Материал: Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем

Рис. 1. Конструкция ЖК панели

Панель содержит две плоскопараллельные подложки из прозрачного материала (обычно стекла толщиной около 1 мм), расположенные одна относительно другой с фиксированным зазором, в который введен ЖК материал. На внутренних сторонах подложек нанесены электроды адресации в виде определенного рисунка. В качестве прозрачного проводящего слоя электродов используют пленку оксида индия. Слои ориентирующих покрытий, нанесенные на электроды адресации, предназначены для задания определенной ориентации ЖК молекул в рабочем материале. Зазор между подложками задают калиброванные шарообразные или цилиндрические распорные элементы (спейсеры), диаметр которых может быть в пределах 3...25 мкм. После сборки (склеивания) панель герметизируют по всему периметру, причем слой герметика также имеет спейсеры. На внешние стороны подложек наклеены поляроиды с определенной ориентацией плоскости поляризации. Световой поток сначала проходит через верхний поляризационный фильтр. При этом его половина, не имеющая азимутальной поляризации, теряется. Остальная часть уже поляризованного света, проходя через слои ЖК материала, поворачивает плоскость поляризации на 90°. В результате ориентация плоскости поляризации светового потока будет совпадать с плоскостью поляризации нижнего фильтра, поток будет проходить через него практически без потерь. Если ЖК вещество поместить в электрическое поле, подав на электроды адресации напряжение, проходящий через ЖК материал световой поток не изменяет плоскость поляризации и почти полностью поглощается нижним поляризационным фильтром. Следовательно, ЖК вещество имеет два оптических состояния: прозрачное и непрозрачное. Отношение коэффициентов пропускания в обоих состояниях определяет контрастность изображения. Для обеспечения управления оптическим состоянием ячеек-пикселов (элементов изображения) панели требуется сформировать такие напряжения на электродах адресации, чтобы состояние каждого пиксела изменялось без изменения состояния других. Исходя из этого, топология электродов адресации ЖК панели 88рограмм88яяет собой матрицу, образованную системой строчных и столбцовых электродов, расположенных конструктивно на двух параллельных прозрачных подложках. Элементы (пикселы) телевизионного изображения в ЖК панели образуются на пересечении строчных и столбцовых электродов. Для реализации управления большим числом элементов изображения (а в телевизорах это практически всегда так) применяют мультиплексирование сигналов. Различают два способа адресации в ЖК панелях: пассивный и активный. При пассивной адресации используют временное мультиплексирование строк без применения каких-нибудь ключевых элементов. Недостатками такого способа можно назвать низкий коэффициент мультиплексирования при малой контрастности, сильное проявление кросс-эффекта и сложная система формирования управляющих сигналов. При активной адресации для каждого пиксела на пересечении строки и столбца создают ключевой элемент. Такие элементы позволяют использовать более низкий коэффициент мультиплексирования. Контрастность изображения при этом получается значительно выше. Для создания светового потока в ЖК панелях применяют устройство задней подсветки, которое содержит источник излучения, светораспределители (световоды) и один или два отражателя.

Другой альтернативой кинескопам явились плазменные панели — PDP-панели (Plasma Display Panel). Плазменная панель представляет собой герметизированный пакет (рис. 2), состоящий из двух близкорасположенных стеклянных листов (переднего и заднего), между которыми находится большое число объемных полостей — микроскопических ячеек, заполненных инертным газом (смесью ксенона и аргона или ксенона и неона)[2]. На внутренние поверхности ячеек нанесены специальные пигментирующие вещества — люминофоры трех основных цветов: красного ®, зеленого (G) и синего (В) Каждая цветная точка экрана (пиксел) состоит из трех упомянутых ячеек (так называемых субпикселов), светящихся только одним цветом.

Рис. 2. Герметизированный пакет плазменной панели

Снаружи ячеек (субпикселов) точно напротив них расположены токопроводящие электроды: по одному перед задним стеклом — адресации (данных) и по два прозрачных за передним стеклом — разрядные (дисплейные: электрод поддержания разряда и сканирующий электрод).

