Введение к работе
'' -! І
... .-. н
-? .' ;::. '; !
"Актуальность проблемы. С развитием вычислительной техники и
сширением ее возможностей происходит совершенствование теории работки информации, анализа и синтеза систем, развиваются мето-решения оптимизационных задач. Это явилось мощным стимулом льнейшего совершенствования различных технических систем, пред-значенных для записи, хранения, переработки и извлечения разно— разных видов информации. Фундаментальные и прикладные исследова-ія по проблемам качества и надежности информационных систем, про-юзировании путей их дальнейшего развития все больше опираются і новые подходы и методы, базирующиеся на широком использовании юдств вычислительной техники и математического моделирования, о позволяет повысить объем и производительность научных исследо-іний, сделать их более объективными, снизить стоимость и сроки ізработок.
Особенно актуально развитие перспективных подходов к исследо-шию нового класса информационных систем - аппаратуры магнитной ідеозаписи, отличающейся от других систем регистрации видеоинфор-щии высокими технико-экономическими показателями и оперативностью, адеомагнитофоны, видеокамеры, устройства видеозаписи на магнитные зеки - вот лишь немногие примеры данных систем, которые играют зйчас ключевую роль в научно-техническом прогрессе и социальном азвитии современного общества. Процесс быстрого возрастания уров-ї разработок и широкого использования систем видеозаписи в различие отраслях народного хозяйства, научных исследованиях, телевизи-нном вещании, электронном кинематографе, в быту требует разработ-и новых принципов, алгоритмов, устройств, улучшающих технические арактеристики аппаратуры. Несмотря на то, что исследования в даном направлении интенсивно развиваются как у нас в стране, так и
4 за рубежом, в целом они значительно отстают от потребностей праг тики. Среди наиболее важных причин, обусловивших это отставание, можно отметить:
сложность и малоизученность физических процессов при записи ма длин волн;
нетрадиционные для информационных систем источники шумов и пои
сложность и многоплановость анализа систем видеозаписи, требуя исследования различных вопросов, относящихся не только к теории информации, магнитной записи, телевидению, статистической радиот нике, системному моделированию, но и на стыке этих наук.
Поэтому к настоящему времени исследованы только отдельные а пекты проблемы повышения качества видеозаписи с использованием д терминированных или упрощенных статистических моделей тракта маг нитной записи-воспроизведения /ШВ/. Ряд исследований выполнен ц менительно к конкретной аппаратуре и носит частный характер. В т же время воспользоваться результатами, полученными для других ин формационных систем не представляется возможным из-за специфичен особенностей магнитной видеозаписи: более высокой плотности запш другого механизма возникновения и проявления искажений и помех, иных критериев оценки эффективности систем.
Постоянно возрастающие требования к качеству видеозаписи в і нкционалъной взаимозаменяемости аппаратуры, а также переход от п< перечно-строчной записи к перспективным способам наклонно-строчні записи (аналоговой и цифровой), при которых высокое качество изображения при приемлемом расходе носителя записи требует значител: ного увеличения информационной плотности записи, обострили проти речия между запросами практики и возможностями существующей теор] Совершенствование научных исследований и процессов проектирована аппаратуры видеозаписи сдерживается из-за отсутствия математичесі моделей адекватных реальному тракту МЗВ, неоднозначности критериї
оптимизации систем видеозаписи, отсутствия методов их расчета, обеспечивающих удовлетворительную точность. Это привело к тому, что основные показатели эффективности систем видеозаписи - верность воспроизведения и информационная плотность далеки от предельно достижимых, определяемых параметрами современных носителей записи и впдеоголовок. Причина такого недоиспользования потенциальных возможностей тракта ШВ заключается в том, что господствующие в видеозаписи эмпирические и интуитивные решения, часто исключали оптимальное построение систем и требовали дорогостоящих экспериментов. Таким образом, объективными предпосылками данной работы являются перспективность развития новых математических методов исследования систем видеозаписи, потребность критического анализа и обобщений многочисленных публикаций, относящихся к тематике видеозаписи и наконец, многолетний научно-технический опыт диссертанта по исследованию и проектированию аппаратуры видеозаписи.
Специфика систем видеозаписи, возникших и развивающихся на стыке ряда наук диктует необходимость организации исследований, которые носили бы междисциплинарный характер и использовали арсенал методов теории оптимизации, физики магнитной записи, телевидения, математической статистики и других областей знаний. Такой (системный) подход предлагается автором диссертационной работы в качестве концептуальной основы теоретических исследований и методологических разработок в области видеозаписи. Он ориентирован на широкое применение математического моделирования и средств современной вычислительной техники, что позволяет повысить полноту формульных моделей путем учета множества взаимозависимых факторов, развить новые и расширить возможности известных методов исследования систем видеозаписи. Разработанные на базе предложенного подхода способы и устройства повышения верности воспроизведения аналоговой и цифровой видеоинформации обеспечивают улучшение технических характеристик аппаратуры видеозаписи различного назначения и прежде всего
профессиональной, к показателям качества которой предъявляются наиболее высокие требования.
