Інформаційна модель і формування її елементів

У будь-яких засобах відображення інформація представляється інформаційною моделлю (ІМ) — організованою відповідно до певної системи правил відображенням станів об'єкту управління, зовнішнього середовища і способів дії на них.Представлення фізичного стану однієї системи фізичним станом іншої називається кодуванням. У ІМ в закодованій формі представляється суть реальних процесів, явищ, об'єктів. Оскільки інформаційна модель відображає тільки найістотніші для даної мети управління параметри об'єкту, то один і той же об'єкт можна представити різними моделями.

Кодування інформації в ІМ здійснюється за допомогою елементів інформаційної моделі (ЕІМ), в якості яких використовуються букви, умовні знаки (символи), геометричні фігури, лінії, крапки тощо. Набір використовуваних елементів ІМ складає алфавіт інформаційної моделі. Число елементів, утворюючих алфавіт, називають основою коду алфавіту N_{a .} До складу алфавіту можуть включатися і такі признаки ЕІМ, як колір, градації яскравості, розмір, орієнтація і ін.

Частина простору, в межах якого відбувається формування інформаційної моделі, називається інформаційним полем (ІП).

Відношення ширини інформаційного поля В до його висоти Н називається форматом інформаційного поля k_ф,:

k_ф=B/H. (2.1)

 

По використовуваному алфавіту виділяють наступні основні типи інформаційних моделей: буквено-цифрові, графічні, півтонові, комбіновані.

У буквено-цифрових моделях в якості ЕІМ використовуються букви, цифри, умовні знаки (символи), а властивості об'єкту, що відображається, або процесу представляються у вигляді буквеного тексту, цифрової комбінації, формул, таблиць. При побудові буквено-цифрової ІМ все інформаційне поле розбивається на окремі знакомісця.

Частина інформаційного поля, що необхідна і достатня для зображення одного знаку у вигляді букви, цифри, символу, називається знакомісцем. Для відображення буквено-цифрової інформації рекомендується витримувати наступні співвідношення між шириною знакомісця b_з, його висотою h_з, проміжком між знаками в рядку b_п і проміжками між текстовими рядками h_п (рис 1.1):

b_з= (2/3…4/5)h₃;

b_п=(0,3…0,6)b₃. (2.2)

 

Множина елементів інформаційної моделі утворюється з множини елементів відображення

Найпростіший елемент інформаційної моделі, який може бути реалізований вибраним типом індикатора, називається елементом відображення (ЕВ). ЕВ характеризується формою, геометричними розмірами, яскравістю, часом після свічення, кольором то що. Елементами відображення можуть бути: контури знаків, виконані конструктивно як прості елементи (наприклад, цифри, нанесені на поверхню барабана лічильника електричної енергії, або букви газосвітної реклами); сегменти протяжні конструкції, площа яких обмежена прямими лініями або кривими другого порядку (наприклад, сегменти цифр електронних наручних годинників); точкові елементи (наприклад, точковий елемент інформаційно-довідкових табло аеровокзалів).

Відповідно до використовуваних елементів відображення всі способи формування знаків можна розділити на дві основні групи: 1) знакомоделірующий спосіб характеризується цілісним представленням знаку, при цьому форма елементу відображення співпадає з контуром знаку, наприклад цифри 2 в знакомісці № 2 (рис 2.1); 2) знакосинтезірующий спосіб характеризується тим, що знаки формуються з простіших елементів відображення. У знакомісці № 3 показано синтез цифри 2 з сегментів. Набір сегментів в знакомісці складає деяку узагальнену фігуру—поліграму. З 7 - сегментної поліграми, представленої на рис 2.1, можна синтезувати всі арабські цифри і деякі букви (Н, Р, Е і ін.). Розширення алфавіту досягається за

 

Рис.2.1 – Інформаційне поле із знаками, які сформовані з різноманітних типів елементів відображення

 

 

рахунок збільшення числа сегментів в поліграмі. У знакомісці № 5 показано 18-сегментна поліграма, що дозволяє синтезувати букви українського і латинського алфавітів.

