Проектирование информационно-измерительных систем сканеров с микрофильма

Актуальность темы

В современном мире документированная информация имеет важное значение для всех структур общества, начиная от межгосударственных организаций, и кончая мелкими коммерческими фирмами, семьями и отдельными гражданами. Сама документальная информация неотделима от ее носителя, который, являясь материальным образованием, имеет ограниченный срок службы именно как носитель информации. Указанный срок существенно сокращается при воздействии на носитель в форс-мажорных обстоятельствах: при военных конфликтах, чрезвычайных ситуациях, вызванных пожарами, техногенными авариями, природными катастрофами, террористическими актами и т. п. Частичная или полная утрата документов, их несанкционированное изменение, в свою очередь, приводит к невосполнимым потерям, как материальным, так и юридического характера.

Одним из наиболее древних способов документирования является занесение информации на бумагу. Однако, хранение значительных массивов данных на бумажных носителях нецелесообразно вследствие значительных затрат на аренду и содержание площадей, а также на энергоресурсы, затрачиваемые на поддержание устойчивых климатических условий, обеспечивающих длительное хранение бумаги.

Распространенный в последнее время способ хранения информации в закодированном виде на электронных носителях также вряд ли целесообразен по следующим причинам: низкий срок гарантированного хранения информации на большинстве типов электронных носителей (для магнитных носителей срок хранения не превышает года, для CD-ROM — нескольких лет) — необходимость поддержания жестких климатических условий в течение всего срока хранения микрофильма, а также проведения регламентных работ по поддержанию информационного массива в актуальном состоянии путем периодической перезаписи и верификации перезаписанной информациинеобходимость использования аппаратно-программных комплексов обеспечивающих управление считыванием информации и преобразование ее к виду, удобному для восприятия человеком-операторомнеобходимость расходования энергетических и/или материальных ресурсов при доступе к информациинеобходимость хранения аппаратно-программных средств, в течение всего срока хранения информациисуществование опасности несанкционированного изменения содержания документа, факт которого впоследствии невозможно обнаружить.

Промежуточное положение между бумажными и электронными носителями информации занимают микрофильмы, представляющие собой фотопленку с изображением документа. Микрофильм, как носитель информации обладает следующими достоинствами [53]: для хранения микрофильма не требуется таких значительных площадей, как для хранения бумажных носителейклиматические условия при хранении микрофильмов могут быть менее жесткими, чем при хранении бумаги и гораздо менее жесткими, чем при хранении электронных носителейдля нанесения информации на микрофильм не требуется сложного оборудования, информация может быть нанесена как путем прямого микрофильмирования документов на бумажных носителях, так и путем генерации с помощью программных средств ЭВМ с последующий регистрацией через СОМ-системы (Computer Output Microfilm) — геометрические размеры и оптические свойства микрофильма жестко регламентированы, что делает возможным применение его в качестве носителя в автоматизированных информационно-поисковых системах и сближает с электронными носителямидлительный гарантированный срок хранения, в течении которого микрофильм не требует перерегистрации информации, что позволяет хранить в неизмененном виде микрофильмы т.н. первого поколения (микрофильмированные копии оригиналов документов) — в процессе хранения информации в нее не могут быть внесены несанкционированные изменения, которые впоследствии невозможно обнаружить, что делает возможным юридическое закрепление за микрофильмом статуса подлинникапри использовании микрофильма не требуется параллельного хранения специализированных технических средств доступа и соответствующего программного обеспечения, доступ к информации может быть осуществлен с помощью любого имеющегося оборудования по доступу к изображениям, в частности в форс-мажорных обстоятельствах изображение может быть просмотрено с помощью читального аппарата упрощенной конструкции.

Перечисленные достоинства микрофильма обусловили создание в соответствии с рядом постановлений Правительства Российской Федерации Страхового Фонда Документации (СФД), представляющего собой массив специально изготовленных на микрофильмах страховых копий важнейших для государственных нужд документов. Это создает необходимые условия для создания информационно-поисковых систем для широкого доступа к микрофильмированной информации, в том числе и дистанционного.

