Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Современный этап развития автоматизации физических экспериментов характеризуется, с одной стороны, массовым применением вычислительной техники не только для сложных и дорогостоящих исследований, но и в лабораторных исследованиях индивидуального характера, а с другой стороны - применением ЭВМ на всех этапах исследований - проведения эксперимента, обработки и анализа результатов измерений. В рамках господствовавшей до середины 80-х годов концепции автоматизации на основе систем коллективного пользования невозможно было решить проблему массовой автоматизации вследствие роста времени ответа системы при повышении нагрузки на нее. С середины 80-х годов наиболее перспективным направлением решения проблемы массовой автоматизации экспериментов стало создание автономных систем на основе применения персональных компьютеров и рабочих станций.
В автономных системах индивидуального применения одной из главных проблем является повышение эффективности использования средств автоматизации за счет снижения барьера между человеком и ЭВМ, т.е. за счет создания интеллектуальных человеко-машинных интерфейсов на основе синтеза представлений информации в наиболее удобном для анализа виде. Как показывает анализ требований, предъявляемых к системам автоматизации экспериментов в области радиофизики и электроники, наиболее удобной формой представления информации в таких исследованиях является визуализация состояний экспериментов и результатов сбора, обработки и анализа данных.
Следует отметить, что в настоящее время в мире очень активно разрабатывается проблема научной визуализации (visualization in scientific computing), т.е. проблема интеграции символьной обработки данных и
4 структур с синтезом, обработкой и анализом изображений сигналов. Такая интеграция текстовой и зрительной обработки лежит в основе нового направления, часто называемого когнитивной графикой. Как полагают психологи, именно .возможность перевода текстовых и числовых представлений в некоторые зрительные образы и возможность описывать зрительные образы словами определяют основные принципы мышления. Поскольку зрительные образы строятся на основе понятий предметной области, то очевидно, что методы визуализации в значительной степени зависят от области применения. С другой стороны, применение визуализации позволяет создавать новые методы обработки информации.
В этой связи чрезвычайно большую актуальность приобретают проблемы исследования методов и разработки аппаратно-программных средств визуализации информации в автоматизированных системах экспериментальных исследований на всех этапах, включая проведение измерений, обработки, анализа и представления результатов.
Цель работы. Исследование и разработка методов и аппаратно-программных средств создания автоматизированных систем сбора, обработки и анализа данных в области радиофизики и электроники, основанных на визуализации информации, обработке и анализе изображений сигналов.
Основные задачи исследования. Согласно развиваемой концепции визуализации в автоматизированных системах радиоэлектронных исследований поставленная цель, в частности, предполагает:
- анализ информационных характеристик методик проведения экспериментов и обработки данных в области радиофизики и электроники и разработка на основе этого анализа концептуальной модели автоматизированные систем;
исследование проблемы проектирования и создания программного обеспечения интерактивных специализированных систем автоматизации для конкретных экспериментов;
разработку методов обработки измеренных данных, основанных на синтезе и обработке изображений сигналов;
исследование и разработку методов анализа изображений для визуализации результатов экспериментов;
разработку и создание аппаратно-программных средств визуализации для массового применения в системах автоматизации экспериментов в области радиофизики и электроники;
опытную проверку разработанных методик и средств визуализации посредством автоматизации некоторых актуальных задач экспериментальной радиофизики и электроники.
Научная новизна работы определяется положениями, выносимыми на защиту:
-
Модель интерактивных систем автоматизации экспериментов в области радиофизики и электроники, основанная на применении персональных компьютеров и аппаратно-программных средств визуализации на этапах проведения измерений, обработки и анализа данных.
-
Методика и инструментальные программные средства проектирования и программирования визуальных пользовательских интерфейсов интерактивных систем сбора данных в виде виртуальных приборов, основанная на применении технологии графических систем управления пользовательскими интерфейсами.
-
Оригинальный метод обработки и коррекции первичных данных дистанционного зондирования радиофизическими методами, основанный на синтезе и обработке двумерных изображений измеряемых величин с
учетом априорной информации об особенностях некоторых участков зондируемой поверхности.
-
Метод препарирования дистанционных изображений, основанный на экстремальной аппроксимации изображений наиболее гладкими функциями в ^.-окрестности исходных данных, сохраняющий скачки на изображениях.
-
Экономный в вычислительном отношении оригинальный метод распознавания аномалий в текстуре бинарных изображений, основанный на анализе квадрадереза изображения.
-
Программно-аппаратный комплекс интерактивного синтеза и анализа радиометрических и радиолокационных карт, предназначенный для применения на персональных компьютерах линии IBM PC. Синтез радиометрической карты Земли по результатам трассовой радиометрии с помощью спутников "Интеркосмос-21", "Космос-1151, -1500, -1602".