Когда между электродами подано напряжение, в ячейках возникает электрическое поле, ионизирующее газ. В результате разряда в газовой среде образуется плазма, которая излучает энергию ультрафиолетового диапазона. Люминофор каждой ячейки поглощает невидимое человеком ультрафиолетовое излучение и испускает фотоны видимого света. Для увеличения контрастности панели на нижнюю поверхность изолирующего покрытия со стороны ячеек нанесена затемняющая пленка окиси магния. Черные разделительные перегородки (ребра), расположенные между ячейками, предотвращают паразитное засвечивание люминофоров соседних «невозбужденных» ячеек при разряде в «возбужденной» ячейке.

Электроды адресации (данных) и разрядные (дисплейные) электроды образуют ортогональную решетку. Электроды соединены специальными гибкими шлейфами с узлами управления адресацией (данными), сканированием и поддержанием разряда. Для регулировки яркости используют метод широтно-импульсной модуляции, который заключается в изменении соотношения длительности включенного (разряд есть) и длительности выключенного (разряда нет) состояний ячейки.

Для формирования растра в плазменной панели каждое телевизионное поле (20 мс) разбивают на восемь частей различной длительности, называемых субполями — SF (Sub Fields)[3]. Все субполя состоят из двух временных интервалов: адресации и поддержания разряда. Интервалы адресации одинаковы для всех субполей, а интервалы поддержания разряда имеют длительность, возрастающую вдвое каждый раз с увеличением номера субполя.

В заключении хотелось бы отметить основные достоинства и недостатки PDP- и LCD-дисплеев. Несмотря на то, что плазменные панели имеют несколько недостатков: высокое энергопотребление, относительно небольшой срок эксплуатации, высокая цена,- они лишены недостатков присущих ЖК-дисплеям. Плазменные панели стойки к электромагнитным полям, не имеют «мертвых» точек, обладают наибольшим углом видимости, имеют малое время отклика. Однако LCD-дисплеи имеют невысокое энергопотребление, стоимость постепенно снижается по мере использования новых технологий для производства данных дисплеев, решения проблемы устранения других недостатков PDP- и LCD-дисплеев так же находятся на стадии разработок. Но плазменные и жидкокристаллические панели обладают рядом достоинств, среди которых отсутствие проблем со сведением лучей, мерцанием изображения, с геометрией экрана, с фокусировкой. Кроме того, они гораздо безопаснее кинескопных телевизоров, не создают вредных магнитных и электрических полей, плазменные и ЖК панели исключительно универсальны, «картинка» по своему характеру очень напоминает изображение в «настоящем» кинотеатр, при солидном экране PDP- и LCD-дисплеи имеют 90рограчительно компактные размеры и габариты, и, наконец, они чрезвычайно надежны.

Литература

1. Пескин А. Телевизоры на ЖК панелях. Радио, 2003, № 3—5, 7—9.

2. Пескин А. Плазменные панели. – Радио, 2004, № 8-12.

3. Мухин И.А. Принципы вывода изображения на плазменную панель. Телемультимедиа, 2003. № 9. С. 29—31.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621

В.А. Шуваев

Методы конструктивно-теплового синтеза при проектировании рэс

В статье рассматриваются методы конструктивно-теплового синтеза при проектировании РЭС, направленные на повышение надежности разрабатываемых устройств

Широко используемый подход к организации теплового проектирования (ТП) РЭС предусматривает проведение процедур моделирования и обеспечения теплового режима (ТР) в основном на этапе конструкторско-топологического проектирования, начиная с решения задачи размещения при разработке топологии, затем при конструировании плат, подложек, блоков, устройств и комплексов РЭС в целом [1-5]. При этом анализ тепловых характеристик, как правило, осуществляется после решения какой-либо задачи конструктивного синтеза, если же результаты моделирования неудовлетворительны, происходит изменение конструкции. Проведенный анализ показывает, что такая структура процесса ТП не охватывает все необходимые этапы, на которых требуется учитывать тепловые воздействия и ограничения, а также не позволяет осуществить комплексное исследование и оптимизацию тепловых характеристик создаваемых РЭС. Следовательно, для снижения временных затрат и уменьшения итерационности процесса проектирования необходимо решать вопросы обеспечения ТР уже на этапах, относящихся к функциональному аспекту, а при конструировании

На основе анализа существующих методов и средств моделирования и обеспечения тепловых режимов (ТР), а также требований, предъявляемых к ним в рамках современных САПР, с учетом выявленных особенностей РЭС выявлены основные направления повышения эффективности автоматизированного ТП, среди которых ведущее место в процессе конструкторского проектирования РЭС занимают следующие:

