Человек - интерфейс - компьютер: Учебные материалы к лекциям по спецкурсу ''Интеллектуальные интерфейсы''

М и ни сте р ство о б р а зо ва ни я Ро сси йско й Ф е де р а ци и

Ф а ку льте т ко мпьюте р ных на у к

Ка фе др а

и нфо р ма ци о нных С и сте м

Ч е лове к – и нте р ф е й с – к ом пью те р Уч е б ные ма те р и а лы к ле кци ям по спе цку р су «Инте лле кту а льные и нте р фе йсы»

Для сту де нто в 3 ку р са дне вно го о тде ле ни я Ф а ку льте та ко мпьюте р ных на у к

С о ста ви те ль В.Н. Бу дко

Во р о не ж –2003

УДК 681.31

Бу дко В.Н., Че ло ве к –и нте р фе йс –ко мпьюте р . - Во р о не ж: ВГУ, 2003.-

Уч е б ные ма те р и а лы пр е дна зна ч а ются для пр о ве де ни я за няти й по те ма м спе ц. ле кци й «Инте лле кту а льные и нте р фе йсы» со сту де нта ми 3 ку р са дне вно го о тде ле ни я фа ку льте та ко мпьюте р ных на у к. Они пр е дла га ются сту де нта м для и спо льзо ва ни я пр и по дго то вке к экза ме ну по спе ц. ку р су « Инте лле кту а льные и нте р фе йсы». П о ле зны у ч е б ные ма те р и а лы и для да льне йш е го са мо сто яте льно го пр о до лже ни я и зу ч е ни я пр о б ле мных те м и за да ч те о р и и и пр а кти ки пр о гр а мми р о ва ни я и нте лле кту а льных и нте р фе йсо в. Они та кже мо гу т б ыть и спо льзо ва ны пр и выпо лне ни и ку р со вых и ди пло мных р а б о т, связа нных с р а зр а б о тко й а ппа р а тно го и пр о гр а ммно го о б е спе ч е ни я и нте р фе йсо в вво да /выво да да нных и у пр а вле ни е м о т П К вне ш ни ми у стр о йства ми . Для пр о ду кти вно го и зу ч е ни я у ч е б ных ма те р и а ло в не о б хо ди мо пр е два р и те льно е о сво е ни е та ко го о б щ е го ку р са , ка к «Осно вы р а ди о эле ктр о ни ки ».

П е ч а та е тся по р е ш е ни ю на у ч но -ме то ди ч е ско го со ве та фа ку льте та ко мпьюте р ных на у к Во р о не жско го Го су да р стве нно го Уни ве р си те та .

(С ) Во р о не жски й го су да р стве нный у ни ве р си те т, 2003г. (С ) Бу дко В.Н. , 2003г.

1. И нте лле к туальны е и нте р ф е й сы 1.1 О бщ е е опи сани е Ра зр а б о тка си сте м ч е ло ве к – ме х. ма ш и на , ч е ло ве к - Э ВМ , в ко то р ых по лно стью и спо льзу ются во змо жно сти ч е ло ве ка , являе тся на у ч но й и те хни ч е ско й за да ч е й, тр е б у ющ е й по ни ма ни я то го , ка к ве ду т се б я люди в о пр е де ле нных си ту а ци ях, где пр и ме няются си сте мы ЧМ М и ЧВМ . П р о б ле ма ми вза и мо де йстви я ч е ло ве ка с ма ш и но й за ни ма ются спе ци а ли сты – и нже не р ы и пси хо ло ги , вла де ющ и е но выми ме то да ми ка ч е стве нно го и ко ли ч е стве нно го о пи са ни я это го вза и мо де йстви я. Вна ч а ле и нте нси вно го вне др е ни я в жи знь ч е ло ве ка ме х. ма ш и н, а вто ма то в и Э ВМ б о льш а я ч а сть за да ч , связа нных с на ли ч и е м ч е ло ве ка в те хни ч е ски х си сте ма х, р е ш а ла сь ме то до м пр о б и о ш и б о к. За те м на су щ но й не о б хо ди мо стью ста ло р а зви ти е ме то до в со вме стно го о пи са ни я по ве де ни я ч е ло ве ка - ма ш и на . С та ла р а зви ва ться на у ка эффе кти вно го вза и мо де йстви я ч е ло ве ка с Э ВМ . Иссле до ва те ль си сте м ч е ло ве к - ма ш и на до лже н б ыть зна ко м со сме жными о б ла стями на у к, ко то р ые пе р е се ка ясь , о б р а зу юти зу ч а е мый пр е дме т. Де яте льно сть ч е ло ве ка в те хни ч е ски х си сте ма х у пр а вле ни я и ко нтр о ля и е го вза и мо де йстви е с эти ми си сте ма ми впе р вые на ч а ли и зу ч а ть и нже не р ные пси хо ло ги . Об ъе кт и нже не р но й пси хо ло ги и - это ч е ло ве к–о пе р а то р . Инже не р на я пси хо ло ги я и зу ч а е тпси хи ч е ски е и фи зи о ло ги ч е ски е за ко но ме р но сти р а б о ты ч е ло ве ка – о пе р а то р а . С др у го й сто р о ны си сте мы ч е ло ве к – ма ш и на о тно си тся к ка те го р и и ки б е р не ти ч е ски х о б ъе кто в. Ки б е р не ти ка – на у ка о б у пр а вле ни и , связи и пе р е р а б о тке и нфо р ма ци и в жи во м о р га ни зме и те хни ч е ско й си сте ме . Одна ко пси хи ч е ски е пр о це ссы те хни ч е ско й де яте льно сти ч е ло ве ка за тр а ги ва е тся в ки б е р не ти ке ли ш ь с о б щ и х по зи ци й за ко но ме р но сте й пр о це ссо в у пр а вле ни я. Ки б е р не ти ч е ски й по дхо д к си сте ме ч е ло ве к – ма ш и на пр е дста вляе тся сле ду ющ е й схе мо й. Ко ма ндна я и нфо р ма ци я Че ло ве к

у пр а вляе мый о б ъе кт о све до ми те льна я и нфо р ма ци я ( о б р а тна я связь)

Ки б е р не ти ка выдви ну ла и о б ъе ди ни ла та ки е по няти я, ка к «си сте ма », у пр а вле ни е », «и нфо р ма ци я» , «о б р а тна я связь». П о р о ди ла но вые о б ла сти зна ни я: «о б щ а я те о р и я си сте м», «си сте мный а на ли з». П о яви ла сь но ва я на у ка – ко гни ти вна я пси хо ло ги я. В пе р е во де с а нгли йско го языка те р ми н « ко гни ти вный» о зна ч а е т «по зна ва те льный». Е сли о б ъе кт и нже не р но й пси хо ло ги и – ч е ло ве к - о пе р а то р , то о б ъе кт ко гни ти вно й пси хо ло ги и – ч е ло ве к по зна ющ и й. Ко гни ти вна я пси хо ло ги я и зу ч а е т ка к ч е ло ве к по лу ч а е т и нфо р ма ци ю и пр е дста вляе те е се б е , ка к и нфо р ма ци я хр а ни тся в па мяти и пр е о б р а зу е тся в зна ни я, и ка к эти зна ни я вли яют на по ве де ни е ч е ло ве ка , на и зб и р а те льно сть е го вни ма ни я, на пр е о б р а же ни е но вых зна ни й.

С е ме йство р о дстве нных на у к, б ли зки х к на пр а вле ни ю те ма ти ке ку р са ле кци й у до б но пр е дста ви ть в ви де де р е ва (ку ста ) и х вза и мо де йстви я.

Ри с. 1.1 Ку ст б а зо вых и ко мпьюте р ных на у к сме жных с на у ко й о и нте лле кту а льных и нте р фе йса х.

1.2 Эле м е нты

сопр яже ни я ПК с вне ш ни м и объе к там и . Те р м и нологи я.

Инте р фе йс (ме жду ли ц) – стык, у стр о йство со пр яже ни я. В о б щ е м слу ч а е – связь ме жду дву мя о б ъе кта ми . На пр и ме р , Э ВМ – мо де м, пр и кла дна я пр о гр а мма – о пе р а ци о нна я си сте ма . ( Ве се лый пр и ме р : и нте р фе йс ме жду у тюго м и эле ктр о се тью –ви лка ). П о др о б не е , и нте р фе йс – это со во ку пно сть ср е дств и пр а ви л ло ги ч е ски х и ли фи зи ч е ски х у стр о йств и /и ли пр о гр а мм выч и сли те льно й си сте мы , о б е спе ч и ва ющ и х вза и мо де йстви е Э ВМ с вне ш ни ми у стр о йства ми и ли с ч е ло ве ко м. Ф и зи ч е ски й (а ппа р а тный) и нте р фе йс за да е т ти п стыка , у р о вни си гна ло в, со гла со ва ни е и мпе да нсо в, си нхр о ни за ци ю и др у ги е па р а ме тр ы ка на ла вза и мо де йстви я. П р о гр а ммный и нте р фе йс о пр е де ляе тсо во ку пно сть до пу сти мых пр о це ду р и о пе р а ци й и и х па р а ме тр о в, спи со к о б щ и х пе р е ме нных, о б ла сте й па мяти и др у ги х о б ъе кто в. С вязь ме жду ч е ло ве ко м и Э ВМ на зыва ют по льзо ва те льски м и нте р фе йсо м. Он о пр е де ляе т спо со б вза и мо де йстви я ч е ло ве ка с ко мпьюте р о м. На и б о ле е ч а сто и нте р фе йс