Основным элементом при аналого-цифровом микрофильмировании является CIM-система (Computer Input Microfilm), осуществляющая сканирование микрофильма, измерение его оптических параметров, перевод результатов измерения в последовательность цифровых кодов и ввод в ЭВМ. Указанный процесс называется аналого-цифровым микрофильмированием. В настоящее время существует проблема, заключающаяся в отсутствия достаточно простого и надежного технического средства доступа ЭВМ к микрофильмам. Таким образом наличие потребности в создании СФД с высокой степенью автоматизации технологических процессов и отсутствие простых и надежных сканеров CIM-систем делают задачу проведения исследований по разработке методов их проектирования весьма актуальной.

Объектом исследования диссертационной работы является сканер CIM-системы, осуществляющий измерение оптических параметров микрофильма, перевод результатов измерения в цифровую форму и ввод данных в ЭВМ, и формирующий таким образом интерфейс между массивами микрофильмированной информации в СФД и современными программно-техническими средствами обработки изображений.

Предметом исследования диссертационной работы являются характеристики CIM-систем, как средства для измерения оптических параметров микрофильма, обеспечивающие их устойчивое функционирование в составе автоматизированных средств доступа к микрофильмированной информации.

Общими вопросами теории создания систем репрографии занимались отечественные ученые Р. Н. Иванов, А. А. Слуцкин, А. К. Талалаев. Проблемами проектирования оптоэлектронных преобразователей изображений занимались отечественные ученые Л. П. Ярославский, Г. П. Катыс, Ф. П. Пресс, и зарубежные ученые У. Прэтт, А. Папулис, Т. Джеймс. В известных работах по предмету исследования показано, что необходимым при разработке сканеров автоматизированных систем является этап расчета параметров элементов оптоэлектронных преобразователей, обеспечивающих общие заданные характеристики сканера.

Ниже предлагается общий подхода к расчету который опирается на аналитические методы математического моделирования оптоэлектронных систем и процессов в них. Для этого используются теория оптических систем, теория случайных процессов, теория формирования и обработки изображений.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов синтеза сканеров CIM-систем на основании построения их сквозных частотных характеристики.

Задачи исследований.

1. На основании исследования общего принципа формирования изображений на микрофильмах разработка математической модели формирования изображений, связывающей статистические характеристики микрокристаллов серебра с оптическими параметрами микрофильма.

2. Определение параметров шума пространственного сигнала, хранимого на микрофильме, по статистическим характеристиками информационного слоя.

3. Исследование информационных характеристик микрофильма и установление связи информационных характеристик с параметрами информационного слоя и сканера.

4. Разработка комплекса математических моделей компонентов сканера CIM-системы, производящих преобразование сигнала с микрофильма, включающего модели: пространственного модулятора оптического потока на основании микрофильма и осветителя, объектива, оптоэлектронного преобразователя, усилителя и аналого-цифрового преобразователяопределение для каждого вида преобразований сигнала характера и величины искажений, влияющих на общие характеристики сканера.

5. Разработка метода проектирования сканеров CIM-систем на основании учета и оптимизации сквозных информационных характеристик в системе.

6. Проверка методов на экспериментальном программно-аппаратном комплексе.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Разработана математическая модель формирования изображений на микрофильме, связывающая статистические характеристики микрокристаллов серебра с оптическими параметрами микрофильма.

2. Произведена оценка параметров шума пространственного сигнала, считываемого с микрофильма, показано, что параметры шума зависят от статических характеристик информационного слоя микрофильма.

3. Определен ряд зависимостей, связывающих информационные характеристики микрофильма, в частности его информационную емкость, с параметрами информационного слоя.

