СТАТЬЯ ОТОЗВАНА

Цели. Широкое распространение систем захвата световых полей обусловлено высоким качеством воспроизводимого изображения. Этот вид захвата, хоть и качественно превосходит традиционные подходы к захвату объемных изображений, генерирует огромное количество данных, необходимых для восстановления исходного заснятого четырехмерного светового поля. Цель работы - рассмотреть традиционные и расширенные до четырехмерной размерности алгоритмы сжатия изображений, провести их сравнительный анализ и определить наиболее подходящие из них.

Методы. Использованы математические методы обработки сигналов и методы статистического анализа.

Результаты. Проведены сравнение и анализ алгоритмов применительно к сжатию четырехмерных световых полей с использованием метрики PSNR. Установлено, что на выбранный критерий оценивания влияет не только размерность алгоритма сжатия, но также и расстояние базовой линии установки захвата, так как разница между изображениями увеличивается в зависимости от расстояния между оптическими центрами каждой матрицы камеры. Так для установок, состоящих из массива камер машинного зрения, находящихся на стойках и расставленных в помещении, очевидным выбором будет применение обычных методов сжатия изображений. Также, исходя из оценки произвольностей методов сжатия видео, замечено, что алгоритм XVC остается недооцененным, хотя его результаты оказываются выше остальных. Следующим по значимости можно считать алгоритм AV1. Установлено, что новейшие алгоритмы сжатия показывают более высокую производительность по отношению к своим предшественникам. Продемонстрировано, что при небольшом расстоянии между оптическими центрами запечатленных изображений применение алгоритмов сжатия видео более предпочтительно, чем применение алгоритмов сжатия изображений, так как они показывают более высокие результаты как в трехмерном, так и в четырехмерном варианте.

Выводы. Сравнение полученных результатов показывает необходимость применения на установках с длинной базовой линией (установленных на стойках камеры) алгоритмов из семейства сжатия видеозаписей (XVC, AV1). При работе с интегрированными камерами светового поля (Lytro) и установкой захвата с короткой базовой линией рекомендуется использовать алгоритмы сжатия изображений (JPEG). В общем случае рекомендуется использовать алгоритмы сжатия видео, в частности XVC, поскольку в среднем он показывает приемлемый уровень PSNR как в случае с короткой, так и с длинной базовой линией установки.

Цели. При проектировании моделей системной динамики базовым конструктом стадии проектирования является представление исследуемого процесса в терминах причинно-следственной связи, состоящей из петель положительной и отрицательной обратной связи. При построении модели динамической среды возникает ряд трудностей использования обратной связи. Настоящее исследование показывает возможность проектирования модулей системной динамики для систем поддержки принятия решений на основе ситуационно-деятельностного подхода. Предполагается восполнить нехватку знаний о моделях системной динамики концептуальной моделью акта деятельности, с помощью которой может реализоваться экспертная система на основе продукционных правил. Концептуальные модели при таком аспекте применяются к человеческим рассуждениям с привязкой к определенным видам деятельности. Целью работы является исследование возможности применения ситуационно-деятельностного подхода для проектирования моделей системной динамики инфекционных заболеваний на основе частных представлений разработанной концептуальной структуры акта деятельности.

Методы. На основе синтеза двух подходов - ситуационного, предложенного Л.С. Болотовой, и системно-деятельностного, предложенного Г.П. Щедровицким, представлена концептуальная структура акта деятельности как методика ситуационно-деятельностного подхода. Анализ данной структуры приводит к построению процессуального плана и плана аналитических закономерностей. Была проверена следующая гипотеза: процессные представления описывают нотацию потоков и уровней, а аналитические закономерности реализуют дифференциальные уравнения. Для доказательства гипотезы исследовалась предметная область инфекционных заболеваний.

Результаты. На совокупности данных планов синтезирован графический образ для построения моделей системной динамики, который идентичен диаграмме потоков и уровней развития SIR-процесса. Однако задачу построения концептуальных структур следует признать нетривиальной, сложной и трудоемкой. Поэтому реализован программный комплекс следующего состава: «Оформитель», «Решатель» и «Интерпретатор». Программный инструментарий позволил визуализировать концептуальные структуры и реализовать базы знаний для экспертных моделей системной динамики, а также провести исследования на полноту и адекватность модели.