о пр е де ляе т ка ки м о б р а зо м ме жду о б ъе кта ми пе р е да е тся и нфо р ма ци я и ка к о б ъе кты фи зи ч е ски со е ди не ны др у гс др у го м. Пр и м е р ы и нте р ф е й сов: А - инте р ак тив ны е (диалогов ы е ) - «и нте р а кти вна я пр о гр а мма » - по зво ляе т по льзо ва те лю у пр а влять хо до м р а б о ты Э ВМ (вме ш и ва ться в пр о це сс р а б о ты). Об ыч но та ка я пр о гр а мма выво ди т сти му лы [prompt] вво да да нных, о пр е де ляя спо со б р е ш е ни я за да ч и . Инте р а кти вные пр о гр а ммы о со б е нно по пу ляр ны в о б р а зо ва ни и (о б у ч а ющ и е пр о гр а ммы). - «и нте р а кти вно е ви де о » - о б ъе ди не ни е ви де о и ко мпьюте р но й те хно ло ги й, в ко то р о м выб о р ы и р е ш е ни я по льзо ва те ля не по ср е дстве нно вли яют на р а зви ти е сюже та . (Ко мпьюте р ные и гр ы). - «и нте р а кти вна я ср е да » (си сте ма ) - о б е спе ч и ва е т ма кси ма льно е и спо льзо ва ни е пр о и зво льно го до сту па к у пр а вляе мым ко мпьюте р о м у стр о йства м, на пр и ме р , к у стр о йства м во спр о и зве де ни я и зву ка . - «и нте р а кти вный р е жи м» – ди а ло го вый р е жи м вза и мо де йстви я ч е ло ве ка и ко мпьюте р а , пр и ко то р о м о ни о б ме ни ва ются и нфо р ма ци е й со ско р о стью со и зме р и мо й с те мпо м о б р а б о тки и нфо р ма ци и ч е ло ве ко м. Б - инте лле к туальны е инте р ф е й с ы - «и нте лле кт» –это мысли те льные спо со б но сти ч е ло ве ка . Инте лле кту а льные и нте р фе йсы мо жно р а ссма тр и ва ть ка к тр о пу (по ка то нку ю) к и ску сстве нно му и нте лле кту . С на ч а ла те р ми н « и ску сстве нный и нте лле кт» по ни ма лся ка к по и ск пу те й а вто ма ти за ци и те х у мстве нных де йстви й, ко то р ые тр а ди ци о нно сч и та ли сь пр и ви ле ги е й ч е ло ве ч е ско го мо зга (и гр а в ш а ш ки , ш а хма ты и т.д.). За те м це лью те о р и и и ску сстве нно го и нте лле кта ста ла за ме на не ко то р ых и нте лле кту а льных фу нкци й ч е ло ве ка р а б о то й Э ВМ (в то м ч и сле и ч е р е з и нте лле кту а льные и нте р фе йсы), ко то р ые р е а ги р у ютна вне ш нюю ср е ду , де йству ющ у ю на ч е ло ве ка . На пр и ме р для пр е ду пр е жде ни я ле тч и ка (а стр о на вта ) о пр и б ли жа ющ е йся о па сно сти . С е йч а с «и ску сстве нный и нте лле кт» - это о дна и з ко мпьюте р ных на у к, за ни ма ющ а яся р а зр а б о тко й ме то до в р е ш е ни я за да ч , для ко то р ых о тсу тству ют фо р ма льные а лго р и тмы. На пр и ме р , по ни ма ни я е сте стве нно го языка ч е ло ве к, пр о це ду р ы о б у ч е ни я, до ка за те льство те о р е м, р а спо зна ва ни е и зо б р а же ни й, р а спо зна ва ни е о б р а зо в мыш ле ни я. С по зи ци и те хни ч е ско й р е а ли за ци и и ску сстве нный и нте лле кт – это та ка я а вто ма ти ч е ска я и ли а вто ма ти зи р о ва нна я си сте ма , ко то р а я б е р е т на се б я о тде льные фу нкци и и нте лле кта ч е ло ве ка . На пр и ме р , спо со б но сть выб и р а ть и пр и ни ма ть о пти ма льные р е ш е ни я на о сно ва х р а ци о на льно го а на ли за вне ш ни х во зде йстви й и р а не е по лу ч е нно го о пыта в р е зу льта те са мо о б у ч е ни я и ли за ло же нно го в па мять о пыта экспе р то в. Пр и м е р ы частны х и нте лле к туальны х и нте р ф е й сов: - «и нте лле кту а льный» - пр е до ста вляющ и й б ольш и е во змо жно сти , ч е м др у ги е у стр о йства и ли пр о гр а ммы это го же кла сса . - « и нте лле кту а льна я пр о гр а мма » - та ка я пр о гр а мма , ко то р а я спо со б на о тсле жи ва ть со сто яни е си сте мы и пр о и зво ди ть со о тве тству ющ и е о пе р а ци и для до сти же ни я ну жно го р е зу льта та .

- «и нте лле кту а льный ко нтр о лле р » - выпо лняе т, кр о ме у пр а вле ни я не по ср е дстве нным о б ме но м, до по лни те льные фу нкци и : р е да кти р о ва ни е да нных, ко нтр о ль и х пр а ви льно сти , о б р а б о тку сло жных ко ма нд. - «и нте лле кту а льный ко пи р » - о б е спе ч и ва е т ци фр о ву ю о б р а б о тку ко пи р у е мо го и зо б р а же ни я: ма сш та б и р о ва ни е , у ве ли ч е ни е ко нтр а стно сти , выде ле ни е ко нту р о в, о б ъе ди не ни е и зо б р а же ни й и т.д. П р и е м и пе р е да ч у и зо б р а же ни й по ли ни ям связи . - «и нте лле кту а льна я б а за зна ни й» - о тли ч а е тся о тб а зы да нных те м ч то со ста вле на та к, на е е о сно ве мо жно о су щ е ствлять р а ссу жде ни я. Для о тве та на за пр о с и спо льзу ются, ка к не по ср е дстве нно хр а ни мые да нные , та к и фа кты, по лу ч а е мые ло ги ч е ски м выво до м. Э та б а за да нных с языко м за пр о со в б ли зки м к е сте стве нно му языку ч е ло ве ка . - «и нте лле кту а льный те р ми на л» - и ме е т со б стве нну ю па мять и ми кр о пр о це ссо р , пр е до ста вляющ и е ср е дства р е да кти р о ва ни я и пр е о б р а зо ва ни я да нных не за ви си мо о т р а б о ты Э ВМ , к ко то р о й о н по дключ е н. Ди а па зо н фу нкци й и во змо жно сте й ло ка льно й о б р а б о тки не ста нда р ти зи р о ва ны. О бщ е е опр е де ле ни е (на пе р спе к ти ву р азви ти я): - «и нте лле кту а льный и нте р фе йс» - со во ку пно сть ср е дств вза и мо де йстви я по льзо ва те ля с Э ВМ на е сте стве нно м языке , включ а ющ а я ди а ло го вый пр о це ссо р и пла ни р о вщ и к, пр е о б р а зу ющ и е о пи са ни е за да ч и в пр о гр а мму е е р е ш е ни я на о сно ве и нфо р ма ци и . Х р а нящ е йся в б а зе зна ни й и пр о гр а ммы «мо ни то р », о су щ е ствляющ е й у пр а вле ни е все ми ко мпо не нта ми и нте р фе йса .

1.3 Зам е чани я о и нф ор м аци онном взр ы ве в ср е де к отор ого м ы се й час жи ве м . [тр уд7. 20.01.00] Че ло ве к спо со б е н во спр и ни ма ть и б е зо ш и б о ч но о б р а б а тыва ть и нфо р ма ци ю со ско р о стью не б о ле е 25 б и т/се к . За жи знь мо жно та к пр о ч и та ть не б о ле е 3000 кни г, е же дне вно о сва и ва я по 50 стр а ни ц те кста . К се р е ди не жи зни мо жно у сво и ть и о сно вные зна ни я , на ко пле нные ч е ло ве ч е ство м за по сле дни е 20 ле т. С е йч а с, и зу ч а я да же то лько све жу ю ли те р а ту р у , б у де тна ка жду ю пр о ч и та нну ю стр а ни цу пр и хо ди ться 10 тыс. стр а ни ц, ко то р ые вы фа кти ч е ски не у спе е те пр о ч и та ть. Е сть та ко е по няти е «ма ку ла ту р ный фа кто р ».Э то кни ги , ко то р ые не по льзу ются спр о со м. На пр и ме р , и з 45 тыс. на у ч ных и те хни ч е ски х кни г Бе р ли нско й б и б ли о те ки ма ку ла ту р ный фа кто р , т.е . ну ле во й спр о с, р а ве н 90%. П е р и о д по лу р а спа да а кту а льных зна ни й – пр о ме жу то к вр е ме ни за ко то р ый по ло ви на све де ни й у тр а ч и ва е т це нно сть. С е го дня в высш е м о б р а зо ва ни и о н р а ве н 7-10 ле т, а в ко мпьюте р ных те хно ло ги ях со кр а ти лся до 1 го да . Ищ е м спа се ни я в у зко й спе ци а ли за ци и . В и то ге все б о льш е е ч и сло люде й жи ве твсе с ме ньш и ми зна ни ями о ми р е . Т о , ч то и зу ч а ло сь, но по то м не яви ло сь на су щ но не о б хо ди мым, ту т же за б ыва е тся, о тб р а сыва е тся «пе р е на пр яже нным» мо зго м. Х о тя, за ме ти м, и нфо р ма ци о нно го о б ъе ма па мяти мо зга ч е ло ве ка до ста то ч но , ч то б ы за по мни ть все о все й все ле нно й. С пр о си те за ко н Ома для по лно й це пи у по ли ти ка , вр а ч а … ? Они е го в ш ко ле у ч и ли , но за б ыли . Э то тза ко н и м не пр и хо ди тся и спо льзо ва ть в по все дне вно й пр а кти ке . Инфо р ма ци о нный взр ыв сде ла л та кже а кту а льным во пр о с со хр а не ни я р а сту щ е го ко ма и нфо р ма ци и . Не та к да вно в ш ко ле за да ва ли за у ч и ва ть на и зу сть. С е го дня не пло хо е сли сту де нти на у ч ный р а б о тни к зна ютгде , в ка ко м спр а во ч ни ке , в ка ко м и сто ч ни ке зна ни й и да нных на йти ну жну ю и нфо р ма ци ю.