создание комплексной тепловой модели МЭУ и соответствующего множества математических моделей, позволяющих проводить автоматизированную адаптацию к конкретным конструкциям, а также обеспечивающих построение и использование универсальных алгоритмов моделирования температурных полей на всех этапах теплового проектирования РЭС;

разработка методов конструктивно-теплового синтеза, направленных на получение конструкций РЭС с оптимальными (или заданными) тепловыми характеристиками путем учета температурных воздействий на этапах схемотехнического и конструкторского проектирования (выбор способа охлаждения; параметрический синтез системы охлаждения; отработка топологии по тепловым 93рогрриям).

Выполнение рассмотренных рекомендаций требует наличия в составе комплекса ТП трех типов проектных процедур: анализа, синтеза и вспомогательных, обеспечивающих выполнение первых.

Процедуры анализа температурных полей являются основой построения подсистемы ТП, они позволяют проводить верификацию проектных решений, прогнозировать надежность, а также используются для решения задачи обеспечения и оптимизации ТР.

Процедуры конструктивно-теплового синтеза предназначены для решения оптимизационных задач, т.е. получения вариантов конструкций, наилучших по тепловым критериям, путем получения конструктивных и теплофизических параметров конструкций (габаритов, применяемых материалов, типа корпуса, способа монтажа навесных компонентов, вида охлаждения и параметров теплоотводящих устройств, топологии), обеспечивающих заданные или экстремальные тепловые характеристики устройств в процессе многоэтапной оптимизации по множеству тепловых критериев.

Для температурных полей справедлив принцип суперпозиции, поэтому перегревы обладают свойством аддитивности, следовательно, в общем виде весь процесс глобальной оптимизации ТР может быть реализован в виде решения последовательности N частных задач, которые в общем случае направлены на достижение максимального снижения перегревов для данного МЭУ, т.е. разницы между исходным _о и конечным _N их значениями

,

что требует формирования на каждом этапе соответствующих 93рогрвых функций на базе конкретных тепловых критериев, выбранных с точки зрения наилучшего соответствия решаемой задаче оптимизации ТР. Тогда основной целью процесса оптимального ТП является решение задач оптимизации тепловых характеристик разрабатываемых конструкций РЭС, что и обеспечивает предлагаемый подход.

Следовательно, для снижения временных затрат и уменьшения итерационности процесса проектирования необходимо решать вопросы обеспечения ТР на всех этапах проектирования, а при создании и отработке конструкции использовать интегрированные процедуры конструктивно-теплового синтеза. Для организации такого процесса необходимо осуществить интеграцию средств моделирования, обеспечения и оптимизации тепловых характеристик и средств разработки конструкций РЭС на основе современной концепций параллельного проектирования.

Литература

1. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. 312 с.

2. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высш. шк., 1984. 247 с.

3. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. М.: Высш. шк., 1990. 335 с.

4. Конструирование РЭС / В.Б. Пестряков, Г.Я. Аболтинь-Аболинь, Б.Г. Гаврилов, В.В. Шерстнев; Под ред. В.Б. Пестрякова. М.: Радио и связь, 1992. 432 с.

5. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования / Под ред. Р.Г. Варламова. М.: Сов. радио, 1980. 480 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 618.3

С.В. Хохленкова, Л.Н. Никитин

Форматы сжатия ВИДЕО семейства MPEG

Эффективность применения форматов сжатия семейства MPEG обусловлена тем, что данные алгоритмы основаны на использовании высокой избыточности информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени

В связи с переходом к цифровому телевидению появилась необходимость решать более сложные задачи передачи телевизионного сигнала, в том числе передавать меньший объём информации, сохраняя высокое качество изображения и ограничивая влияние посторонних сигналов. Поэтому на первый план выходит проблема сжатия видеоинформации с последующим восстановлением исходного сигнала. Исходя из этого, целесообразным было бы рассмотреть основные алгоритмы сжатия видео.

Ниже будут рассмотрены наиболее перспективные форматы сжатия – форматы сжатия семейства MPEG (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, MPEG 7). Эти алгоритмы используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени. Между двумя соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены – например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется выборочно – только для опорных изображений. Для остальных кадров достаточно передавать разностную информацию: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона, открывающихся за объектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ранее скрытая часть фона).