У знакомісці № 4 показаний синтез тієї ж цифри 2 з точкових ЕВ. До точкових елементів відображення відносять такі ЕВ, розміри яких набагато менше розмірів знаків, що синтезуються (hе<<hз; bе<<bз). В межах знакомісця точкові ЕВ утворюють матрицю знаку. Число елементів відображення в матриці знаків вибирають, виходячи з вимоги безпомилкової і швидкої ідентифікації (пізнання) всіх знаків алфавіту. Так, наприклад, матриця 5х7 (5 стовпців і 7 рядків) в знакомісці № 4 (рис, 2.1) є практично мінімально прийнятною для синтезу букв українського і латинського алфавітів і цифр. Для синтезу тільки арабських цифр розмірність матриці можна зменшити до 3х5. Як показали психофізіологічні дослідження при пізнанні символів; синтезованих за допомогою матриці 5х7, можливі помилки. Так, наприклад, часто плутають В і 8; R і S; Q і О і ін. Це робить доцільним використання матриць із збільшеним числом крапок, наприклад 7х9. Подальше збільшення числа цих крапок, наприклад до 9x13, до істотного поліпшення сприйняття не приводить.

У ряді випадків знаки синтезуються з укрупнених елементів, складених з більш простих елементів відображення. Наприклад, на рис 2.1 в знакомісці № 6 показана цифра 2, синтезована з укрупнених елементів (сегментів), складених з точкових ЕВ.

Елементи відображення можуть виконуватися у вигляді окремих конструктивних елементів, наприклад електричної лампи розжарювання, світлодіода, катода газорозрядної лампи, виконаного у формі цифри або сегменту. Такі елементи відображення називаються дискретними ЕВ. У електронно-променевих приладах елементи відображення, що входять в знак, генеруються електронним променем в процесі відтворення зображення. Синтез знаків з одержаних таким чином елементів називають знакогенерірующим способом формування знаків.

Графічні інформаційні моделі (ГІМ) представляють кресленнями, діаграмами, схемами (структурними, функціональними, монтажними) тощо. Основними елементами інформаційної моделі при побудові графічної ІМ є лінії, крапки, двовимірні області. Найбільш універсальними елементами відображення, з яких формуються елементи ГІМ, є точкові ЕВ. Кожен точковий ЕВ, що входить у формовану модель, повинен бути заданий координатами Х_i Y_i, що визначають його положення на інформаційному полі.

На рис 2.2, а показана крива, синтезована з точкових елементів відображення. Синтез з окремих ЕВ приводить до дискретизації зображення. Абсолютне значення похибки дискретизації лежить в межах ±1/2 d_э (d_э - крок квантування, який визначається як відстань між центрами точкового ЕВ). Отже, для зменшення похибки дискретизації необхідно зменшити величину d_э, перш за все розмір самого ЕВ. Око не помічає дискретного характеру зображення, якщо кутовий розмір ЕВ близький до граничного кута, під яким людина розрізняє дві роздільні крапки. Зменшення розмірів ЕВ при збереженні розмірів інформаційного поля приводить до збільшення загального числа ЕВ і відповідно до технічного ускладнення засобів відображення інформації.

Для спрощення графічних засобів відображення інформації (ЗВІ) при синтезі ГІМ часто використовують укрупнені графічні елементи (ГЕ) графеми. Залежно від характеру ГІМ в якості ГЕ можуть бути використані відрізки прямої, дуги різної кривизни, двомірні фігури. Синтез графічної інформаційної моделі за допомогою графем полягає в розбитті ГІМ на окремі фрагменти з подальшим підбором ГЕ, що найбільше точно апроксимує виділений фрагмент. У окремому випадку при використанні в якості графем відрізків прямих одержана ГІМ представлена кусочно-лінійною апроксимацією. Виділення фрагментів ГІМ здійснюється шляхом розбиття інформаційного поля на графічні знакомісця. Переважно положення графічного знакомісця суміщають з положенням буквено-цифрового. В цьому випадку для забезпечення суцільного графічного зображення розміри графічного знакомісця b_зг і h_зг збільшують на величину інтервалу між знакомісцями b_п і між текстовими рядками h_п (b_зг=b_з+b_п; h_зг=h_з+h_n). Суміщення графічних і буквено-цифрових знакомісць дозволяє зберегти загальну структуру ЗВІ для формування двох типів ІМ. Графема часто є укрупненим елементом відображення, що формується з точкових ЕВ. Таким чином, при синтезі ГІМ за допомогою графем виникає похибка апроксимації фрагмента інформаційної моделі графічним елементом в межах знакомісця, а також похибка, пов'язана із спотворенням самої графеми через дискретний характер її формування.