1.4 Возм ожности и ф унк ци и че лове к а и м аш и ны в си сте м е че лове к м аш и на. Де яте льно сть ч е ло ве ка -о пе р а то р а в сло жно й си сте ме ч е ло ве к – ма ш и на ха р а кте р и зу е тся сле ду ющ и ми о со б е нно стями : 1) С и сте мы у пр а вле ни я не пр е р ывно у сло жняются и , сле до ва те льно , не пр е р ывно р а сш и р яются фу нкци и о пе р а то р а и кр у гр е ш а е мых и м за да ч . 2) В сло жно й си сте ме у пр а вле ни я ме жду ч е ло ве ко м и у пр а вляе мым о б ъе кто м вкли ни ва е тся си сте ма ди ста нци о нно й пе р е да ч и и о б р а б о тки и нфо р ма ци и . Во зни ка е т пр о б ле ма со гла со ва ни я те хни ч е ски х ср е дств си сте мы с во змо жными для о пе р а то р а о б ъе мо м и ско р о стью во спр и яти я и пе р е р а б о тки и нфо р ма ци и . 3) В со вр е ме нно й сло жно й си сте ме у пр а вле ни я на гр у зка на се нсо р ные ка на лы во спр и яти я (зр и те льные , слу хо вые , та кти льные ) р а спр е де ляются не р а вно ме р но . А пр и ди ста нци о нно м у пр а вле ни и о сно вна я на гр у зка ло жи тся на зр и те льный ка на л, ко то р ый ч а сто о ка зыва е тся пе р е гр у же нным. 4) Ча сто о пе р а то р у пр и хо ди тся р а б о та ть пр и же стки х о гр а ни ч е ни ях на б ыстр о ту и то ч но сть де йстви й пр и ха р а кте р но высо ко й це не о ш и б ки и б о льш о й эмо ци о на льно й на пр яже нно сти ( на пр и ме р , о пе р а то р РЛС , де жу р ный о пе р а то р А Э С , ко смо на вт). 5) В не ко то р ых сло жных си сте ма х о пе р а то р у пр и хо ди тся е щ е и р а б о та ть в не о б ыч ных у сло ви ях жи зне де яте льно сти ( о пе р а то р ко сми ч е ско го ко р а б ля, по дво дно й ло дки ). 6) Во змо жно сти со вр е ме нных те хни ч е ски х у стр о йств си сте м у пр а вле ни я су щ е стве нно пр и б ли зи ли сь к во змо жно стям ч е ло ве ка , а по не ко то р ым по ка за те лям пр е взо ш ли е го . Отсюда , ч то б ы о б е спе ч и ть эффе кти вну ю р а б о ту в це ло м си сте мы ч е ло ве к- ма ш и на , выте ка е т б о льш а я пр и нци пи а льна я пр о б ле ма : ка ку ю фу нкци ю в си сте ме у пр а вле ни я на и б о ле е р а ци о на льно по р у ч и ть о пе р а то р у , а ка ку ю - ма ш и не . Пр ове де м ср авне ни е : 1. П о ско р о сти , то ч но сти , о б ъе му пе р е р а б о тки о тде льных си гна ло в со вр е ме нные Э ВМ в зна ч и те льно й ме р е пр е во схо дят во змо жно сти ч е ло ве ка . Для во спр и яти я е ди ни цы и нфо р ма ци и не р вно й кле тке тр е б у е тся 0.01 с. А Э ВМ во спр и ни ма е т б и т за вр е мя на мно го по р ядко в ме ньш е . Одна ко мо згч е ло ве ка спо со б е н к па р а лле льно й и а ссо ци а ти вно й о б р а б о тке и нфо р ма ци и . С ло жные «ч е ло ве ко по до б ные » за да ч и в те хни ке Э ВМ р е ш а ют у ве ли ч е ни е м б ыстр о де йстви я и мно го пр о це ссо р но сти со вр е ме нных се те й Э ВМ . Э ти на пр а вле ни я пр о гр е сса те хни ки Э ВМ б ыстр о и у спе ш но р а зви ва ются. П о д во спр и яти е м в пси хо ло ги и по ни ма е тся о тр а же ни е пр е дме то в и явле ни й в со во ку пно сти и х сво йств. В Э ВМ по ка во змо жно о то б р а зи ть ли ш ь о тде льные сво йства явле ни й, о б ыч но вне и х вза и мо связе й. П о это му та ко й пр о це сс в Э ВМ е сть ско р е е а на ло г пси хи ч е ско го пр о це сса о щ у щ е ни я. Во змо жно сти Э ВМ по о б ъе ди не ни ю и о б о б щ е ни ю (ч е ло ве ч е ски р а зу мно му ) си гна ло в по ка о гр а ни ч е ны. Е щ е по ка вхо д и нфо р ма ци и в Э ВМ за ме тно у зо к. С е нсо р ный вхо д ч е ло ве ка ч р е звыч а йно ш и р о к. Че ло ве к спо со б е н мгно ве нно во спр и ни ма ть це лые ко мпле ксы са мых р а зно о б р а зных пр и зна ко в пр е дме то в ч е р е з си гна лы р а зли ч ных мо да льно сте й (зр и те льных, слу хо вых, та кти льных), пр о и зво ди ть и х о б о б щ е ни я, фо р ми р о ва ть о б р а з и тр а нсфо р ми р о ва ть е го с по зи ци й за да ч и . Че ло ве к спо со б е н пр и спо са б ли ва ться к у сло ви ям во спр и яти я, пр е о до ле ва ть тр у дно сти пр и во спр и яти и не о пр е де ле нно й, дву смысле нно й и нфо р ма ци и и о це ни ва ть по ка за те ли ве р о ятно стно го по р ядка . Че ло ве ку пр и су щ а ко нста нтно сть во спр и яти я р а зме р о в, фо р мы, цве та и т.п., по зво ляющ а я е му не за ви си мо о т у сло ви й пр е дъявле ни я о б ъе кта на б люде ни я (у да ле ни я, р а спо ло же ни я в по ле зр е ни я, о све щ е ни я и т.п.) у зна ва ть о б ъе кт.

На у ч и ть Э ВМ эти м спо со б но стям е сть о дна и з за да ч но вых б у р но р а зви ва ющ и хся те о р и й и ску сстве нно го и нте лле кта и р о б о то те хни ки и за р о жда ющ е йся те о р и и и ску сстве нно го и нте р фе йса . 2. П а мять ч е ло ве ка о дни и ссле до ва те ли о це ни ва ют ч и сло м во змо жных ко нту р о в не йр о нно й се ти и з 1010 не йр о но в. Др у ги е о це ни ва ют па мять ч е ло ве ка в со тни Гб а йт. Т е хни ч е ски е во змо жно сти па мяти Э ВМ б ыстр о р а сту т. Э ВМ спо со б на со хр а нять та ко е ко ли ч е ство о дно ти пных да нных в р а б о те си сте мы, ко то р о е не спо со б е н за по мни ть ч е ло ве к. Одна ко в па мяти ч е ло ве ка ка ждый эле ме нт зна ни я включ е н в та ко е ч и сло р а зли ч ных связе й, ка ко е по ка не спо со б на у ч е сть Э ВМ . П р е и му щ е ство ма ш и нно й па мяти пр о являе тся пр и хр а не ни и о дно ти пных да нных. П р е и му щ е ство па мяти ч е ло ве ка в хр а не ни и б о льш о го ч и сла связе й. М а ш и нну ю па мять мо жно сво б о дно сти р а ть, а у б р а ть вне ш ни м во зде йстви е м да нные и з па мяти ч е ло ве ка ли б о не во змо жно , ли б о о ч е нь тр у дно . В то же вр е мя ч е ло ве к спо со б е н за б ыва ть не ну жные е му све де ни я. 3. Для во спр о и зве де ни я на Э ВМ пр о це ссо в мыш ле ни я тр е б у е тся су щ е стве нно е у ве ли ч е ни е и нте гр а льных во змо жно сте й вво да и нфо р ма ци и и з-за и х не до ста то ч но й ги б ко сти и пла сти ч но сти в пр о це сса х мыш ле ни я. Т р е б у е тся р а зр а б о тка та ко го б о льш о го ко ли ч е ства р а зли ч ных пр о гр а мм пр е о б р а зо ва ни я, о б ъе ди не ни я и о б о б щ е ни я и нфо р ма ци и ка ки м о б ла да е тч е ло ве к. Не о б хо ди мо на у ч и ть Э ВМ р е ш а ть за да ч и та ко й высо ко й сте пе ни не о пр е де ле нно сти , с ка ки ми спр а вляе тся ч е ло ве к. Одна ко пр и р е ш е ни и о тде льных за да ч с б о льш и м ч и сло м о дно р о дных и вза и мо связа нных да нных Э ВМ у же зна ч и те льно пр е во схо ди т ч е ло ве ка . А та ки х за да ч в си сте ма х ч е ло ве к-ма ш и на мно го . 4. П о мо то р ным фу нкци ям (ско р о сть, б ыстр о де йстви е , то ч но сть, си ла и др .) со вр е ме нные ма ш и ны б е зу сло вно пр е во схо дят ч е ло ве ка . М а ш и ны спо со б ны о б е спе ч и ть то ч но е р е гу ли р о ва ни е па р а ме тр о в, ка к по ве ли ч и не и ско р о сти и х и зме не ни я, та к и по пр о и зво дным высш е го по р ядка , к ч е му не спо со б е н ч е ло ве к. М а ш и ны мо гу ти ме ть б о льш о й за па с эне р ги и . Одна ко мо то р ный выхо д ма ш и ны о гр а ни ч е н ч а сто то лько о пр е де ле нным на б о р о м о тве то в. Че ло ве к у же и спо льзу е тзна ч и те льно б о льш е е ко ли ч е ство ва р и а нтных о тве тных де йстви й, ко то р ые за р а не е пр а кти ч е ски о ч е нь тр у дно , ли б о не во змо жно пр е ду смо тр е ть в ма ш и не . 5. Че ло ве к спо со б е н к высо ко й сте пе ни са мо о р га ни за ци и на р а зли ч ны у р о внях. У Э ВМ эти спо со б но сти к са мо о р га ни за ци и и и спо льзо ва ни ю на ка пли ва е мо го в па мяти « о пыта » по ка не б о льш и е . В слу ч а ях во зни кно ве ни я «тр у дно сте й» в р а б о те те хни ч е ско го зве на ма ш и на ли б о пр е кр а щ а е т р а б о ту , ли б о р е зу льта т е е де йстви я о ка зыва е тся б е ссмысле нным для си сте мы. Че ло ве к же в та ки х слу ч а ях и зыски ва е тпу ти к со хр а не ни ю но р ма льно й р а б о ты си сте мы и к до сти же ни ю це ли . 6. Во зде йстви я, ка к вне ш ни е , та к и вну тр е нни е на ч е ло ве ка и ма ш и ну пр и нци пи а льно р а зли ч ны. Че ло ве к б ыстр о у ста е т, е му не о б хо ди м пе р и о ди ч е ски й о тдых. Че ло ве к не спо со б е н дли те льно е вр е мя со ср е до то ч и ть вни ма ни е на о пр е де ле нно м о б ъе кте и мо же т о твле ка ться. Он ч у встви те ле н к р а зли ч ным стр е ссо вым си ту а ци ям, по две р же н вли яни ю су б ъе кти вных фа кто в и эмо ци ям. Все х эти х « не до ста тко в» не т у ма ш и ны. Одна ко ма ш и на ч у встви те льна к ма гни тным и эле ктр и ч е ски м по лям (по ме ха м), к вне ш не й те мпе р а ту р е и т.д. Че ло ве к спо со б е н пр о ти во сто ять б о льш и нству вну тр е нни х на р у ш е ни й, во зни ка ющ и х в е го о р га ни зме , и со хр а нять пр и это м но р ма льно е фу нкци о ни р о ва ни е . Вну тр е нни е на р у ш е ни я в те хни ч е ско м у стр о йстве ве ду т к на р у ш е ни ю р а б о ты все й си сте мы.