4. Разработан комплекс математических моделей компонентов сканера CIM-системы, включающий модели: пространственного модулятора оптического потока на основании микрофильма и осветителя, объектива, оптоэлектронного преобразователя, усилителя и аналого-цифрового преобразователяопределение для каждого вида преобразований сигнала характера и величины искажений, влияющих на общие характеристики сканера. жений, влияющих на общие характеристики сканера.

5. Разработан подход к проектирования сканеров CIM-систем на основании учета и оптимизации сквозных информационных характеристик в системе.

Практическая ценность работы заключается в том, что методы разработки сканеров с повышенными эксплуатационными характеристиками ориентированы на использование при проектировании как вновь разрабатываемых, так и модернизации существующих CIM-систем, что позволяет повысить их качество при сокращении сроков разработки.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением аналитических моделей оптических систем и опто-электронного преобразователя, а также экспериментальными исследованиями характеристик элементов сканера на аппаратно-программном комплексе.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель формирования изображений на микрофильме, связывающая статистические характеристики микрокристаллов серебра с оптическими параметрами микрофильма.

2. Модели, связывающие информационные характеристики микрофильма и параметры шума пространственного сигнала, считываемого с микрофильма, со статическими характеристиками информационного слоя микрофильма.

3. Комплекс математических моделей компонентов сканера CIM-системы, описывающий искажения пространственного сигнала, влияющие на качество считывания информации.

4. Метод оптимального проектирования сканера, основанный на оценке сквозных характеристик информационных потерь при считывании информации.

Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения нижеследующих НИОКР ФГУП РФ «НИИ Репрографии» :

1) Договор № 711 400 202 006 от 04.03.02. Этап 3. Создание и ввод в эксплуатацию в ФГУП «НИИ Репрографии» аналого-цифровой технологической системы микрофильмирования и воспроизведения в СФД, документации, содержащей полноцветные изображения.

2) Договор № 711 400 202 006 от 04.03.02. Этап 4.1. Проведение комплексных работ по оценке качества и сохранности микрофильмов СФД.

3) Договор № 711 400 202 028 от 20.03.03. Этап 5. Проведение комплекса работ по технологической подготовке и вводу в эксплуатацию межотраслевой специализированной лаборатории микрофильмирования СФД на основе передовых гибридных микрографических и компьютерных технологий.

Результаты внедрены в учебный процесс на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» при преподавании следующих дисциплин: «Системный анализ и принятие решений», «Основы информационных устройств роботов», «Основы технического зрения и цифровой обработки изображений».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.

1. 7-я научно-техническая конференция «Проблемы специального машиностроения». — Тула, Тульский государственный университет, 2003.

2. XXII Научная сессия, посвященная Дню радио. — Тула, Тульский государственный университет, 2004.

3. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2002, 2003 и 2004 гг.

По теме диссертации опубликовано 12 работ, включенных в список литературы, в том числе: 5 тезисов докладов на всероссийских конференциях, 7 статей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 174 страницах машинописного текста и включающих 59 рисунков и 6 таблиц, двух приложений на трех страницах и списка использованной литературы из 148 наименований.

4.4. Выводы.

1. Разработан экспериментальный образец сканера CIM-системы, ориентированный на применения в страхфонде документации в качестве средства автоматизированного доступа к микрофильмированной информации.

2. Экспериментально исследованы технические характеристики сканера, в частности, частотно-контрастная характеристикапоказано совпадение теоретически рассчитанной амплитудной частотно-контрастной характеристики с аналогичными характеристиками экспериментального образца.

3. Исследованы свойства факсимильных цифровых моделей изображения, образованных путем сканирования изображений текстовых документов (полиграфических и машинописных) и чертежно-графических документов (с высокой и низкой плотностью расположения линий.

4. Показано влияние частотно-контрастной характеристики сканера на возникновение ошибок порогового разделение сигнала при двухградационном представлении ФЦМИ.

