Модели и алгоритмы разработки знакосинтезирующих автоматов для документирования информации в рельефно-точечной форме

Все наши чувства используются для связи с окружающим нас миром, потому что любое впечатление, которое мы получаем, дает нам часть информации относительно нашей среды. Однако большинство связей осуществляется с помощью звука или изображения. Оптический канал может нести самое большое количество информации. Миллионы нервов отправляют символы к нашему мозгу, так, чтобы приблизительно 15 изображений могли быть различимы в одну секунду. Если мы принимаем во внимание, сколько информации может быть в одном изображении, мы поймем, какой большой ввод информации мы получаем через наши глаза.

Акустический канал также хорош, потому что мы можем получить одновременно много шумов и сформировать их в «звуковую картину». Теоретически этот канал может передавать до 20 ООО информационных бит в секунду, но в действительности аналоговые сигналы, воспринимаемые нашими ушами, несут в наш мозг намного меньше информации.

Конечно, невербальная связь может быть также активирована через осязание, но это обычно играет меньшую роль в повседневной жизни. Однако эта схема изменяется, когда одно из наших чувств дефектно и должно быть заменено другими чувствами. Тогда люди должны читать слова по губам, разговаривать с помощью знаков, исследовать формы с помощью рук, или читать пальцами, как это делают слепые.

В настоящее время существует только, сравнительно небогатый выбор книг и несколько периодических изданий изготовленных шрифтом Брайля. Использование данного шрифта важно не только для приема информации (чтения). Очень важный фактор коммуникации — способность писать. Написание сообщений (писем и т. д.) для передачи информации другим людямтолько один незначительный аспект. Это может сделать и слепой человек, использующий пишущую машинку. Намного более важный аспект — это возможность записывать примечания, адреса, заметки и т. д. для собственного использования. Слепые люди без знания шрифта Брайля сталкиваются с большими трудностями при необходимости, например, хранить номера телефонов и адреса друзей, записать, что они должны купить, сделать заметки для речи, написать статью и т. д.

В наши дни, когда положение культуры, образования и науки в России оставляет желать лучшего, определенно падает внимание и к письменности слепых. В России за последние полтора десятилетия количество незрячих, владеющих рельефно-точечной системой Луи Брайля, упало в пять-шесть раз. По этой причине не только катастрофически снижается уровень грамотности среди слепых, но, что самое опасное, большая часть инвалидов по зрению становятся полностью неграмотными, теряя доступ к значительным фондам книг, выпущенных в России рельефно-точечным шрифтом Брайля, а также к целому ряду материалов образовательного, общественно-политического и медицинского характера, включая предупредительные таблички и надписи на лекарствах.

В то же время рельефно-точечная система чтения и письма для незрячих остаётся одним из самых основных и важных средств общения и доступа к информации, которое в обозримом будущем не сможет заменить ничто другое. Только на основе системы Брайля как наиболее доступной и удобной для восприятия информации посредством осязания может строиться вся многоступенчатая система образования незрячих, а также многие важнейшие направления. реабилитации, интеграции и социализации инвалидов по зрению, включая трудоустройство, которое сегодня невозможно без овладения различными технологиями и методами информационного обеспечения (такими, как брайлевские дисплеи к компьютерам, текстовые телефоны, печатные издания и др.), не говоря уже о приобщении к сокровищам науки, литературы и искусства.

Брайль — это неотъемлемая часть всеобщей культуры. Его роль и место в реабилитации, интеграции и социализации незрячих людей прочно закреплена не только в российском, но и в международном законодательстве, в частности, в Конвенции ООН о правах инвалидов, под которой в 2008 году была поставлена подпись Президента Российской Федерации", из резолюции Участников научно-практической конференции «Брайль: история и современность». Москва, 12 марта 2009 г.

Исполнилось более 180 лет создания системы записи и кодирования текстовой информации для слепых и слабовидящих людей с помощью выпуклых точек. Эту систему разработал и впервые предложил шестнадцатилетний слепой юноша Луи Брайль (Louis Braille, 1809 — 1852 гг.) в 1825 году. В 1829 г. Л. Брайль опубликовал небольшой труд с изложением своей системы. Окончательно же его рельефно-точечный шрифт был закончен в 1837 г.