На се го дняш не м у р о вне пр о гр е сса сч и та е тся, ч то Э ВМ хо р о ш о выпо лняе т сле ду ющ и е фу нкци и : - все ви ды ма те ма ти ч е ски х р а сч е то в; - выпо лне ни е о дно о б р а зных по вто р яющ и хся о пе р а ци й; - хр а не ни е в па мяти б о льш о го о б ъе ма о дно р о дно й и нфо р ма ци и , б а нка да нных и зна ни й; - р е ш е ни е за да ч , тр е б у ющ и х де ду кти вно го мыш ле ни я, т.е . по лу ч е ни я на о сно ве о б щ и х пр а ви л р е ш е ни й для ч а стных слу ч а е в; - выпо лне ни е де йстви й, тр е б у ющ и х б ыстр о й р е а кци и на ко ма нду : на о ч е р е ди пр о б ле ма на у ч и ть Э ВМ выпо лнять сле ду ющ и е фу нкци и , ха р а кте р ные для ч е ло ве ка : - р а спо зна ва ни е си ту а ци и в це ло м по мно ги м сло жно связа нным ха р а кте р и сти ка м, а та кже пр и не по лно й и нфо р ма ци и . Но за ме ти м, ч то те о р и и р а спо зна ва ни я о б р а зо в и и ску сстве нно го и нте лле кта б ыстр о р а зви ва ются; - и нду кти вно е мыш ле ни е , т.е . о су щ е ствле ни е о б о б щ е ни й по о тде льным фа кта м, о со б е нно пр и не по лно й и нфо р ма ци и ; - р е ш е ни е за да ч , для ко то р ых о тсу тству ют а лго р и тмы и ли не т ч е тко выр а же нных пр а ви л пе р е р а б о тки и нфо р ма ци и ; - р е ш е ни е за да ч , в ко то р ых тр е б у е тся ги б ко сть и пр и спо са б ли ва е мо сть (а да пта ци я) к и зме няющ и мся у сло ви ям, о со б е нно за да ч , ко то р ые за р а не е тр у дно пр е дви де ть; - р е ш е ни е за да ч высо ко й о тве тстве нно сти (пр и няти я р е ш е ни й), в ко то р ых ве ли ка це на о ш и б ки . Вви ду б ыстр о р а зви ва ющ и хся ко мпьюте р ных и сме жных с ни ми на у к и р о ста во змо жно сте й Э ВМ , мо жно о жи да ть, ч то у же в ср а вни те льно не да ле ко м б у ду щ е м не ко то р ым и з пе р е ч и сле нных выш е фу нкци й ч е ло ве к на у ч и ти ма ш и ну . За ме ти м, ч то на б люда е тся те нде нци я о пр е де ле нно го ср а щ и ва ни я ч е ло ве ка с Э ВМ . М но ги е р а зр а б о тч и ки р у ко во дству ются сле ду ющ и ми пр и нци па ми р а зде ле ни я фу нкци й ме жду ч е ло ве ко м и ма ш и но й : - пр и нци п о пти ми за ци и и нфо р ма ци о нно го о б ме на ; - пр и нци п ма кси ми за ци и по ка за те ле й си сте мы ч е ло ве к-ма ш и на в це ло м; - пр и нци п пр е и му щ е стве нных во змо жно сте й; - пр и нци п вза и мно го до по лне ни я и р е зе р ви р о ва ни я; - пр и нци п о тве тстве нно сти ; - пр и нци п а кти вно сти и у до вле тво р е нно сти ч е ло ве ка -о пе р а то р а ; - пр и нци п ле гко сти о б у ч е ни я о пе р а то р а .

1.5 Взаи м оде й стви е че лове к а с к ом пью те р ом . Пр обле м а общ е ни я. Об щ е ни е ч е ло ве ка с ко мпьюте р о м, по жа лу й, о дна и з са мых сло жных пр о б ле м. Для о б щ е ни я дву х па р тне р о в тр е б у е тся язык, по нятный о б о и м. Я зык ка к ср е дство о б щ е ни я ч е ло ве ка с П К за ви си то тте х за да ч , ко то р ые пр е дсто и тр е ш а ть ко мпьюте р у . Че м сло жне е за да ч а , те м выр а зи те льне е до лже н б ыть язык на ко то р о м фо р му ли р у е тся за да ни е и о пи сыва е тся спо со б р е ш е ни я за да ч и . Разли чае м два случая: - П К у ме е тр е ш а ть р яд за да ч – в е го па мяти е сть пр о гр а ммы р е ш е ни я. П р о б ле ма о б щ е ни я со сто и тв то м, ч то б ы да ть П К со о тве тству ющ у ю ко ма нду ; - П К не и ме е т та ко й пр о гр а ммы и е е на до со ста ви ть (это р е ш а ть и ка к р е ш а ть). В это м слу ч а е язык до лже н б ыть б о ле е сло жным и выр а зи те льным.

В ди а ло ге ч е ло ве к-П К па р тне р ы не р а вно пр а вны. Че ло ве к все гда по йме т П К (для это го е му ну жны зна ни я и вр е мя). На у ч и ть ко мпьюте р по ни ма ть язык о б щ е ни я о пять же до лже н ч е ло ве к. Все х собе се дни к овк ом пью те р а м ожно р азде ли ть на гр уппы : 1. си сте мные пр о гр а мми сты (и х ма ло ) - со зда ютпр о гр а ммы, о б ле гч а ющ и е тр у д др у ги х пр о гр а мми сто в. 2. П р о гр а мми р у ющ и е по льзо ва те ли – пи ш у т пр о гр а ммы для се б я, для р е ш е ни я сво и х за да ч . 3. Не пр о гр а мми р у ющ и е по льзо ва те ли (и х б о льш и нство )- хо тят р е ш а ть сво и за да ч и на П К не же ла я по др о б но вни ка ть в языки пр о гр а мми р о ва ни я: и х на зыва ют– ко не ч ные по льзо ва те ли , не пр о фе сси о на льные по льзо ва те ли , «ч а йни ки ». 4. Х а ке р ы Вза и мо де йстви е ч е ло ве ка с П К, та к же ка к и П К ме жду со б о й в ло ка льно й се ти и П К с ме жду на р о дно й па у ти но й (Инте р не то м) о су щ е ствляе тся ч е р е з и нте р фе йсы – ср е дство со пр яже ни я о б о р у до ва ни я, пр о гр а мм и т.д. . т.е . гр а ни ца ч е р е з ко то р у ю о су щ е ствляе тся вза и мо де йстви е ме жду дву мя ко нта кти р у ющ и ми по дси сте ма ми . П р и ме р пр о сте йш е го и нте р фе йса для б ыто вых эле ктр и ч е ски х пр и б о р о в и эле ктр и ч е ско й се ти – это па р а ви лка р о зе тка . Ви лка до лжна по дхо ди ть к р о зе тке . Инфо р ма ци я, пр о хо дящ а я ч е р е з и нте р фе йс (ч е ло ве к-ко мпьюте р ) до лжна пе р е да ва ться в о пр е де ле нно й фо р ме . Inter- пр е фи кс, и ме ющ и й зна ч е ни е вза и мо де йстви я, вза и мо на пр а вле нно сти Face- ли цо , гр а нь, фа са д Interface – со во ку пно сть ср е дств и пр а ви л, о б е спе ч и ва ющ и х вза и мо де йстви е у стр о йств П К и пр о гр а мм. Т р е б о ва ни я и нте р фе йса а на ло ги ч ны языко вым тр е б о ва ни ям пр и о б щ е ни и люде й: ли б о о б щ и й язык, ли б о ч е р е з пе р е во дч и ка . П о сле дняя фу нкци я ч а сто пр е вр а щ а е т и нте р фе йс в со ве р ш е нно са мо сто яте льну ю по дси сте му – спе ц. П р о це ссо р и ли и нте р фе йсна я Э ВМ . Ра зли ч а е м и нте р а кти вный и нте р фе йс и и нте лле кту а льный и нте р фе йс. Т е р ми но м “и нте р а кти вный” на зыва ют всяко е о б щ е ни е ч е ло ве ка с П К, ко гда по льзо ва те ль и ме е тво змо жно сть ди на ми ч е ски у пр а влять р а б о то й ко мпьюте р а . На пр и ме р “и нте р а кти вна я гр а фи ка ”-по льзо ва те ль и ме е т во змо жно сть ди на ми ч е ски у пр а влять со де р жа ни е м и зо б р а же ни я, е го фо р мо й, р а зме р о м, цве то м и т.д. С по мо щ ью спе ци а льно го и нте р а кти вно го и нте р фе йса вза и мо де йстви я (кла ви а ту р а , мыш ь, гр а фи ч е ски й пла нш е ти П О) Т е р ми но м “и нте лле кту а льный” (на пр и ме р , и ску сстве нный и нте лле кт, и нте лле кту а льный и нте р фе йс) на зыва ют всяки й р е зу льта т р а б о ты ко мпьюте р а ко то р ый б ыл б ы со ч те н р а зу мным, е сли б ы б ыл пр о и зве де н ч е ло ве ко м. Об р а ти те вни ма ни е , ч то вза и мо де йстви е П К с ч е ло ве ко м ли б о с те хни ч е ски м у стр о йство м (р о б о т, си сте ма у пр а вле ни я сте ко м, пр о и зво дство м и т.д.) и нте лле кту а льный и нте р фе йс о б е спе ч и ва е тв р е жи ме о пти ми за ци и (пр и спо со б ле ни я, а да пта ци и ) р а б о ты П К к и зме няющ и мся ха р а кте р и сти ка м ч е ло ве ка и ли те хни ч е ско го у стр о йства . Пр и м е р ы : П К у пр а вляе т р а б о то й А Ц П . Че р е з ко то р ый вво ди тся в па мять П К о ци фр о вка а на ло го во го си гна ла . Инте лле кту а льный и нте р фе йс (у стр о йство и пр о гр а мма ) а вто ма ти ч е ски а да пти р у ются со сто яни ю А Ц П , ка ли б р у я (во сста на вли ва я) то ч но сть е го р а б о ты пр и у хо де е го па р а ме тр о в о тте мпе р а ту р ы, на пр яже ни я пи та ни я, о твр е ме ни тдр . - и нте лле кту а льный и нте р фе йс по лу ч а я и нфо р ма ци ю о т да тч и ко в со сто яни я а вто во ди те ля и да тч и ко в за дне го о б зо р а до р о ги о ста на вли ва е т а вто мо б и ль, выключ а я

-

за жи га ни е и то р мо зя, е сли на пр и ме р во ди те ль впа л в а ва р и йно е пси хо со сто яни е – за сну л за р у ле м, за б о ле л, выпи л и т.д. а у те нти фи ка ци я ли ч но сти по го ло су .