Актуальность подобных исследований подтверждается тем, что создание профессиональных аналоговых и цифровых видеомагнитофонов (Ш) е соответствии с общесоюзной научно-технической Программой 0.26.05, утвержденной постановлениями СІЛ СССР и ІКНТ СССР, отнесено к важнейшим народно-хозяйственным задачам, диссертация является результатом исследований, выполненных.в плане работ по реализации государственной программы.
Предыстория исследований. Исходной основой диссертации являются: труды видных советских и зарубежных ученых В.А.Когельникова, В.С.Пугачева, Н.П.Бусленко, Л.С.Гуткина, И.В.Кузьмина, В.И.Тихонова К.Шеннона, Н.Винера, Л.Френкса, разработавших основы статистического исследования информационных систем; исследования в области магнитной записи советских и зарубежных ученых В.А.Бургова, К.Е.Горо-на, Ю.Л.Василевского, В.Г.Королькова, ЇЛ.В.Гитлица, В.Вестмайзе, Р.Уоллеса и др., заложивших теоретический и инженерный фундамент ЧГЛ записи; диссертационные материалы, относящиеся к тематике видеозаписи В.И.Щербины, В.Е.Молодцова, С.Г.Цучиева, Е.К.Тарыгина, О.А. Гергеля (г.іМосква), Л.Н.Баланина (г.Ленинград) и др.; а также публикации таких известных советских и зарубежных специалистов в области магнитной видеозаписи, как В.И.Пархоменко, А.В.Гончарова, А.Б.Штейна, В.И.Лазарева, Л.Г.Лишина, К.Екоямы, М.Феликса, Р.Долби и др.
Целью диссертационной работы является разработка математических моделей и методов статистического исследования систем видеозаписи, обеспечивающих повышение эффективности научных исследований л инженерных разработок в области магнитной видеозаписи. Предложенные методы позволяют путем повышения верности воспроизведения видеоинформации в канале записи-воспроизведения /3-В/ решить проблему
7 улучшения качественных показателей аппаратуры видеозаписи и ее функциональной взаимозаменяемости.
Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью и состоянием решаемой проблемы основными задачами диссертации являются:
разработка математических моделей процессов преобразования сигналов в тракте МЗВ;
разработка стохастической модели канала 3-В, учитывающей основные источники шумов и помех тракта МЗВ;
разработка методов оценки верности воспроизведения видеоинформации при аналоговой и цифровой видеозаписи;
создание на базе разработанных моделей и методов эффективных способов и устройств повышения качества видеозаписи, инвариантных к форматам записи;
создание на базе разработанных моделей и методов технических средств улучшения функциональной взаимозаменяемости аппаратуры видеозаписи.
Объектом исследований являются процессы стохастического преобразования информационных сигналов систем магнитной видеозаписи.
Методы исследования основаны на применении математического аппарата теории информации, теории вероятностей, теории статистических решений, методов функционального анализа и динамического программирования. Развитые автором метода статистического исследования систем видеозаписи основаны на известных методах статистического анализа линейных и нелинейных систем, в частности, корреляционной теории, теории марковских процессов, а также методах статистического синтеза: оптитлальной винеровскои фильтрации, максимально правдоподобного оценивания и других. Широко использованы математическое моделирование, вычислительная математика, методы оптимизации. Проводилось макетирование и испытание разработанных устройств.
Научная новизна. Разработаны математические модели процессов преобразования сигналов в тракте МЗВ при аналоговой и цифровой ви-
8 деозаписи. Впервые предложен метод статистической идентификации тракта ЮВ с помощью функциональных винеровских моделей и показана возможность его использования для аналитического решения задач, связанных с оценкой искажений воспроизводимых сигналов.
Разработаны математические модели источников шумов и помех тракта МЗВ, в том числе структурного и контактного шума магнитной ленты, помех от соседних строчек записи и найдены статистические характеристики шумов и помех на выходе канала 3-В.
Разработана методология исследования точности и помехозащищенности систем аналоговой видеозаписи. Предложены научно обоснованные методы повышения точности и помехозащищенности, пригодные для широкого класса видеозаписывающих устройств.
Разработаны методы оценки достоверности воспроизведения цифровых сигналов, учитывающие совместное действие межсимвольных искажений, шумов и специфических помех тракта МЗВ. Развиты новые статистические подхода к проблеме повышения достоверности цифровой видеозаписи, основанные на приеме "в целом" рандомизированных кодов класса БВН.