Была придумана простая и удобная система из 6 рельефных точек, кодирующих буквы алфавита, цифры, знаки препинания и арифметических действий и даже ноты, которая используется и в наши дни. Всего в этой системе можно закодировать 64 символа (2 в 6 степени). Но для кодирования всей текстовой информации этого мало. И Брайль впервые ввел так называемые коды-переключатели (выражаясь современным языком, shiftи escape-коды). Наличие shift-кода перед знаком означает, что все последующие знаки надо читать определенным образом (например, как цифры, а не буквы) до тех пор, пока не встретится другой подобный знак. Escape-код действует только на один знак после такого кода. Такие системы кодирования с переключением получили в дальнейшем широкое распространение в компьютерной технике (например, принцип устройства языка HTML).

Расстояние между двумя точками Брайля составляет 2 — 2,5 мм, и для прочтения текста необходимо водить кончиками пальцев по выдавленным строчкам, читая с помощью осязания.

Позже предлагались другие системы выпуклого письма вместо системы Брайля, например, система Уильяма Муна (W.Moon, 1818−1894 гг.), который в 1847 разработал систему осязательного шрифта на основе латинского алфавита, упростив форму букв. Кроме того, делались многочисленные попытки модернизировать саму систему Брайля, однако все эти попытки были малоуспешны.

Ни одна сфера деятельности человека немыслима без его информационного взаимодействия с окружающей его средой. Природа наделила человека способностью многоканального восприятия информации об окружающем мире. На сегодня официальной наукой признаны пять информационных каналов поступления информации в мозг для обработки: зрительный, слуховой, осязательный, обонятельный и вкусовой.

В повседневной жизни человек редко задумывается над тем, как попадает к нему та или иная информация о среде обитания и жизнедеятельное! и и ее текущем состоянии. Все свои действия в определенные моменты времени он определяет на основе интегральной характеристики — результата обработки мозгом информации, поступившей по всем каналам. Но статистика распределения объемов информации по каналам поступления показывает: более 90 процентов всей информации человек получает по зрительному каналу [55]. Поэтому трудно представить в какое положение попадает человек, лишенный зрения.

Это обстоятельство меняет всю жизнь такого человека, резко влияет на его социальное положение, отводя ему, как правило, низшие ступеньки социальной лестницы. Несмотря на достижения современной науки, в полной мере скомпенсировать потерю человеком зрения она не может, пока нет таких средств ни природных, ни технических.

Но зависимость незрячего человека от окружающей среды, от зрячих людей настолько велика и тяжела, что даже частичная компенсация этой зависимости существенно облегчает жизнь. И если полная компенсация потерь, связанных с утратой зрения, невозможна, то во многих случаях жизнь незрячего человека можно облегчить, используя сохранившиеся информационные каналы. По быстродействию и пропускной способности эти каналы существенно слабее зрительного. Для формирования через них квазизрительного восприятия требуется больше времени, нужна соответствующая тренировка мозга. И, тем не менее, это реальный путь адаптации незрячего человека по многим процессам в отдельных сферах жизни.

Современные информационные технологии позволили создать достаточно эффективные комплексы технических средств, с помощью которых уже сейчас можно существенно облегчить незрячему человеку выполнение ряда бытовых и производственных операций [42,53]. Исключительно сложна для слепого человека задача получения текущей каждодневной информации и изучения современной профессиональной литературы из печатных источников. За последнее время, в связи с бурным развитием микропроцессорной техники, появилась возможность разработки Брайлевских дисплеев, Брай-левских принтеров, читающих машин. Выпускаемые сегодня Брайлевские дисплеи позволяют оперативно представлять информацию с плоскопечатных носителей в шрифте Брайля [59]. Разработанные читающие машины позволяют переводить текстовые файлы, полученные с плоскопечатного носителя, в речевую форму.