П р о сто й фо р мо й о б щ е ни я ч е ло ве ка (не пр о фе сси о на льно го по льзо ва те ля) с П К являе тся ди а ло г. В БС Э – ди а ло г- гр е ч е ско е сло во “р а зго во р , б е се да ” у по тр е б ляе тся для та ко го ви да р е ч и , для ко то р о го ха р а кте р но : 1) си ту а ти вно сть – за ви си мо сть о то б ста но вки , в ко то р о й пр о те ка е тди а ло г. 2) ко нте ксту а льно сть –о б у сло вле нно сть пр е дыду щ и ми выска зыва ни ями . 3) за р а не е не за пла ни р о ва нный ха р а кте р . П си хо ло ги на зыва ютди а ло го м та ко е р е ч е во е о б щ е ни е дву х па р тне р о в-люде й ко гда о ни по пе р е ме нно го во р яти слу ш а ют, и о смысли ва ютка к ска за нно е , та к и у слыш а нно е . Е сли о ди н о тка зыва е тся в сво ю о ч е р е дь взять сло во то ди а ло г пр е вр а щ а е тся в мо но ло г. Е сли о тка зыва ются о б а ср а зу – р а зго во р и сч е р пыва е тся. Ди а ло г и ме е т та кто ву ю (р и тми ч ну ю) стр у кту р у . Оди н та кт - р е ч ь, др у го й – мо лч а ни е . Ри тмы ди а ло га и нди ви ду а льны. С то ч ки зр е ни я сме ны со сто яни я и ме е м ч е тыр е фо р мы: 1) о б а па р тне р а го во р ят 2) о б а мо лч а т 3) пе р вый го во р и т, вто р о й мо лч и т 4) пе р вый мо лч и т, вто р о й го во р и т Инже не р р а ссма тр и ва е т ди а ло г и на ч е . Для не го о сно вно й ка те го р и е й являе тся и нфо р ма ци я, пр о це ссы е е во зни кно ве ни я и пе р е р а б о тки . Инже не р стр о и т фо р ма льну ю мо де ль ди а ло га – о б ме н и нфо р ма ци е й ме жду дву мя си сте ма ми в р е жи ме р е а льно го вр е ме ни и о тно си те льно стр о го о пр е де ле нно го пр е дме та (о б ъе кта ). П р и это м о б а со б е се дни ка (и ли хо тя б ы о ди н) пр е сле ду юто тно си те льно пр е дме та б е се ды о пр е де ле нные це ли . П р е дме то м ди а ло га мо гу тб ыть ли ш ь та ки е о б ъе кты, о ко то р ых ка ждый со б е се дни к хо ть ч то -ни б у дь зна е ти с др у го й сто р о ны зна ни я со б е се дни ко в не со впа да ютпо лно стью, и на ч е о б ме н и нфо р ма ци е й те р яе тсмысл. Т и пы ди а ло га ме жду по льзо ва те ле м не пр о фе сси о на льным и П К: - во пр о с и з ме ню; - во пр о с-о тве т(и нстр у кци я-о ткли к); - о тве ты с у ка за ни е м (и за по лне ни е б ла нко в); - язык ко ма нд; - е сте стве нный язык; - за пр о с по о б р а зцу с и спо льзо ва ни е м по зи ци о нно го выб о р а .

2. М ате м ати че ск ое м оде ли р овани е пе р е р аботк и и нф ор м аци и че лове к ом -опе р атор ом . И нф ор м аци онны е пр оце ссы в де яте льности че лове к а На ч не м р а ссмо тр е ни е ч е ло ве ка -о пе р а то р а .

это й те мы с пр о стых и нфо р ма ци о нных мо де ле й для

2.1 И нф ор м аци онная м оде ль воспр и яти я че лове к ом пок азани й одного стр е лочного пр и бор а П о дсч и та е м и нфо р ма ци ю, ко то р у ю по лу ч а е т пи ло т са мо ле та пр и сч и тыва ни и по ка за ни я у гла кр е на са мо ле та со стр е ло ч но го пр и б о р а ш ка лы а ви а го р и зо нта , р и с 2.1.

Ри с. 2.1 П у сть для да нно го ти па са мо ле та у глы кр е на γ по со о б р а же ни ям б е зо па сно сти не до пу ска ются б о льш е ± 30 o и по это му на хо дятся в пр е де ла х у гла Γ =60 o . П р и ме м, ч то р а зли ч ные у глы γ I во зни ка ют с р а вно й ве р о ятно стью P1. За ме р у ди скр е тно сти

и зме р е ни я у гла кр е на пр и ме м ве ли ч и ну у гла ε - р а зр е ш а ющ е й спо со б но сти пр и б о р а . Её о пр е де ли м и з Га у ссо во й кр и во й пло тно сти р а спр е де ле ни я слу ч а йных о ткло не ни й стр е лки пр и б о р а о т и сти нно го зна ч е ни я γ I , пр и няв, за ве ли ч и ну ε та ко й и нте р ва л γi ве р о ятно сть по па да ни я в ко то р ый слу ч а йно й ве ли ч и ны γ р а вна 0,95.

±ε /2,

Опр е де ле ни я р а зр е ш а ющ е й Ква нто ва ни е ш ка лы γ спо со б но сти пр и б о р а m = Γ/ε P1 = 1 / m = ε / Γ Ри с. 2.2 Т .к. выш е мы пр е дпо ло жи ли , ч то р а зли ч ные у глы γ во зни ка ютс р а вно й ве р о ятно стью, то ве р о ятно сть это го по явле ни я ка ждо го и з ди скр е тных со сто яни й б у де т:

Pi = ε / Γ

С ле до ва те льно , энтр о пи я пр и б о р а , а ви а го р и зо нта ка к и сто ч ни ка γ р а вно ве р о ятных со о б щ е ни й б у де т, фо р му ла для Pi = const : m

H = ∑ Pi log1 / Pi = m / m log m = log m i =1

↑ Pi = const = 1 / m Т .к. у на с Pi = P 1 = ε / Γ , то : H = log 1 / P 1 = log Γ / ε П и ло тв сво ю о ч е р е дь о тсч и тыва е тви зу а льно у го л кр е на с о гр а ни ч е нно й то ч но стью р а зр е ш а ющ е й спо со б но стью о тсч е та δ . П у сть в пр е де ла х у ч а стка δ ш ка лы пр и б о р а за ключ е но κ ди скр е тных о тр е зко в р а зр е ш а ющ е й спо со б но сти ε пр и б о р а . На пр и ме р , е сли ви зу а льный у го л р а зр е ш е ни я δ = 2° , а ме р а ди скр е тно сти пр и б о р а ε = 1° , то на у ч а стке δ б у де т κ =2 ди скр е тных зна ч е ни й пр и б о р а . За ме ти м, ч то пр а кти ч е ски , ка к пр а ви ло , все гда ε <δ . Е сли сч и та ть, ч то это κ зна ч е ни я по являются с р а вно й ве р о ятно стью, (А ) то ве р о ятно сть по явле ни я ка ждо го и з ни х б у де т Pκ = ε / δ . На зо ве м это пр е дпо ло же ни е у сло ви е м (А ). Т о гда по сле выпо лне ни я пи ло то м ви зу а льно го о тсч е та энтр о пи я си сте мы б у де т Η (γ ) по сле = log(δ / ε ) (1) С ле до ва те льно , по лу ч е нна я пр и это м и нфо р ма ци я р а вна я р а зно сти энтр о пи й и сто ч ни ка до о тсч е та и по сле о тсч е та б у де т: Ι = Η (γ ) до − Η (γ ) по сле = log(Γ / ε ) − log(δ / ε ) = log(Γ / δ ) (2) 1 случай . Ве ли ч и ну δ о пр е де ли ли и з ма ссо во го экспе р и ме нта с пи ло та ми в ла б о р а то р и и . На йде но , ч то ви зу а льна я по гр е ш но сть о тсч е то в р а спр е де ляе тся о тно си те льно за да нных γ по но р ма льно му за ко ну р а спр е де ле ни я слу ч а йно й ве ли ч и ны. У 95% и ссле ду е мых пи ло то в по гр е ш но сти о тсч е то в не пр е выш а ют ± 1,3 o пр и до ве р и те льно й ве р о ятно сти β = 0,95. С ле до ва те льно , у пи ло то в ви зу а льна я р а зр е ш а ющ а я спо со б но сть о тсч е то в у гла кр е на б у де т: δ o = 2,6° . Т а ки м о б р а зо м ср е дне е ко ли ч е ство и нфо р ма ци и по лу ч а е мо й пи ло та ми пр и о тсч е та х у гло в кр е на : Ι = log(Γ / δ o) = log(60 / 2,6) = ln(60 / 2,6) / ln 2 = 4,52бита 2 случай . В р е а льных по ле та х у глы кр е на на ш ка ле а ви а го р и зо нта по являются с р а зно й ∗ ве р о ятно стью. П у сть ве р о ятно сть о тсу тстви я кр е на (γ = 0) б у де т Po = 0,4. Ве р о ятно сть пр а во го и ли ле во го кр е на (γ < 4°) б у де т ∗

P

3

1

= 0,05. Ве р о ятно сть на и б о ле е ти пи ч но го

(γ < 15°) пу сть

пр а во го и ли ле во го кр е на ди скр е тных зна ч е ни й

∗

P

∗

P

2

= 0,1. Ве р о ятно сть о ста льных 18

= 0,0167. Иб о все го ди скр е тных зна ч е ни й о тсч е то в р а вно

Γ / δ o = 60 / 2,6 = 23 , а су мма

∑ Pi = 1. i

В это м слу ч а е ко ли ч е ство и нфо р ма ци и : Ι = Η (γ ) до − Η (γ ) пос ле = log 1 / P1 − ( P0∗ log 1 / P0∗ + 2 P1∗ log 1 / P1∗ + 2 P2∗ * log 1 / P2∗ + 18 P3∗ * log 1 / P3∗ ) = 3,6ит т.е . ме ньш е , ч е м пр и о пыта х в ла б о р а то р и и . 3 случай . П и ло т де ла е т о тсч е ты в по ле те в у сло ви ях ту р б у ле нтно й а тмо сфе р ы – пр и “б о лта нке ”. Э ту б о лта нку р а ссма тр и ва е м ка к по явле ни е по ме х сч и тыва ни ю. Т е пе р ь на до в у сло ви ях б о лта нки (на пр и ме р , мо де ли р у я е е в ла б о р а то р и и , по са ди ли пи ло та в

ка ч а ющ е е ся кр е сло ) пр о ве сти и ссле до ва ни я по и зме р е ни ю ви зу а льно й р а зр е ш а ющ е й спо со б но сти пи ло та . Ока зыва е тся в эти х у сло ви ях у 95% пи ло то в ви зу а льна я р а зр е ш а ющ а я спо со б но сть к о тсч е ту у гла кр е на по лу ч и ла сь δ 1 = 7,8°. С ле до ва те льно , на хо ди м: Ι = log(Γ / δ 1 ) = ln(60 / 7,8) / ln 2 = 2,94бит пр и р а вно ве р о ятных у гла х кр е на . П р и не р а вно ве р о ятных у гла х кр е на , сле ду е т пр и ме ни ть ме то ди ку р а сч е та и зло же нну ю для 2-го слу ч а я. В за ключ е ни е за ме ти м, ч то выр а же ни е (1) и , сле до ва те льно , и выр а же ни е (2) являются пр и б ли же нными , и б о о сно ва ны на пр и ме не ни и у сло ви я (А ), ко то р о е р а вно си льно р а вно ме р но му р а спр е де ле ни ю о тр е зко в ε на и нте р ва ле δ . Т .к. ви зу а льна я по гр е ш но сть о тсч е то в и ме е т но р ма льно е р а спр е де ле ни е , то для б о ле е то ч ных р а сч е то в сле ду е т сна ч а ла выч и сли ть ве р о ятно сть Pi , ка к по ка за но на р и с. 2.3, а за те м взять фо р му лу 3.2.2 для р а зных

P. i

∞

Η (γ ) пос ле = 2∑ Pi log 1 / Pi i =0

Ри с. 2.3 (на р и су нка х 2.2 и 2.3 о сь о р ди на те сть пло тно сть р а спр е де ле ни я ве р о ятно сте й).