Выводы. На сегодняшний день не существует единой концептуальной структуры для проектирования экспертных систем, ситуационных и имитационных динамических моделей. Предложенный в работе метод и программный инструментарий позволяет решить данные задачи на основе ситуационно-деятельностного метода. Таким образом, осуществляется взаимодействие различных видов деятельности в экспертных системах, тем самым подтверждается достоверность знаний в моделях системной динамики. Концептуальные структуры акта деятельности являются ядерной частью при проектировании экспертных систем, а производные процессные и аналитические представления акта деятельности являются ядерной частью при разработке модулей системной динамики.

Цели. Разработка межвидовых и межклассовых способов построения радиотехнических когерентных систем на основе модульной дополняемой структуры.

Методы. В качестве базового набора для построения тракта цифровой радиофотонной системы предлагается рассмотреть комплекс модулей и субмодулей, не имеющих узкой специализации и в совокупности составляющих широкополосную гибкую аппаратно-реконфигурируемую программно-определяемую радиотехническую структуру. Благодаря широкополосности и дополняемой структуре модули и субмодули имеют множество применений, как в качестве самостоятельных устройств, так и в составе более сложных систем.

Результаты. Представлены функциональные схемы современных цифровых приемников-формирователей, модулей усиления радиочастотных сигналов, модулей преобразования радиочастотных сигналов в оптический сигнал, радиофотонной синхросети формирования тактовых сигналов. Приведены расчеты вносимой фазовой ошибки кварцевого одномодового волокна и графики зависимости изменения фазы сигнала от внешних воздействующих факторов. Предложена концепция интеграции представленных модулей и построения модульной приемо-передающей многопозиционной широкополосной когерентной цифровой радио-фотонной системы. Приведены расчеты диаграмм направленности и результаты математического моделирования отклонения луча широкополосной антенной линейки. Показаны антенные системы на ее основе.

Выводы. Предложенные методы позволят существенно сократить сроки разработки новых типов систем за счет линейки готовых технических решений. Разработанные устройства обладают параметрами, не уступающими лучшим мировым аналогам, а в рамках интеграции в систему позволяют превзойти существующие решения. Апробирование разработок проведено в рамках НИОКР на базе АО «Калужский научно-исследовательский радиотехнический институт» и ООО «Технологии аппаратных решений». Предложенные решения интегрированы на уровне подсистем в перспективные разработки продукции гражданского и специального назначения. Дальнейшее развитие концепции построения сверхширокополосных устройств позволит достигнуть нового уровня в технологии построения модульных многопозиционных когерентных цифровых радиофотонных систем.

Цели. Одна из важнейших задач развития угломерных систем - улучшение разрешающей способности по угловым координатам. Этого можно добиться двумя способами: во-первых, увеличением апертуры такой системы, что весьма дорого и часто технически трудновыполнимо; во-вторых, с помощью методов цифровой обработки сигналов. Если регистрируемые источники сигнала расположены близко друг к другу и не разрешаются по критерию Рэлея, то невозможно определить их количество, расположение и характеристики отражения. Цель работы - разработка алгоритма цифровой обработки сигналов для получения углового сверхразрешения.

Методы. Использованы математические методы решения обратных задач. Эти методы позволяют преодолеть критерий Рэлея, т.е. дают возможность получить угловое сверхразрешение. Данные задачи обладают неустойчивостью. Существует бесконечное количество приближенных решений, возможно возникновение ложных целей. Поиск оптимального решения проводится путем минимизации среднеквадратического отклонения.

Результаты. В статье приведено описание математической модели работы угломерной системы. На основе существующих методов разработан алгоритм обработки сигнала, использующий принцип параметризации пользовательских функций. Представлены результаты численных экспериментов по достижению сверхразрешения алгебраическими методами. Проведена оценка устойчивости решения. Измерены точность и соответствие амплитуды полученных объектов начальным параметрам. Проведена оценка степени превышения критерия Рэлея полученным решением.