5. Разработано программное обеспечение для имитационного моделирования сканеров при аналого-цифровом микрофильмировании, включающее средства формирования эталонных изображений и их преобразований. Сделано заключение, что имитационное моделирование может производиться путем подбора фильтров для коррекции пространственных сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные в диссертации исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. В существующей социально-экономической обстановке целесообразно создание страховых фондов информации, которые могут быть использованы крупными, средними и мелкими предприятиями для хранения документов, с возможностью оперативного доступа к ним как путем доставки твердых копий документов, так и путем пересылки их электронных образов.

2. Математическая модель формирования изображения на микрофильме может быть построена на основании анализа функции поглощения множества микрокристаллов серебра с детерминированными и случайными геометрическими размерами и пуассоновским характером распределения по площади кадра микрофильма. Это происходит вследствие доказанного утверждения о том, что смещение микрокристалла серебра относительно геометрического центра системы наблюдения не изменяет амплитудной составляющей спектра, и как следствие этого, применимости принципа суперпозиции при исследовании информационных характеристик микрофильма.

3. Получены выражения для корреляционной функции и спектральной плотности пространственного шума, формируемого при сканировании микрофильма CIM-системой с заданными размерами проекции апертуры сканера на информационный слой микрофильма.

4. Сформулировано понятие информационной емкости микрофильма, оценено предельное верхнее значение информационной емкости для случаев постоянных и случайных размеров микрокристаллов серебра, получено выражение для реальных значений информационной емкости, определяемой разрешающей способностью по уровню реальных систем наблюдения изображений: человека-оператора и CIM-системы.

5. Исследована информационная емкость штриховых изображений, формируемых при микрофильмировании чертежно-графических и текстовых документов, показано, что она существенно ниже информационной емкости полутоновых изображений, что может быть использовано при конструировании сканеров с микрофильмаопределены принципы порогового разделения, уменьшающие потери информации при считывании, показано влияние износа микрофильма на положение порога разделения «штрихов» и «фона» при сканировании.

6. Построена общая функциональная схема сканера CIM-системы, показано, что сигнал с микрофильма последовательно преобразуется рядом физических элементов (блоков), каждый из которых вносит свои искажения в информацию, хранимую на микрофильме и предназначенную для ввода в ЭВМ при аналого-цифровом микрофильмировании.

7. На основании анализа функциональной схемы сканера CIM-системы показано, что основные потери информации заключаются в пространственных частотных искажениях, вносимых оптическими (включая сам микрофильм), оп-тоэлектронными и электронными блоками, а также в амплитудных нелинейных искажениях, вносимых на этапе дискретизации сигнала.

8. Оценены информационные потери, возникающие вследствие износа поверхности микрофильма и нелинейных преобразований сигнала в аналого-цифровом преобразователе.

9. На основании физических процессов в компонентах сканера CIM-системы построены математические модели осветителя, объектива, оптоэлектронно-го преобразователя, усилителя и аналого-цифрового преобразователяполучено выражение для сквозной пространственно-частотной характеристики сканера, используемое при проектировании сканеров и достижения их оптимальных параметров за счет перераспределения информационных потерь между узлами и блоками сканера при последовательном прохождении сигнала.

10. Разработана установка для экспериментальной отработки процесса сканирования микрофильма при создании сканеров CIM-системисследовано экспериментально влияние частотно-контрастной характеристики на информационные свойства факсимильной цифровой модели изображения.

11. Разработано программное обеспечение для имитационного моделирования сканеров при аналого-цифровом микрофильмировании, включающее средства формирования эталонных изображений и их преобразований. Сделано заключение, что имитационное моделирование может производиться путем подбора фильтров для коррекции пространственных сигналов.

12. Результаты исследований внедрены в НИИ репрографии с техническим эффектом, заключающимся в улучшении качества и сокращении сроков разработки сканеров CIM-систем, ориентированных на использование в страхфонде документации на микрофильмах.