На рис. 2.2, б показано приклад синтезу графіка з відрізків прямих, сформованих з точкових елементів в межах графічних знакомісць. Початок кривої апроксимований прямою, що проходить через діагональ знакомісця № 7. Наступний фрагмент кривої, розташований в знакомісці № 2, апроксимований відрізком прямої, що проходить під кутом 45° до сторін знакомісця і т.д. На рисунку

 

Рис.2.2.Синтез графічної ІМ: а) - з крапкових ЕВ; б)- з графем.

 

наочно показаний характер спотворень графем, обумовлений принципом формування. Для зменшення похибки апроксимації ГІМ використовують принцип змінного формату графічних знакомісць і їх вільного позиціонування, що пов'язане з ускладненням апаратурної реалізації ЗВІ.

Півтонові інформаційні моделі використовують широкий діапазон градацій яскравості, що дозволяє забезпечити наочний, картинний характер форміруємих зображень (фотографії, діапроекції, кіно- і телевізійні зображення).

Комбіновані інформаційні моделі складають з компонентів моделей різних класів.

Принципи формування кольору в інформаційній моделі. Введення кольору в якості одного з ознак елементів відображення може значно поліпшити сприйняття і переробку оператором одержуваної інформації. Три кольори — червоний (R), зелений (G) і синій (В) - є основними, оскільки жоден з них не можна одержати змішенням двох інших. Будь-який інший колір може бути одержаний змішуванням основних в певних пропорціях:

Ф_v =r^¢ R +g^¢ G+b^¢ B (2.3)

Коефіцієнти r ^¢, g ^¢, b ^¢, вказують, в яких кількостях слід змішати випромінювання трьох основних кольорів, щоб одержати потрібний колір, вони називаються координатами кольору.

Спосіб утворення кольору шляхом змішування (сумовування) трьох основних кольорів називається адитивним. Змішування кольорів може здійснюватися трьома основними методами: просторовим, оптичним паралельним і оптичним послідовним. Найбільш поширений просторовий метод (рис 2.3, a), оснований на суцільному сприйнятті різноколірних крапок, смужок і інших фігур. Такі елементи згруповані в тріади, з яких складається інформаційне поле. Одночасне збудження елементів тріади у відповідності до колірного коду забезпечує формування точки кольорового зображення. Очевидно, що інформаційне поле при просторовому змішенні кольорів повинне мати в три рази більше елементів, ніж відповідне інформаційне поле для монохромного зображення. Цей метод використовується в кольорових кінескопах.

Оптичне паралельне змішування кольорів (рис.2.3, б) досягається формуванням зображень трьох основних кольорів UR; UG; UB на проміжних полях і подальшим їх суміщенням за допомогою оптичної системи (ОС) на одному інформаційному полі (ІП).

Оптичне послідовне змішування кольорів (рис 2.3, в) здійснюється послідовною зміною зображень трьох основних кольорів, що формуються на одному інформаційному полі або проектованих на нього. Зміна зображень на екрані повинна відбуватися з такою частотою, щоб завдяки інерційності зору зображення сприймалося як немелькаюче.

 

2.2. Основні фотометричні параметри

 

Створення засобів відображення інформації вимагає обліку психофізіологічних можливостей оператора і перш за все можливостей і особливостей органів зору людини.

Реакція зорового аналізатора людини залежить від енергетичних параметрів і спектрального складу випромінювання. Світлове випромінювання характеризується рядом фотометричних параметрів. Основними з них є світловий потік, сила світла, яскравість, освітленість, контраст яскравості.

Потужність, що переноситься енергією випромінювання, називають світловим потоком Ф _n.. Цей потік виражається в люменах (лм).

Сила світла І _n характеризує просторову густину світлового потоку в даному напрямі і визначається як відношення світлового потоку dФ _n, проходящого усередині малого тілесного кута d w у даному напрямі, до величини цього кута:

I_v=dФ _n/dw. (1.4)

Тілесний кут

d w=dA/r², (1.5)

де dA —площа, що вирізається тілесним кутом з поверхні сфери А; r - радіус цієї сфери. Тілесний кут виражається в стерадіанах (ср).