2.2

И нф ор м аци онная м оде ль не ск ольк и х пр и бор ов

наблю де ни я

че лове к ом

пок азани й

В ка ч е стве на глядно го пр и ме р а пр и ме не ни я те о р и и и нфо р ма ци и для о це нки и нфо р ма ци о нно й пр о и зво ди те льно сти ч е ло ве ка р а ссмо тр и м экспе р и ме нты Р. Ко нр а да (1951г.). На б люда те ли о тсле жи ва ли о т1 до 4-х ци фе р б ла то в, стр е лки ко то р ых вр а щ а ли сь с не ско льки ми р а зли ч ными о тза да нно го ср е дне го , но с по сто янными у гло выми ско р о стями . Ко гда стр е лка на ци фе р б ла те со впа да ла с о дно й, у ка за нно й и з 6-ти ме то к, на б люда те ль до лже н б ыл р е а ги р о ва ть на жа ти е м кно пки , со о тве тству ющ е й это му ци фе р б ла ту . П о дсч и тыва ли сь пр а ви льные и о ш и б о ч ные р е а кци и . Ре зу льта ты Р. Ко нр а д о пу б ли ко ва л в ви де та б ли ц и гр а фи ко в за ви си мо сте й ч и сла пр а ви льных р е ш е ни й в се ку нду о т ср е дне й ско р о сти вр а щ е ни я стр е ло к и ч и сла пр а ви льных р е а кци й в се ку нду о тч и сла на б люда е мых ци фе р б ла то в, ка к по ка за но на р и с. 2.4

Ри с.2.4 П р и та ко м пр е дста вле ни и да нных о пыто в со ве р ш е нно не ясно , ка ку ю фи зи ч е ску ю су щ но сть р а б о ты ч е ло ве ка -о пе р а то р а о ни пр е дста вляют. Уо л (1967г.) пр и ме ни л для о б р а б о тки да нных Ко нр а да сле ду ющ у ю и нфо р ма ци о нну ю мо де ль о пе р а то р а , р и с. 2.5

Ри с. 2.5 Ко ли ч е ство и нфо р ма ци и на вхо де Уо л о пр е де ли л на о сно ве сле ду ющ е го пр е дпо ло же ни я. Т .к. стр е лки вр а щ а ются не си нхр о нно с не пр е р ывно й р а зб е жко й фа з, то на б люда те лю на сто лько тр у дно , пр е дска за ть к ка ко му и з ци фе р б ла то в б у де т о тно си ться сле ду ющ а я р е а кци я, ч то по о тно ш е ни ю к на б люда те лю по р ядо к р е а кци й мо жно сч и та ть слу ч а йным. Отно си те льна я ч а сто та си гна ло в i-го и з m ци фе р б ла то в р а вна : m

Ni / ∑ N j j =1

где N j - ско р о сть (ко ли ч е ство о б о р о то в в се ку нду ) вр а щ е ни я стр е лки . Но пр и ∑ N до ста то ч но б о льш о й это выр а же ни е стр е ми тся к ве р о ятно сти Ρi то го , ч то сле ду ющ и й си гна л б у де т с i-го ци фе р б ла та . С ле до ва те льно , энтр о пи я (ср е дне е ко ли ч е ство и нфо р ма ци и на о ди н си гна л) б у де т: m

Νi

m

Η=∑ i =1

∑Ν * log

m

∑Ν j =1

j

j =1

N

j

Би т/ си гна л

i

Т .к. на ка ждо м ци фе р б ла те 6 де ле ни й, то ч и сло си гна ло в в се ку нду р а вно m

6*∑Ν j j =1

С ле до ва те льно , ско р о сть пр е дъявле ни я и нфо р ма ци и на вхо де и нфо р ма ци о нно й мо де ли ч е ло ве ка р а вна : m

Η * 6 * ∑ Η j бит / с j =1

А ч и сло пр а ви льных р е а кци й у мно же нно е на H б у де тско р о стью во спр о и зве де ни я (пе р е р а б о тки , пе р е да ч и ) и нфо р ма ци и ч е ло ве ко м. Е сли в это й си сте ме ко о р ди на тпр е дста ви ть да нные Р. Ко нр а да , р и с. 2.6

Ри с. 2.6 то у ви ди м сле ду ющ е е . 1. П р о пу скна я спо со б но сть и нфо р ма ци и у ч е ло ве ка НЕ за ви си т о тде льно ни о т ско р о сти ге не р а ци и си гна ло в (вр а щ е ни я стр е ло к), ни о тко ли ч е ства ци фе р б ла то в, а о пр е де ляе тся то лько р е зу льти р у ющ и м ко ли ч е ство м и нфо р ма ци и , пр е дъявляе мо й в се ку нду , т.к. да нные и з 2-х, 3-х и 4-х ци фе р б ла то в ло жа тся на о дну кр и ву ю. 2. Че ло ве к высту па е т ка к е ди ный и нфо р ма ци о нный ка на л с о гр а ни ч е нно й пр о пу скно й спо со б но стью с пе р е ключ е ни е м на б люде ни я за не ско льки ми ци фе р б ла та ми по сле до ва те льно во вр е ме ни . В др у ги х по до б ных экспе р и ме нто в и зме р яли сь, р е ги стр а ци е й дви же ни я гла з на ки но ле нте , ч а сто ты о тсч е то в – фи кса ци й пе р е ключ е ни я взгляда на ка ждый ци фе р б ла т. Ока за ло сь, ч то ч а сто ты о тсч е то в Fi за ви сят о т ш и р и ны по ло сы Fпо ло сы слу ч а йных ко ле б а ни й стр е ло к со гла сно те о р е ме Ко те льни ко ва для ди скр е ти за ци и не пр е р ывно го си гна ла : Fi = α * 2 * Fполос ы i П о дста ви в в фо р му лу о пытные да нные Fi = 0,8 Гц; Fполос ы i = 0,32 Гц по лу ч и м α = 0,8 / 2 * 0,32 = 1,25 С ле до ва те льно , ч е ло ве к во спр и ни ма е т и нфо р ма ци ю, ка к ка на л связи с ч и сло м о тсч е то в в се ку нду б ли зки м к ми ни ма льно не о б хо ди мым по Ко те льни ко ву . Ита к, и нфо р ма ци о нный по дхо д пр и о пи са ни и сво йств ч е ло ве ка -о пе р а то р а и си сте мы ч е ло ве к-ма ш и на являе тся пло до тво р ным. Одна ко , а на ли зу , о сно ва нно му на и нфо р ма ци о нных ме р а х пр и су щ и и сле ду ющ и е не до ста тки . 1. Во мно ги х си ту а ци ях р е а кци я ч е ло ве ка о пр е де ляе тся не то лько вхо дным и нфо р ма ци о нным во зде йстви е м, но и : во зна гр а жде ни е м за пр а ви льно е и ш тр а фо м за не пр а ви льно е по ве де ни е ; ш ка ло й и спо льзу е мых це нно сте й для пр и няти я р е ш е ни я; эмо ци о на льным со сто яни е м, и др . 2. С ко р о сть во спр и яти я и пе р е р а б о тки и нфо р ма ци и та кже мо же т за ви се ть о т у ка за нных выш е фа кто р о в. 3. Инфо р ма ци о нные ме р ы являются ста ти сти ч е ски ср е дни ми и не о тр а жа ют то нки х о со б е нно сте й по ве де ни я ли ч но сти , ко то р ые мо гу т пр е дста влять и пе р во сте пе нну ю ва жно сть.

3. М оде ли пам яти че лове к а к ак и нф ор м аци онной си сте м ы . Хар ак те р и сти к а пам яти че лове к а. 3.1 О бщ и е хар ак те р и сти к и . П а мять включ а е тв се б я, по кр а йне й ме р е , тр и пр о це сса : 1. Усво е ни е , за по ми на ни е . 2. С о хр а не ни е дли те льно е . 3. Узна ва ни е и во спр о и зве де ни е и нфо р ма ци и . Е сли Ва м не у да е тся ч то -ни б у дь вспо мни ть, пр и ч и но й это му мо же т б ыть на р у ш е ни е люб о го и з эти х пр о це ссо в. П а мять – о ч е нь сло жно е по няти е . М ы у сва и ва е м и за по ми на е м не пр о сто о тде льные эле ме нты и нфо р ма ци и . М ы ко нстр у и р у е м си сте му зна ни й, ко то р а я по мо га е т на м пр и о б р е та ть, хр а ни ть и и спо льзо ва ть о б ш и р ный за па с све де ни й. П а мять – это а кти вный пр о це сс: на ко пле нные зна ни я не пр е р ывно и зме няются, пр о ве р яются, пе р е фо р му ли р у ются и о б о б щ а ются на ш и м мыслящ и м мо зго м. В это м гла вно е о тли ч и е па мяти ч е ло ве ка о тпа мяти ко мпьюте р а . Выяви ть по лно стью все сво йства па мяти - о ч е нь тр у дна я за да ч а . Изве стны то лько два спо со б а и зу ч е ни я па мяти : ме то д ч е р но го ящ и ка (ме то д те сто в) и а на ли з ме ди ци нски х па то ло ги й. Н а се годня р азли чаю т сле дую щ и е ви ды пам яти : П о дли те льно сти со хр а не ни я и нфо р ма ци и :

П о о тно ш е ни ю к це ли :

се нсо р на я не по ср е дстве нна я; кр а тко вр е ме нна я о пе р а ти вна я; до лго вр е ме нна я.

не пр о и зво льна я; во ле ва я (пр о и зво льна я).

П о ха р а кте р у за по ми на е мо го ма те р и а ла : Де кла р а ти вна я ло ги ч е ска я о б р а зна я (зр и те льна я, слу хо ва я, о сяза те льна я) П р о це ду р на я

эмо ци о на льна я мо то р но -дви га те льна я

Осно вные ха р а кте р и сти ка па мяти : ü о б ъе м за по ми на е мо й и нфо р ма ци и ; ü ско р о сть за по ми на ни я; ü дли те льно сть со хр а не ни я (ско р о сть за б ыва ни я); ü по лно та и то ч но сть во спр о и зве де ни я; ü го то вно сть к во спр о и зве де ни ю (вр е мя вспо ми на ни я).