Настоящее время — это время глобальной информатизации общества и резкого увеличения числа путей получения человеком информации о состоянии внешнего мира. Широкое распространение 1п1егпе1—технологий предоставляет каждому человеку возможность оперативного получения большого количества информации, отображаемой на экране компьютера. К сожалению, без специальных технических средств незрячему человеку этот путь получения информации недоступен. Поэтому все большую актуальность приобретает задача по созданию тифлотехнических средств, обеспечивающих доступ людей с ограниченными возможностями по зрению к информационным ресурсам.

Тифлотехника, отрасль приборостроения специального назначения, относящаяся к разработке технических средств для обучения, производственной подготовки, трудовой деятельности и культурно-бытового обслуживания слепых, слабовидящих и слепоглухих, а также для коррекции, развития, восстановления зрения.

При разработке терминальных устройств для тифлоинформационной техники необходимо создавать условия для быстрого и правильного восприятия тактильной информации людьми с ограниченными возможностями. Возникает необходимость документирования информации в рельефно-точечной форме.

Основополагающим документом, использованным при выполнении данной работы, является ГОСТ Р 50 917−96 «Устройства, печатающие шрифтом Брайля». Данный стандарт регламентирует работу устройств, обеспечивающих печать шрифтом Брайля и предназначенных для документирования алфавитно-цифровой информации, выводимой из электронно-вычислительных машин.

Одним из таких средств является устройство, обеспечивающее документирование информации, записанной на электронных носителях, в рельефно' точечной, форме в кодах шрифта Брайля.

Несмотря на актуальность поставленной проблемы, количество печатных изданий, освещающих данную тему, на сегодняшний день очень мало.

Одним из ведущих предприятий России, занимающихся проблемой создания тифлоинформационной техники, является Калужский НИИ телемеханических устройств. В ходе выполнения данной работы был изучен и проанализирован целый ряд научных работ, созданных на базе этого предприятия:

• Кухарев А. Д., Коновалова М. П., Гришин Ю. К. «Новые принципы в тифло-технике для развития графической грамотности у людей с ограниченными возможностями по зрению», М. ГПНТБ России, 1998 г. В данном издании собраны материалы международной конференции, проходившей в г. Судак Автономной республики Крым в 1998 годуКухарев А.Д., Шабанов А. К., Гришин Ю. К. «Новые подходы к обеспечению адаптации инвалидов по зрению в современную информационную среду». Данное издание представляет собой сборник тезисов докладов, прозвучавших на научно-практической конференции, посвященной дню Науки и проводившейся в г. Обнинск в 1999 г.;

• Кухарев А. Д., Гришин Ю. К. «Комплекс технических средств для реабилитации инвалидов с нарушенными функциями зрения», Калуга, 1999 г. — тезисы докладов межрегиональной научно-практической конференции «Реабилитация инвалидов: опыт, проблемы, перспективы» .

Кроме того, был проведен детальный анализ материалов патентной библиотеки КНИИТМУ (патентов, заявок на изобретение и т. д.), имеющих отношение к тифлоинформационной технике.

Несмотря на актуальность поставленной проблемы, количество печатных изданий, освещающих данную тему, на сегодняшний день очень мало.

Целью работы является исследование и обеспечение рациональных эксплуатационных и надежностных показателей при разработке ЗСА, сопрягаемых с ПЭВМ и обеспечивающего документирование информации в рельефно-точечной форме в шрифте Брайля на специальных носителях информации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать методы построения параметрических моделей для ЗСА.

2. Разработать и реализовать методы построения параметрических моделей ЗСА для документирования информации в рельефно-точечной форме.

3. Исследовать и определить методы выбора рациональных параметров рельефообразующей поверхности элементов символов.

4. Разработать методику прогнозирования показателей надежности ЗСА с учетом параметров исполнительных устройств.

5. Провести экспериментальные исследования и испытания.

Методы исследований Перечисленные задачи решены методами дифференциального исчисления, теории множеств, алгебраическими методами, прикладного программирования.

Научная новизна.

1. Сформированы и обоснованы критерии выбора определяющих параметров ЗСА для документирования информации в рельефно-точечной форме.

2. Впервые предложен и исследован метод построения параметрической модели ЗСА для документирования информации в рельефно-точечной форме.

3. Впервые исследованы и предложен метод выбора рациональных параметров рельефообразующей поверхности элементов символов.