-
Технология изготовления прецизионных цветных фотокарт с пространственным разрешением не хуже 10x10 пикселей и с точностью воспроизведения оптической плотности по каждой из цветовых координат не хуже 0,02. Изготовление прецизионных цветных фотокарт планеты Венера по результатам радиолокации с помощью автоматических межпланетных станций "Венера-15,1о".
Достоверность приводимых в диссертации результатов и выводов обеспечивается:
анализом требований большого числа задач экспериментальной радиофизики и электроники, предъявляемых к системам автоматизации, на примере исследований, выполняемых в Институте радиотехники и электроники РАН;
корректным применением современных информационных техноло-
7 гий и математических методов визуализации, обработки и анализа изображений;
- экспериментальной проверкой разработанных методик и аппаратно-программных комплексов при решении задач автоматизации исследований в области радиофизики и электроники.
Практическая значимость работы и внедрение результатов исследования. Разработанные методы и средства визуализации позволяют повысить эффективность использования средств автоматизации за счет снижения барьера между человеком и ЭВМ, а также решить задачи автоматизации совокупной обработки и анализа результатов измерений с помощью обработки и анализа изображений измеренных данных. Разработанные в диссертационной работе модели, методы и аппаратно-программные средства использовались при создании серии систем автоматизации актуальных экспериментальных исследований в обпасти радиофизики и электроники и легли в основу технической политики массовой автоматизации исследований в Институте радиотехники и электроники РАН.
Разработаны и внедрены в серийное производство базовые аппаратно-программные комплексы обработки изображений на основе персональных компьютеров линии IBM PC, которые используются в исследованиях в области дистанционного зондирования (в ИРЭ РАН, Гидрометцентре, ВЦ СО РАН), биомедицинских исследованиях (в ИРЭ РАН, ИВНД РАН), в исследованиях оптических световодов (в ИРЭ РАН), в исследованиях методов распознавания изображений (в Научном совете "Кибернетика" РАН) и др.
Разработанная методика создания визуального пользовательского интерфейса систем сбора данных в виде виртуальных приборов применя-
в ется в опытно конструкторских работах в СКВ ИРЭ РАН при создании аппаратно-программных комплексов автоматизации сбора данных на базе персональных компьютеров и специализированных аналого-цифровых плат. ,'''"
Личный, вклад автора состоит в разработке концепции создания интерактивных систем автоматизации экспериментов с визуальной формой . человеко-машинного взаимодействия, постановке и обосновании исследований, научном руководстве разработками аппаратного и программно-алгоритмического обеспечения систем синтеза, обработки и анализа изображений, организации промышленного производства базовых комплексов обработки изображений, обсуждении и изложении результатов, написании статей.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладыва- ' лись на ряде международных и всесоюзных симпозиумов, конференций, школ и семинаров: VI Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований" (Новосибирск, 198) г.). Всесоюзной конференции "Диалог человек-ЭВМ" (Ленинград, 1982 г.), II Международном симпозиуме "Авто- матизация и научное приборостроение-83" (Варна, 1983 г.). Всесоюзной конференции "Диалог-84" (Ленинград, 1984 г.), VIII Всесоюзной конференции "Автоматизация научных «следований" (Алма-Ата, 1985 г.), XI Всесоюзной конференции "Неразрушагащие физические методы и средства контроля" (Москва, 1987 г.). Всесоюзной конференции "Методы неразрушающего контроля" (Челябинск, 1987г.), 6th Scandinavian Conference on Image Analysis (Oulu, Finland, 1989), International Seminar "Camac'89" (Beijing, 1989), III международной школе no АНИ (Пущино, СССР, 1988 г.), Сессии секции АСОИз Совета по АНИ АН СССР (Москва, 1989 г.), Международном семинаре "АСНИ на базе персональных ЭВМ"
9 (Правец, НРБ, 1989), XIV Международном симпозиуме "КАМАК-90" (Варшава, ПНР, 1990 г.), I International Conference on Information Technologies for Image Processing, Analysis & Pattern Recognition (Lvov, USSR, 1990), Joint Soviet-Finland seminar on remote sensing of the Earth (Moscow, 1990), Joint Soviet-Japan Seminar on Electronics (Moscow, 1990), International Colloqium on Perspective Information Technologies (Moscow, 1991), Межотраслевом совещании "Научная визуализация" (Протвино, 1991 г.).
Результаты разработок экспонировались на следующих международных выставках: Международной выставке "Научное приборостроение" (Берлин, 1989 г.), Международной выставке "Наука-89" (Москва, 1989 г.). Международной выставке достижений по КП НТП СЭВ (Москва, 1990 г.), Международной выставке "Связь-91" (Москва, 1991 г.).
Публикации. По выполненным исследованиям и разработкам опубликовано 32 печатные работы, список которых приведен в конце автореферата.
Структура » объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 141 наименований и приложения, изложена на 207 стр., включая 42 рисунка; приложение содержит акты о внедрении и использовании результатов работы.