3.2 С тр ук тур ная м оде ль пам яти . С е нсо р ные си сте мы (зр и те льна я, слу хо ва я, ве сти б у ляр на я, та кти льна я, о б о няте льна я, те мпе р а ту р на я, б о ле ва я, вку со ва я)

по вто р е ни е не по ср е дстве нный о тпе ч а то к се нсо р но й и нфо р ма ци и С о хр а няе тся ≈ 0,1 … 0,5 … 4с за те м у га са е т

КВП

ДВП

у де р жи ва е ти нфо р ма ци ю у же в и нте р пр е ти р о ва нно м ви де (а не в ви де се нсо р но го о б р а за )

П о вто р е ни е м и з ДВП и нфо р ма ци я в КВП у де р жи ва е тся на не о б хо ди мо е вр е мя, за те м та кже у га са е т(за б ыва е тся), пе р е хо дя на др у ги е у р о вни в ДВП , в ко то р о м е е мо же т со де р жа ться о гр о мно е ко ли ч е ство , но со вр е ме не м о на та кже у га са е т. Е сть о сно ва ни я сч и та ть, ч то в ДВП и нфо р ма ци я за ко ди р о ва на в смысло во й (се ма нти ч е ско й фо р ме ).

3.3 С е нсор ная не поср е дстве нная пам ять. Ита к, па мять, по -ви ди мо му , пр е дста вле на не ско льки ми фа за ми . П е р ва я – о ч е нь не пр о до лжи те льна я (250 мс – до 4 с) – это не по ср е дстве нна я па мять. Она о пр е де ляе тся ви до м а на ли за то р а о р га но в ч у вств и спо со б о м пр е дъявле ни я и нфо р ма ци и . На пр и ме р , ко гда Вы е де те в по е зде и ли в а вто ма ш и не и смо тр и те на пр о плыва ющ и й ми мо пе йза ж, Ва м у да е тся у де р жи ва ть в па мяти пр е дме ты, ко то р ые Вы то лько ч то ви де ли в те ч е ни е 1-2 се ку нд, не б о ле е . Одна ко , не ко то р ые о б ъе кты, к ко то р ым Вы по ч е му -ли б о о тно си те сь с о со б ым вни ма ни е м, мо гу тб ыть пе р е да ны и з не по ср е дстве нно й па мяти в о пе р а ти вну ю. В не по ср е дстве нно й па мяти в те ч е ни е до ле й се ку нды, по -ви ди мо му , у де р жи ва е тся сна ч а ла вся во спр и нята я и нфо р ма ци я, ко то р а я за те м б ыстр о те р яе тся и ч е р е з со тни ми лли се ку нд не р вно й а кти вно сти о ста е тся е е по р ядка 12-20 эле ме нто в (е ди ни ц и нфо р ма ци и ), ко то р ые пе р е хо дятв о пе р а ти вну ю па мять. П р и это м пр о и схо ди тсе ле кци я и нфо р ма ци и по кр и те р и ям, о пр е де ляе мым за да ч е й на б люде ни я. Об ъе м се нсо р но й не по ср е дстве нно й па мяти и зме р яют ч и сло м сти му ло в (ку ско в пр е дъявляе мо го ма те р и а ла ), во спр о и зво ди мых ср а зу же по сле о дно р а зо во го ко р о тко го (до ли се ку нды) пр е дъявле ни я.

3.4 Кр атк овр ем е нная опе р ати вная пам ять. Кр а тко вр е ме нна я па мять (КВП ) о пр е де ляе тся спо со б но стью ч е ло ве ка со хр а нять и нфо р ма ци ю то лько на то тпе р и о д (до не ско льки х де сятко в се ку нд, а и но гда и б о льш е ), ко то р о й тр е б у е тся для р е ш е ни я те ку щ е й за да ч и . На пр и ме р , о б о гр а ни ч е ни и ско р о сти на да нно м у ч а стке до р о ги ч е ло ве к за р у ле м по мни тто лько до пе р во го пе р е кр е стка . Или кто ни б у дь на зва л Ва м но ме р те ле фо на , а у Ва с не т по д р у ко й ка р а нда ш а . Ве р о ятно , Вы за по мни те это т но ме р , е сли б у де те е го мысле нно по вто р ять, по ка не до б е р е те сь до те ле фо нно го а ппа р а та . Но е сли ч то -то о ч е нь о твле ч е тВа ш е вни ма ни е , с Ва ми за го во р ят и ли у р о ни те мо не ту , ко то р у ю пр и го то ви ли , то Вы, ве р о ятно , пе р е пу та е те ци фр ы. Об ъе м КВ па мяти ха р а кте р и зу ют ка ч е ство м во спр о и зво ди мых пр и о дно кр а тных (не ско лько се ку нд) пр е дъявле нных сти му ло в.

На р и с. 3.1 по ка за на за ви си мо сть ср е дне го ко ли ч е ства во спр о и зво ди мых сло в ВС о т ко ли ч е ства пр е дъявле нных сло в П С , по лу ч е нна я в экспе р и ме нта х, пр о ве де нных в Ка за нско м ГУ, 1972 г. Э то во зр а ста ющ а я, но не ли не йна я кр и ва я.

Ри с. 3.1 М но ги ми экспе р и ме нта ми у ста но вле но «ма ги ч е ско е » ч и сло 7±2 сти му ло в, ко то р ые мы мо же м у де р жа ть в КВ па мяти : 5 – о б ъе м па мяти на сло ва , 8 – на де сяти ч ные ци фр ы и 9 – на дво и ч ные ци фр ы. Э то ма кси ма льно е ч и сло сти му ло в пр а кти ч е ски не за ви си т о т ко ли ч е ства и нфо р ма ци и , пр и хо дящ е йся на сти му л, ч то на глядно и ллюстр и р у е тся да нными Х е йза , 1978, р и с. 3.2

Ри с. 3.2 На р и су нке ч и сла , сто ящ и е в ве р хне м пр а во м у глу пр ямо у го льных ди а гр а мм е сть и х пло щ а дь –ко ли ч е ство пр е дъявле нно й и нфо р ма ци и (б и т). Ви ди м, ч то ко ли ч е ство пр е дъявляе мо й и нфо р ма ци и и зме няе тся б о ле е , ч е м в 5 р а з, а ма кси ма льно е ко ли ч е ство во спр о и зво ди мых си мво ло в по ч ти не и зме няе тся и р а вно 7±2. Оно и являе тся и нва р и а нто м кр а тко вр е ме нно й о пе р а ти вно й па мяти . Ита к, КВ па мять о гр а ни ч е на не ко ли ч е ство м за по ми на е мо й и нфо р ма ци и , а ко ли ч е ство м за по ми на е мых си мво ло в и не связа но с за ключ е нно й в ни х и нфо р ма ци е й. Э то т р е зу льта т о б ъясняе тся во змо жным у кр у пне ни е м и гр у ппи р о вко й по о смысле ни ю е ди ни ц за по ми на ни я. И то гда на м ка же тся, ч то мы спо со б ны в КВ-па мяти за по ми на ть б о льш е . Но ме р те ле фо на 481-39-65 – это ли б о 7 е ди ни ц за по ми на ни я, е сли во спр и нять е го ка к 7 ци фр , ли б о 3 е ди ни цы за по ми на ни я, е сли во спр и ни ма ть е го ка к тр и ч и сла , у ка за нные ч е р то ч ка ми . А но ме р 234-56-78 у же мо жно сч и та ть о дно й е ди ни це й за по ми на ни я, е сли о н б у де тво спр и ни ма ться ка к по сле до ва те льно сть ци фр о т2 до 8.

В р яду о тде льных, се ма нти ч е ски не связа нных по смыслу б у кв, ка жда я б у де т са мо сто яте льно й е ди ни це й за по ми на ни я. Но в слу ч а ях и х о б ъе ди не ни я в о смысле нные сло ва е ди ни це й за по ми на ни я ста но ви тся у же сло во . Э то во змо жно за сч е т до сту па к до лго вр е ме нно й па мяти . Вхо дные эле ме нты КВ-па мяти со по ста вляются со све де ни ями о ни х в до лго вр е ме нно й па мяти . Ка к то лько со по ста вле ни е пр о и зо ш ло , та к на ш и о б ш и р ные зна ни я по мо га ют си сте ма ти зи р о ва ть ка жу щ и йся не связным ма те р и а л. Т .о ., хо тя о б ъе м КВ-па мяти о гр а ни ч е н 7-ю эле ме нта ми , но пло тно сть, т.е . ко ли ч е ство и нфо р ма ци и , пр и хо дящ е йся на ка ждый эле ме нт, мо же т во зр а ста ть пр и у кр у пне ни и е ди ни ц и нфо р ма ци и . Укр у пне ни е – это по су ти пе р е ко ди р о вка сти му ло в, по зво ляющ а я у ве ли ч и ть и нфо р ма ци о нну ю на гр у зку на ка жду ю е ди ни цу . На пр и ме р , о б ъе ди не ни е б у кв в о смысле нные сло ва , сло в во фр а зы и т.д. За ме ти м, ч то и з и зло же нно го ста но вятся ясными о сно вы мне мо ни ч е ски х пр и е мо в за по ми на ни я. М о жно сч и та ть, ч то КВ-о пе р а ти вна я па мять и гр а е т р о ль б у фе р а с о гр а ни ч е нно й е мко стью. Э кспе р и ме нта льно у ста но вле но , ч то си гна лы, по сту па ющ и е в это т б у фе р пе р выми и по сле дни ми , за по ми на ются пр о ч не е , ч е м си гна лы ср е дне й ч а сти по сле до ва те льно сти . На пр и ме р , пр и за по ми на ни и р яда мно го зна ч ных ч и се л, ве р о ятно сть пр о пу ска и ли о ш и б ки во спр о и зве де ни я ср е дни х эле ме нто в по сле до ва те льно сти о ка зыва е тся выш е . С ко р о сть пр и е ма (за по ми на ни е и во спр о и зве де ни е ) и нфо р ма ци и за ви си т о т ско р о сти по сту пле ни я, и и ме юттр и ха р а кте р ных зо ны, по ка за нные на р и с. 3.3