Выводы. Показано, что алгебраические методы позволяют получать устойчивые решения с угловым сверхразрешением. Получаемые результаты правильно отражают расположение объектов с незначительной ошибкой. Ошибки в распределении амплитуды сигнала невелики, появляющиеся ложные цели имеют пренебрежимо малую амплитуду.

Цели. Многочисленные исследования биосистем указывают на особую роль квазиодномерных (квази-ID) молекулярных структур в процессах транспорта энергии, зарядов и информации. В этой связи особый интерес представляют исследования коллективной динамики квази-ID латеральных структур в жидкокристаллических (ЖК) мембранах и возможности передачи по таким структурам локальных возбуждений. С целью исследования молекулярных механизмов направленного транспорта энергии в ЖК липидных мембранах в настоящей работе разработана модель коллективной динамики квази-ID доменных структур (ДС) в ЖК бислоях, взаимодействующих с окружающей средой.

Методы. В качестве квази-W ДС рассмотрены перколяционные ДС, формирующиеся при фазовом разделении липидных молекул в многокомпонентных мембранах. В модели выделены две взаимодействующие между собой подсистемы, различающиеся по своим структурным и динамическим свойствам: поверхность мембраны, образованная полярными группами (ПГ) липидных молекул и внутренняя гидрофильная область мембраны, сформированная ацильными цепями (АЦ) липидов. При моделировании подсистемы АЦ использован гамильтониан Гинзбурга - Ландау, учитывающий зависимость ее динамики от температуры вблизи температуры фазового перехода плавления липидов T_c.

Результаты. Анализ динамических состояний модели показал, что вблизи температур T_c в рассматриваемых квази-ID ДС могут существовать перемещающиеся с постоянной скоростью возбуждения в виде солитонов. При этом движение упругого возбуждения (кинка) вдоль ДС в области АЦ вызывает образование акустического солитона - области сжатия в подсистеме ПГ, перемещающейся согласованно с движением кинка. Область локализации солитона охватывает примерно 10 молекул и существенно зависит от параметра взаимодействия подсистем ПГ и АЦ. Движение солитона происходит с дозвуковой скоростью, которая определяется, в частности, величиной внешнего воздействия.

Выводы. В рамках разработанной модели показано, что ЖК ДС в липидных мембранах проявляют свойства активных сред, в которых может происходить формирование и перемещение локализованных упругих возбуждений в виде солитонов на макроскопических пространственных и временных масштабах. Предложенная модель молекулярного транспорта энергии вдоль квази-ID ДС может быть применена к описанию направленной передачи энергии по латеральным доменным каналам в биомембранах и кооперативного функционирования мембранных биоэнергетических и рецепторных комплексов.

Цели. Эффекты невзаимности спиновых волн могут проявляться в металлизированных пленках феррит-гранатов. В настоящее время актуальной задачей является исследование динамики спиновых волн в микро-и наноразмерных магнитных пленках. Использование многослойных диэлектрических пленок железоиттриевого граната (ЖИГ) обеспечивает проявление эффекта невзаимности и в то же время дает большее преимущество по сравнению со слоистой структурой ЖИГ/металл ввиду значительно меньших спин-волновых потерь в двуслойной пленке ЖИГ, состоящей из слоев с различными значениями намагниченности. Такие пленки могут найти применение в задачах магнонной логики для создания управляемых интерферометров типа Маха - Цендера на основе принципов магноники. Цель настоящей работы - объединение концепции невзаимного спин-волнового распространения сигнала и одновременного проявления эффектов, возникающих при распространении спиновых волн в микроволноводах, образованных пленками ЖИГ конечной ширины.

Методы. В работе используются экспериментальный метод микроволновой спектроскопии на основе векторного анализатора цепей и метод конечных разностей для численного моделирования дисперсионных характеристик спиновых волн в двуслойных магнонных микроволноводах. Также использована аналитическая модель, в рамках которой получено дисперсионное уравнение на основе магнитостатического приближения.