Форматы сжатия семейства MPEG [1] сокращают объем информации следующим образом: устраняется временная избыточность видео (учитывается только разностная информация); 95рограммется пространственная избыточность изображений путем подавления мелких деталей сцены; устраняется часть информации о цветности; повышается информационная плотность результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания.

Форматы сжатия MPEG сжимают только опорные кадры – I-кадры (Intra frame – внутренний кадр). В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними I-кадрами – P-кадры (Predicted frame – прогнозируемый кадр). Для того чтобы сократить потери информации между I-кадром и P-кадром, вводятся так называемые B-кадры (Bidirectional frame – двунаправленный кадр). В них содержится информация, которая берется из предшествующего и последующего кадров. При кодировании в форматах сжатия MPEG формируется цепочка кадров разных типов.

В качестве начального шага обработки изображения форматы сжатия MPEG 1 и MPEG 2 разбивают опорные кадры на несколько равных блоков, над которыми затем производится дискетное косинусное преобразование (DCT)[2]. По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает лучшее разрешение изображения при более высокой скорости передачи видео данных за счет использования новых алгоритмов сжатия и удаления избыточной информации, а также кодирования выходного потока данных. Также формат сжатия MPEG 2 дает возможность выбора уровня сжатия за счет точности квантования. Для видео с разрешением 352х288 пикселей формат сжатия MPEG 1 обеспечивает скорость передачи 1,2 – 3 Мбит/с, а MPEG 2 – до 4 Мбит/с.

Формат сжатия MPEG 2 обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке, в формате MPEG 2 точность векторов движения увеличена до ½ пикселя, кроме того, пользователь может выбрать произвольную точность дискретного косинусного преобразования.

Формат сжатия MPEG 7 описывает информацию, представленную в любой форме (в том числе в аналоговой) и не зависит от среды передачи данных. Как и его предшественники, формат сжатия MPEG 7 генерирует масштабируемую информацию в рамках одного описания.

Формат сжатия MPEG 7 использует многоуровневую структуру описания аудио и видео информации. На высшем уровне прописываются свойства файла, такие как название, имя создателя, дата создания и т.д. На следующем уровне описания формат сжатия MPEG 7 указывает особенности сжимаемой аудио или видео информации – цвет, текстура, тон или скорость. Одной из отличительных особенностей MPEG 7 является его способность к определению типа сжимаемой информации.

Однако наиболее совершенным и удобным для использования является формат MPEG 4. В соответствии с приказом Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации № 39 от 22 марта 2007 г. «Об утверждении Правил применения цифровых систем передачи телевизионного и звукового вещания» преобразование электрического сигнала изображения и электрических сигналов звукового сопровождения в цифровую форму должно производиться по стандарту MPEG-4.

Формат сжатия MPEG 4 использует технологию так называемого фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов [3]. Контуры представляются в виде т.н. сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования (например, дискретного косинусного или вейвлет-преобразования).

Диапазон скоростей передачи данных, который поддерживает формат сжатия видео изображений MPEG 4, гораздо шире, чем в MPEG 1 и MPEG 2. Формат сжатия видео изображений MPEG 4 поддерживает широкий набор стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG 4  включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и скорости передачи данных в диапазоне от 5 кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия, качество и эффективность которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных.

Формат MPEG 4 является наиболее полным и усовершенствованным вариантом алгоритмов семейства MPEG. Он представляет собой улучшенный вариант предшествующих форматов сжатия изображения, одновременно с этим используется в качестве основы для разработок следующего поколения алгоритмов сжатия информации.

Литература

1. Ватолин Д.С. Сжатие статических изображений. Открытые системы сегодня. № 8 (29). Апрель 1995.

2. Яблонский С.В. Введение в дискретную математику. М.: Наука, 1986. Раздел “Теория кодирования”. 192 с.

3. Fisher Y. Fractal image compression. SigGraph-92.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3

Д.А. Кабанов

АНАЛИЗ УГРОЗ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

КРИТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Производится анализ угроз специфичных для автоматизированных систем управления критического применения, на основании приведенного анализа делается вывод о совершенствовании построения системы информационной безопасности в АСК

Все угрозы безопасности информации можно классифицировать по следующим признакам рис. 1: по цели воздействия; по характеру воздействия и по способу возникновения.

Рис. 1. Классификация угроз безопасности информации