромом, Роскультуры, Росархивом, Правительством Москвы, при разработке государственных стандартов Российской Федерации, а также написания учебников и учебных пособий по единому российскому страховому фонду документации.
Результаты, полученные в диссертации, внедрены в Арзамасском филиале ФГУП «НИИСУ», НИИ «ЛОТ» ЦНИИ им ак. АН Крылова, ЦКБ «Рубин», ФГУП «Микроин» (Роспром); ФГУП «Государственный ракетный центр «КБ им. ак. В.П Макеева» (Роскосмос), ФГУП «ЦНИИатоминформ» (Росатом), ФГУП «Гидроспедгеология»; ГУЛ МНТЦ «Регион» (Правительство Москвы); ФГУ «Российская государственная библиотека»
Результаты диссертации нашли применение в учебном процессе в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».
Апробадия работы.
Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
I. Международное совещание специалистов стран-участников Вар
шавского договора, Прага, 1978 г.
2 Международное совещание специалистов стран-членов СЭВ, Дрезден, 1979г; Москва, 1980 г.
I Всесоюзная научно-практическая конференция по страховому фонду документации, Тула, НИИрепрографии, 1983 г.
П Всесоюзная научно-практическая конференция по страховому фонду документации, Тула, НИИрепрографии, 1988 г.
II Международный семинар «Развитие репрографии в социалистических странах», Прага, 1989 г.
Заседания Межведомственного научно-координационного совета по единому российскому страховому фонду документации, Москва, 1996, 1997,1998 гг.
Совместная сессия Академии инженерных наук и Администрации Тульской области, Тула, 1997 г.
-8. Заседание технического комитета ТК-171 Международной организации по стандартизации ИСО, Париж, 199 г.
9. Всероссийская научно-практическая конференция «Безопасность
архивов и архивных фондов», Москва, Росархив, 2000 г
10. Всероссийский научно-практический семинар «Создание Россий
ского регистра страховых микроформ», Тула, 2001 г.
II. Региональная научно-практическая конференция «Проблемы ин-
формацион-ной безопасности и защиты информации», Тула, ТулГУ, 2002 г.
Заседания Межведомственного координационного совета по тер-риториаль-ному страховому фонду документации г. Москвы, Москва, 2002, 2003 гг.
Международная конференция «Автоматизация, проблемы, идеи, решения» (АПИР-9), Тула, ТулГУ, 2004 г.
Семинар «Социально-культурные смыслы архивов и архивных документов в современной России», Москва, Российский государственный гуманитарный университет, 2004 г.
Международный научно-практический семинар «Создание страховых фондов документации и электронных фондов пользования», Москва, ЭЛАР,2005г.
Межрегиональная научно-техническая конференция «Интеллектуальные и информационные системы». Тула, ТулГУ, 2005 г
X Ежегодная конференция Российской библиотечной ассоциации (РБА), С -Петербург, 2005 г.
Всероссийская конференция «Проблемы специального машиностроения» - Тула, ТулГУ, 2005,2006 гт
Межрегиональная научно-техническая конференция «Интеллектуальные и информационные системы» - Тула, ТулГУ, 2005 г.
20. г Международная конференция «Системы проектирования, тех-нологичес-кой подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (САД/САМ/РДМ)», Москва, ИЛУ РАН, 2006 г.
XIX Международная научная конференция «МКТТ-19. Математические методы а технике и технологиях» - Воронеж, ВГТА, 2006
5* Международная научно-практическая конференция «Обеспечение со-хранности памятников культуры: традиционные подходы — нетрадиционные решения», С- Петербург, РНБ, 2006 г.
Региональная конференция «XXIV Научная сессия, посвященная Дню радио» - Тула, НТО РЭС им. А.СЛопова.
24. II Международная научная конференция «Производственные технологии», (РАЕ), Италия, Римини, 2006 г.
25 Ш Общероссийская научно-практическая конференция «Современные информационные технологии, методы и средства создания и использования единого российского страхового фонда документации», Тула, ФГУП«НИИР»,2006г.
26. Научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава кафедры «Робототехника и автоматизация производства» Тульского государственного университета 2003,2004,2005 и 2006 гг. -
Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 работы, включенных в список литературы, в том числе. 1 монография, 3 учебника, 2 учебных пособия, 14 тезисов докладов на международных, всесоюзных, республиканских, региональных и отраслевых конференциях, семинарах и симпозиумах, 21 статья, 3 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, изложенных на 324 страницах машинописного текста, и включающих 132 рисунка и 15 таблиц, приложений на 27 страницах и списка использованной литературы из 162 наименований.