4. Разработаны методики, позволяющие проверить адекватность предложенных моделей.

Практическая значимость работы.

Разработанные модели, алгоритмы и методики расчета и разработки ЗСА для документирования информации в рельефно-точечной форме, структурные и структурно-электрические схемы и схемные решения, повышают достоверность и надежность доведения информации до потребителя и обеспечивают создание социально значимой тифлотехники.

На основе результатов диссертационной работы созданы принципиально новые технические решения ЗСА для документирования информации в рельефно-точечной форме.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на ежегодных Всероссийских конференциях «Новые информационные технологии в системах связи и управления». — Калуга, 2007, 2008, 2009,2010 гг. — 6 докладов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ, в том числе: 2 статьи — в журналах рекомендованных ВАК.

Внедрение результатов работы.

I Результаты работы внедрены в: i.

— ФГУП «Калужский НИИ телемеханических устройств» (ФГУП «КНИИТ-МУ»),.

— Калужской областной специальной библиотеке для слепых им. Н. Островского,.

— учебный процесс КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана в курсе «Организация ЭВМ и систем».

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов заключения и списка литературы.

Выводы по главе 4.

1. Разработанная методика реализует подход к прогнозированию показателей надежности.

2. Методология предполагает замену аналитического исследования численным анализом математических моделей. И хотя аналитические модели отказов, получаемые методами преобразования функций случайных аргументов, являются решениями в общем виде, однако сложность получаемых выражений делает их применение целесообразным для сравнительно простых моделей отказов.

3. Для вычисления плотности вероятности выходного параметра, определяемой сложной функцией, а также при громоздкости или невозможности проведения аналитических преобразований предпочтителен метод численного анализа.

4. Разработан алгоритм прогнозирования показателей надежности по данным кратковременных натурных испытаний, представленных для целей моделирования процессов деградации выборок.

5. Применение «машинных» испытаний на основе деградационных моделей отказа позволяет: решать задачи надежности устройств без проведения больших объемов натурных испытанийисследовать процессы появления отказов и изменения свойств при эксплуатациирассматривать последствия возникновения отказовпроводить выбор определяющих параметров и границы эксплуатационных допусков. При этом метод не требует проведения исследования выборки изделийможно ограничиться изучением единственного образца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

На основе выполненных патентных исследований, требований ГОСТ для тифлопечати, разработан алгоритм поэлементно-построчного синтеза рельефно-точечной информации.

Для, обеспечения качественного тактильного восприятия документированной информации, что обеспечивает комфортность условий труда инвалидов по зрению, разработана методика расчета характеристик электромагнита, исследованы законы изменения параметров исполнительного механизма.

Предложено усовершенствование тифлопринтера, позволяющее автоматически определять плотность бумажного носителя.

Исследование особенностей построения параметрических моделей, позволили определить критерии выбора, определяющих параметров ЗСА и разработать методику построения параметрической модели для документирования информации в рельефно-точечной форме.

Показаны оценки работоспособности исполнительных устройств по функциональным параметрам, по энергетическому критерию.

Определена зависимость работоспособности устройства от наработки и конструктивных особенностей исполнительного механизма.

На основе экспериментальных данных обоснованы алгоритмы расчета элементов ЗСА.

Разработанная методика реализует подход к прогнозированию показателей надежности.

Разработан алгоритм прогнозирования показателей надежности по данным кратковременных натурных испытаний, представленных для целей моделирования процессов деградации выборок.

Применение «машинных» испытаний на основе деградационных моделей отказа позволяет: решать задачи надежности устройств без проведения больших объемов натурных испытанийисследовать процессы появления отказов и изменения свойств при эксплуатациирассматривать последствия возникновения отказовпроводить выбор определяющих параметров и границы эксплуатационных допусков. При этом метод не требует проведения исследования выборки изделийможно ограничиться изучением единственного образца.

Внедрение результатов диссертационной работы и достигнутый при этом эффект подтверждены соответствующим актом внедрения. Диссертация в целом представляет собой научно-квалификационную работу, в которой впервые решаются задачи прогнозирования надежности ЗСА для документирования информации в рельефно-точечной форме на этапе проектирования.