Результаты. На основе измерений амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик показана возможность сосуществования двух частотных диапазонов для распространения спин-волнового сигнала в двуслойном магнонном микроволноводе на основе пленки ЖИГ, образованной двумя слоями с различными значениями намагниченности насыщения. Выявлены режимы невзаимного распространения спин-волнового сигнала. С помощью численной модели исследованы механизмы формирования в спектре двуслойной структуры ширинных мод спиновых волн, образующихся вследствие конечных размеров микроволновода. Оценка трансформации спектра мод также проведена при использовании аналитической модели. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами предложенных численной и аналитической моделей.

Выводы. Продемонстрирована возможность частотно-селективного распространения спиновых волн в магнонном микроволноводе, состоящем из двух слоев с различным значением величины намагниченности насыщения. Показано, что многомодовое распространение спиновых волн может осуществляться внутри двухслойной структуры в двух диапазонах частот. В то же время этот процесс сопровождается сильной невзаимностью распространений спин-волнового сигнала, что проявляется в изменении амплитудно- и фазо-частотных характеристик при изменении направления внешнего магнитного поля на противоположное. Предложенная концепция двухслойного спин-волнового волновода может лежать в основе изготовления магнонных межсоединений и магнонных интерферометров с поддержкой многополосных режимов работы.

Цели. В настоящее время наблюдается бурное развитие теории и методов сплайн-аппроксимации плоских кривых, заданных последовательностью точек. Проведенные исследования, первые результаты которых были опубликованы ранее, показали возможность применения сплайн-аппроксимации в проектировании трасс линейных сооружений, несмотря на принципиальные отличия используемых сплайнов от рассматриваемых в теории и ее приложениях. Главное отличие состоит в том, что в проектировании трасс нельзя заранее считать известным число элементов сплайна. Кроме того, в отличие от получивших широкое распространение полиномиальных сплайнов, повторяющимся элементом является связка «отрезок прямой + + дуга окружности» или «отрезок прямой + дуга клотоиды + дуга окружности + дуга клотоиды». Ранее была предложена двухэтапная схема: определение числа элементов искомого сплайна, затем - оптимизация его параметров. Алгоритм решения задачи применительно к проектированию продольного профиля реализован и опубликован. Но этот алгоритм непригоден для проектирования плана трассы, т.к. план трассы, в отличие от профиля, в общем случае является многозначной функцией. Цель работы - обобщить алгоритм на случай сплайн-аппроксимации многозначных функций с учетом особенностей проектирования трасс линейных сооружений.

Методы. На первом этапе используется новая математическая модель, позволяющая применить метод динамического программирования с учетом ограничений на параметры искомого сплайна. На втором этапе используется нелинейное программирование. При этом удается вычислять аналитически производные целевой функции по параметрам сплайна при отсутствии ее аналитического выражения через эти параметры.

Результаты. Разработаны алгоритм аппроксимации многозначных функций, заданных дискретным рядом точек, сплайном, состоящим из дуг окружностей, сопрягаемых отрезками прямых, для решения задачи на первом этапе и алгоритм нелинейного программирования для оптимизации параметров полученного сплайна как начального приближения. В настоящей статье рассматривается только первый этап, т.к. сложный алгоритм второго этапа и его обоснование требуют отдельного рассмотрения.

Выводы. Двухэтапная схема сплайн-аппроксимации при неизвестном числе элементов сплайна пригодна и для аппроксимации многозначных функций, заданных последовательностью точек на плоскости, в частности для проектирования плана трасс линейных сооружений.

Цели. Часто применяемый метод поиска оптимальных по Парето решений состоит в минимизации выбранного показателя качества при задании ограничений на остальные показатели, значения которых, таким образом, оказываются заранее определенными. При этом выполняется поиск глобального минимума скалярной целевой функции, в которую ограничиваемые показатели входят в виде штрафных слагаемых. Рельеф такой функции содержит участки быстрого роста, значительно затрудняющие поиск глобального минимума. В работе сравниваются результаты различных эвристических алгоритмов при решении задач этого типа. Кроме того, исследуется возможность использования алгоритма последовательного квадратичного программирования (SQP), в котором ограничения учитываются не через штрафные слагаемые, а включаются в функцию Лагранжа.