Впервые предло;.сиі^ и исследованы адаптивные методы коррекции частотных и дифференциальных искажений воспроизводимых сигналов, которые благодаря учету параметрических свойств тракта МЗВ позволяют существенно повысить качество воспроизводимого изображения и устранить характерные при перезаписи искажения в виде "цветовых окантовой", "факелов" и другие.
Автор защищает:
методы формализованного описания процессов преобразования сигналов в тракте магнитной записи-воспроизведения;
методы статистического анализа процессов преобразования сигналов в канале 3-В;
методы повышения верности передачи видеоинформации в канале 3-В;
принципы построения устройств обработки записываемых и воспроиз-
9 водимых сигналов, подтвержденные авторскими свидетельствами СССР, а также их опытной эксплуатацией и внедрением в серийно выпускаемой аппаратуре видеозаписи.
Связь с государственными программами и НИР. Результаты, изложенные в диссертации, получены в процессе исследований и разработок, осуществляемых в соответствии с общесоюзной научно-технической Программой 0.26.05 "Создать и освоить производство комплексов новых технических средств телевидения и радиовещания", утвержденной постановлениями СМ СССР и IKHT СССР, постановлением СМ СССР JS 889 "О развитии в 1984-1990 гг. материально-технической базы телевизионного вещания". Результаты диссертационной работы связаны также с рядом хоздоговорных и госбюджетных НИР в области видеозаписи, проводимых во ВНИИ телевидения и радиовещания в период с 1972 + 1989 гг.
Практическая ценность диссертационной работы. На основе методов, предложенных и обоснованных в диссертационной работе, определены перспективы дальнейшего совершенствования аппаратуры видеозаписи, а также решен широкий круг практических задач, позволяющих увеличить производительность труда исследователей и разработчиков аппаратуры: разработано программное обеспечение для имитационного моделирования на ЭВМ канала 3-В, разработаны алгоритмы расчета и оптимизации параметров основных систем канала 3-В, определены требования к характеристикам отдельных звеньев канала 3-В. Расчеты, выполненные с привлечением разработанных методов, были использованы при проектировании современных профессиональных видеомагнитофонов (ВМ). Теоретические исследования позволили получить ряд оригинальных технических решений, новизна которых подтверждается авторскими свидетельствами СССР. Разработанные и внедренные в серийно выпускаемых ВМ системы адаптивной коррекции воспроизводимых сигналов, ЧМ модемы, усилители воспроизведения и другие устройства позволяют повысить качественные показатели ЕЛ, расширить их функциональные возможности, снизить эксплуатационные расхода.
Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований использованы при разработке отечественных профессиональных видеомагнитофонов "Кадр-ЗПМ", "Кадр-5", "Кадр-ЮЗСЦ", которые в настоящее время широко применяются в телевизионном вещании, а также создаваемого во ВНИИТР и ВВЖГ цифрового профессионального видеомагнитофона. Алгоритмы цифрового моделирования канала 3-В и оптимизации его параметров реализованы в виде пакета прикладных программ и используются в практических разработках ВНИИТР. Методика настройки видеомагнитофонов с пршденением измерительных лент исполь зуегся техническими службами центрального телевидения и практически всех телецентров страны /более 100/. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях Министерства общего машиностроения, Министерства промышленности средств связи, Министерства электронной промышленности, а также использованы в учебном процессе кафедры "Техники телевидения" Всесоюзного института повышения квалификации работников телевидения и радиовещания.
Реальный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 900 тыс.рублей в год.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных симпозиумах "Проблемы магнитной записи" (г.Дрезден, 1979 г.) и "Интеркамера-89" (г.Прага, 1989 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях ВЫТОРЭС им.А.С.Попова (г.Москва, 1975-1977 гг., 1938 г., 1990 г.), на научно-техническом семинаре "Следящие устройства в радиоприемниках" секции радиотехники "ВНТОРЭС юл.Л.С.Попова (г.Москва, 1976 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "дальнейшее развитие и совершенствование телевидения в СССР" (г.Ленинград, 1974 г.), на Всесоюзной межотраслевой конференции "Основные вопросы техники магнитной записи" (г.Вильнюс, 1984 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях "Совершенствование технической базы, органи-
зации и планирования телевидения и радиовещания" (г.Москва, 1904г., 1907 г., 1990 г.), на научно-технических конференциях ЛПЗІТР (1972-1982 гг.) и других конференциях и семинарах.
Публикации. По материалам исследований, связанных с темой диссертации автором опубликовано более 70 печатных трудов, основные из которых названы в конце автореферата. Б их числе монографии, статьи в центральных изданиях, доклады на научно-технических конференциях, 10 авторских свидетельств СССР на изобретения и др.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения /267 страниц машинописного текста и 70 страниц с рисунками/, списка литературы /152 наименования, 13 страниц/ и приложений /30 страниц/.