Рис.2.3.Адитивні способи змішування кольорів: а- просторовий; б- паралельний; в -послідовний

 

Одиниця світлового потоку - люмен (лм) - визначається як світловий потік від точкового джерела в 1 лм усередині тілесного кута в 1 ср.

 

Рис.2.4. Взаємозв’язок між світовим потоком (Ф_v), силою світла (І_v) та освітленістю (Е_v)

 

На рис. 2.4 показано точкове джерело е, що поміщене усередині сфери радіусом r і утворююче рівномірний потік на всіх напрямках. Потік в 1 лм розповсюджується усередині тілесного кута, що вирізає на поверхні сфери ділянку ABCD площею в 1 м^2.

У межі при нескінченному зменшенні dA тілесний кут прагне до прямої, що вказує напрям сили світла і дозволяє розглядати силу світла як векторне значення.

Якщо світловий потік від точкового джерела рівномірний, то сила світла однакова в будь-якому напрямі:

І _n = Ф_n / (4p). (2.6)

Яскравість L_v характеризує випромінювання поверхні, що світиться, площею dA в даному напрямі. Якщо поняття сили світла відноситься тільки до точкового джерела світла, то поняття яскравості застосовується до будь-яких джерел, що мають кінцеві розміри. Чисельно яскравість дорівнює відношенню світлового потоку, що проходить в даному напрямі в межах малого тілесного кута через ділянку поверхні, до добутку величини тілесного кута, площі ділянки і косинуса кута a між даним напрямом і нормаллю до ділянки:

L_v=dФ_n / (dwdA cos а) =I_n/ (dA cos а). (2.7)

Одиницею яскравості є кд/м² - це яскравість поверхні, квадратний метр якої випромінює в напрямі, перпендикулярному цій поверхні, силу світла в 1 кд.

Наводимо яскравості деяких джерел світла в кд/м²:

Екран телевізійної трубки …........ 30—1000

Світлодіоди …................ 10—400

Люмінесцентна лампа …........... 5000—10000

Нитка вакуумної лампи розжарювання …..... 2×10⁶—3×10⁶

Нитка газонаповненої лампи розжарювання ….. 8×10⁶—20×10⁶

Сила світла, яскравість і світловий потік є характеристиками активних (первинних) джерел світла.

Об’єкти, які видно завдяки освітленню світлом первинних джерел, називають пасивними (вторинними) джерелами світла. Їх основною характеристикою є освітленість. Освітленість E_v характеризується світловим потоком, падаючим на одиницю освітлюваної поверхні:

E_v=dФ_v /dA. (2.8)

Світловий потік в 1 лм, рівномірно освітлює площу в 1 м², створює освітленість в 1 лк (люкс).

Так, наприклад, мінімальна освітленість для читання - 20 лк, в кімнаті в ясний літній день - 100 лк, освітленість, що створюється прямим сонячним промінням на відкритій місцевості, - 100000 лк.

Відбита від об'єкту частина потоку характеризується коефіцієнтом відбиття

r_v=Ф_vвід/Ф_v, (2.9)

де Ф_vвід — відбита частина світлового потоку Ф_v.

Поверхню, що відбиває світло, можна розглядати як вторинне джерело світла з світловим потоком Ф_vвід. Яскравість цього джерела

L_vвід=L_v r_v /p. (2.10)

Наведемо значення коефіцієнтів відбиття r_v для деяких поверхонь: сніг, крейда, гіпс - 0,93; білий папір - 0,6…0,8; пісок - 0,25, чорне сукно - 0,01…0,02; чорний оксамит - 0,004…0,01.

Контраст яскравості визначає співвідношення яркостей об'єкту і фону. Розрізняють прямий і зворотний контрасти. Для позитивного зображення (темне зображення на білому фоні) задається прямий контраст яскравості:

k_пр=( L_vф-L_vo) /L_vф, (2.11)

де L_vф і L_vо — яскравості фону і об'єкту. Для негативного (світлого на темному фоні) зображення задається зворотний контраст:

k_зв= (L_vо- L_{v ф}) /L_vо. (2.12)

 

У ряді випадків користуються поняттям контрастності k_к, що представляє відношення яркостей об'єкту (фону) і фону (об'єкту):

k_к=L_vо/L_{v ф} при L_vo>L_{v ф},

k_к=L_vф /L_vо при L_vо < L_{v ф} (2.13)

k_пр(зв) = 1 - 1/k_к. (2.14)