Методы. В экспериментах использовались две аналитически заданные целевые функции и две целевые функции, встречающиеся в задачах многокритериальной оптимизации характеристик аналоговых фильтров. Исследуемые алгоритмы были реализованы программами в среде MATLAB.

Результаты. Установлено, что единственным эвристическим алгоритмом, который нашел оптимальные решения для всех функций, оказался алгоритм роя частиц. Алгоритм SQP оказался применим для одной из аналитически определенных функций и для одной из целевых функций оптимизации фильтров, существенно превзойдя при этом эвристические алгоритмы по точности и скорости поиска решения. Но для двух других функций данный алгоритм оказался неспособным находить правильные решения.

Выводы. Актуальной является задача оценки применимости рассмотренных методов для поиска Парето-оптимальных решений на основе предварительного анализа свойств функций, определяющих показатели качества.

Цели. Изменение характера решения задач в сфере информационных технологий, связанное с глобализацией экономики, возможностями удаленной работы, а также глобальными угрозами пандемии COVID-19, накладывает новые требования к компетенциям и навыкам будущих специалистов, что, в свою очередь, требует внесения корректив и в процесс подготовки специалистов в высших учебных заведениях. В настоящее время широко известны различные методики проектного управления Agile и Scrum (часто еще называемые «методологиями гибкой разработки»), подходы в управлении информационно-телекоммуникационной инфраструктурой Infrastructure-as-Code, а также подходы в разработке документации Documentation-as-Code. Их общая цель - представить процесс проектирования, разработки, тестирования и документирования в итеративном виде с короткими периодами цикла, позволяющего прозрачно добавлять новую ценность продукта небольшими порциями. В области образования этой ценностью являются новые знания, умения и практические навыки обучающихся, которые можно легко и прозрачно измерить в процессе освоения ими дисциплины. Цель исследования - разработать способы применения современных методик разработки программного обеспечения в процессе обучения студентов технических специальностей.

Методы. Использовались методы воспроизводимых исследований (reproducible research) и практик гибкого проектирования при организации и руководстве выполнением обучающимися практических работ.

Результаты. Представлен подход к использованию современных инструментов, применяемых при разработке программного обеспечения на базе онлайн-сервисов git-хостинга (GitLab и GitHub), а также парадигмы «воспроизводимых исследований» в процессе дистанционного обучения с использованием формата R Markdown компании RStudio.

Вывод. Применение предложенного подхода позволяет, помимо увеличения вовлеченности обучающихся в процесс выполнения практических заданий, снизить нагрузку на преподавателя по проверке и оцениванию результатов работы студентов.

Цели. Наноэлектроника - область современной электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных схем с характерными топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм. Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм. Цель работы - раскрыть концепцию подготовки высококвалифицированных специалистов в сфере наноэлектроники и нанотехнологий на примере кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования РТУ МИРЭА.

Методы. Анализ перспективных подходов в образовательном процессе в рамках наноиндустрии.

Результаты. В статье выделены три фундаментальные составляющие образования в сфере наноиндустрии: физическая (изучение и поиск новых перспективных физических эффектов); материаловедческая, связанная с изучением, поиском и синтезом новых перспективных материалов; информационная (освоение современных пакетов программ и языков программирования для моделирования широкого спектра элементов и материалов наноиндустрии).

Выводы. Сочетание научных лабораторий и центров на кафедре наноэлектроники позволило эффективно реализовать все три фундаментальные составляющие образования в сфере наноиндустрии. После окончания кафедры наноэлектроники выпускники могут работать в ведущих институтах и научно-технических организациях России, стажироваться в организациях ближнего и дальнего зарубежья, преподавать в ведущих вузах и создавать собственные наукоемкие предприятия.