Ри с. 3.3

3.5 М ате м ати ческ ая м оде ль пам яти . Ра ссмо тр и м ма те ма ти ч е ску ю мо де ль за ви си мо сти ме жду ко ли ч е ство м у сва и ва е мо й ч е ло ве ко м и нфо р ма ци и и о сно вными ве ли ч и на ми пр о це сса по сту пле ни я и хр а не ни я и нфо р ма ци и в па мяти ч е ло ве ка . Об о зна ч и м I(t) ко ли ч е ство е ди ни ц и нфо р ма ци и , хр а нящ е йся в па мяти в мо ме нт t. За е ди ни цу хр а не ни я и нфо р ма ци и пр и ме м не ко то р о е су б ъе кти вно -це ло стно е о б р а зо ва ни е , ко то р ым мо же тб ыть: б и т, ци фр а , сло г, сло во , и нфо р ма ци о нно смысло во й эле ме нтте кса (б а зы да нных, б а зы зна ни й (ИС Э Т )) и др у ги е сти му лы. Т а ки м о б р а зо м, по лу ч и м ма те ма ти ч е ску ю мо де ль б е з пр и вязки к ко нкр е тным е ди ни ца м и зме р е ни я и нфо р ма ци и . S≡

С е нсо р ный вхо д(а на ли за то р ) R =>

П а мять I

RS

Ре а кци я (мыш ле ни е мыш е ч но е )

S –ско р о сть пе р е да ч и и нфо р ма ци и р а зли ч ными и сто ч ни ка ми ; R –ско р о сть (ко ли ч е ство и нфо р ма ци и в се ку нду ) «пр и хо да » и нфо р ма ци и в па мять; RS – ско р о сть у б ыва ни я ко ли ч е ства и нфо р ма ци и в па мяти , о пр е де ляе ма я пр о це ссо м за б ыва ни я. Изме р е ни е на хо дящ е йся в па мяти и нфо р ма ци и в е ди ни цу вр е ме ни б у де т: dI = R − Rs dT П р и ме м ги по те зу , ч то за б ыва ни е и нфо р ма ци и RS пр о по р ци о на льно р а зно сти ме жду и нфо р ма ци е й, и ме ющ е йся в да нный мо ме нт t и не ко то р ым е е ко не ч ным зна ч е ни е м. I∞ , о пр е де ляе мым у р о вне м па мяти ч е р е з до ста то ч но б о льш о й пр о ме жу то к вр е ме ни . RS =

µ τ

(I − I ∞ )

где µ ≤1 б е зр а зме р ный ко эффи ци е нт в о б щ е м слу ч а е за ви сящ и й о т о б ъе ма па мяти , ха р а кте р и сти к и нди ви ду у ма , спо со б а по да ч и и нфо р ма ци и и др . τ - не ко то р а я ко нста нта –по сто янна я вр е ме ни . Ита к: dI/dT = R - µ /τ *(I - I∞ ) П р и R= const (не за ви си то твр е ме ни ) µ =const τ =const и на ч а льных у сло ви ях: I=I0, пр и t=0 по лу ч и м р е ш е ни е это го ди ффе р е нци а льно го у р а вне ни я 1-го по р ядка : I = I ∞ + R τµ + ( I 0 − I ∞ − R τµ ) ⋅ e − µ Τ , где Τ = τt б е зр а зме р но е , но р ми р о ва нно е вр е мя. Вве де м б е зр а зме р но е ко ли ч е ство и нфо р ма ци и , но р ми р у я к I 0 Ĭ=I / I∞ , Ĭ0=I0 / I∞ Î= 1 + µR⋅Iτ∞ + (Î 0 − 1 − µR⋅Iτ∞ ) ⋅ e − µΤ

к τ

Ф о р му лы (2), (3) по зво ляют пр о гно зи р о ва ть пр о це сс на ко пле ни я и ли у б ыва ни я и нфо р ма ци и в па мяти в за ви си мо сти о т ко мпле кса сво йств ч е ло ве ка , по сту па ющ е й и нфо р ма ци и и у р о вня е е на ч а льно го ко ли ч е ства .

3.6 Пе р е р аботк а и нф ор м аци и и к они че ск ой (зр и те льной ) пам ятью . Э кспе р и ме нты Дж. С пе р ли нга (1967 г). Испыту е мо му по ка зыва ли в те ч е ни е 0,05 с ка р то ч ку с 9-ю б у ква ми в тр и р яда , а за те м выясняли , ч то о н по мни ти з у ви де нно го ч е р е з р а зли ч ные пр о ме жу тки вр е ме ни . Для это го по ка зыва ли 2-ю ка р то ч ку , где зна ч ко м о тме ч е но то лько ме сто о дно й и з б у кв. До пр е дъявле ни я о дно й ка р то ч ки о пе р а то р по ч ти не зна е тка ка я и з 9-ти б у кв б у де т о тме ч е на . На зва ть б у кву , ме сто ко то р о й о тме ч е но зна ч ко м. Е сли вто р а я ка р то ч ка и де тср а зу же по сле 1-о й то о пе р а то р по ч ти все гда пр а ви льно на зыва е т о тме ч е нну ю б у кву . Выво д – в и ко ни ч е ско й па мяти по ме щ а е тся не б о ле е 9-ти б у кв.

Но е сли по сле по ка за 1-о й ка р то ч ки на до на зва ть все б у квы, то о пе р а то р на зыва е т ка ки е -то 4-5 б у кв, и за вр е мя и х пр о и зно ш е ни я о ста льные б у квы и з па мяти сти р а ются. Для о пр е де ле ни я кр и во й за б ыва ни я вто р а я ка р то ч ка по ка зыва е тся с р а зно й за де р жко й 0,1… 1 с. Т а к ка к вр е мя пе р е р а б о тки и нфо р ма ци и зр и те льным а на ли за то р о м на по р ядо к б о льш е вр е ме ни по сту пле ни я и нфо р ма ци и , в да нно м экспе р и ме нте , т.е . за вр е мя по сту пле ни я 0,05 с пе р е р а б о тки и нфо р ма ци и е щ е не т, то за да ч а сво ди тся к р е ш е ни ю у р а вне ни я (1) пр и R=0. Из (2) по лу ч а е м, вво дя б е зр а зме р ные ве ли ч и ны Ĭ =I/ I0 , Ĭ∞ = I∞ / I0 Ĭ = Ĭ∞ +(1-Ĭ∞ )*e-μΤ П р и выб о р е µ =1, τ =0,15 с, I∞ = 4,3 б у квы экспе р и ме нта льные да нные до во льно хо р о ш о ло жа тся на те о р е ти ч е ску ю кр и ву ю.

Вр е мя р е а кци и ч е ло ве ка . Ра зли ч а ют: ü се нсо мо то р ну ю р е а кци ю - то и ли и но е дви же ни е в о тве тна по явле ни е си гна ла ; ü р е а кци ю и нте лле кту а льных пр о це ссо в - выб о р о дно й р е а кци и и з мно ги х во змо жных, пр и няти е р е ш е ни я. Ве ли ч и ну ла те нтно го пе р и о да (за де р жки ) р е а кци и о пе р а то р а мо жно о пр е де ли ть ка к вр е мя на ко пле ни я по сту па ющ е й в па мять и нфо р ма ци и до не ко то р о го у р о вня Iла т, со о тве тству ющ е го на ч а лу р е а ги р о ва ни я о пе р а то р а на это на ко пле нно е ко ли ч е ство . Э то ту р о ве нь мо же тб ыть пр и нятр а вным зна ч е ни ю I∞ , ко то р о е на хо ди тся в па мяти до ста то ч но до лго и являе тся ка к б ы эта ло но м ср а вне ни я де йству ющ е го си гна ла и за р а не е за да нно го . Т е о р е ти ч е ска я за ви си мо сть для р а сч е та по лу ч а е тся и з фо р му лы (2) пр и и схо дных у сло ви ях I0=0, µ =1: I = (I∞ +Rt)*(1-e) Отку да пр и I= I∞ на йде м t = tла т tла т = τ *ln(1 + I∞ /Rt) (5) Ви ди м, ч то вр е мя ла те нтно го пе р и о да у ме ньш а е тся с у ве ли ч е ни е м те мпа R по сту пле ни я и нфо р ма ци и и с у ме ньш е ни е м ве ли ч и ны I∞ не о б хо ди мо го у р о вня и нфо р ма ци и , пр и ко то р о м пр о и зо йде тр е а ги р о ва ни е ч е ло ве ка .

4. О бщ и е хар ак те р и сти к и воспр и ни м аю щ и х и нф ор м аци ю се нсор ны х анали затор ов ор гановчувствче лове к а. 4.1 О сновны е поняти я. Те р м и нологи я. С е нсо р ный – ч у вству ющ и й, о щ у щ а ющ и й. От ла ти нско го sensus – ч у вство , о щ у щ е ни е . Ор га ны ч у вств – а на то мо -фи зи о ло ги ч е ски й а ппа р а т, во спр и ни ма ющ и й во зде йстви я (си гна лы) о т р а здр а жи те ле й (и сто ч ни ко в и нфо р ма ци и ), на хо дящ и хся вне и вну тр и те ла . Ра здр а жи те ли во зде йству ют на пе р и фе р и ч е ски й во спр и ни ма ющ и й « пр и б о р » - р е це пто р , являющ и йся о ко нч а ни е м о р га на ч у вств. Инфо р ма ци я в ви де не р вных и мпу льсо в, во зни ка ющ и х в р е зу льта те р а здр а же ни я, пе р е да е тся по ч у вству ющ е му а ффе р е нтно му (в сто р о ну мо зга ) не р ву в гр у ппу не йр о но в о пр е де ле нно го у ч а стка ко р ы б о льш и х по лу ш а р и й го ло вно го мо зга . Во зде йстви я р а здр а жи те ле й во спр и ни ма ют все о р га ны ч у вств (зр е ни е , слу х, вку с, о б о няни е , о сяза ни е ) и спе ци а льные р е це пто р ные о б р а зо ва ни я в о р га на х, тка нях, су ста ва х, со су да х, мыш ца х. Ре це пто р – о т ла ти нско го receptor – пр и ни ма ющ и й. Э то ко нце вые о б р а зо ва ни я ч у встви те льных не р вных во ло ко н, во спр и ни ма ющ и х р а здр а же ни е и пр е о б р а зу ющ и х эне р ги ю си гна ло в р а здр а же ни я р а зли ч но й пр и р о ды в не р вно е во зб у жде ни е , ко то р о е пе р е да е тся в це нтр а льну ю не р вну ю си сте му . А на ли за то р ы. А на ли за то р о м на зыва ют у ч а сто к ко р ы го ло вно го мо зга , ч у вству ющ и й не р в и р е це пто р , а та кже эффе р е нтный (в сто р о ну пе р и фе р и и ) не р в, по ко то р о му мо зг по сыла е т о тве тну ю и нфо р ма ци ю в р е це пто р ну ю си сте му . А на ли за то р р а зб и р а е т, ди ффе р е нци р у е т, кла сси фи ци р у е т, о пр е де ляе т пр и р о ду р а здр а жи те ле й и о б е спе ч и ва е т це ле со о б р а зну ю р е а кци ю на и зме не ни е у сло ви й в о кр у жа ющ е й и вну тр е нне й ср е де . Уже р е це пто р на я се ть на ч и на е т эле ме нта р ный а на ли з во спр и яти я и нфо р ма ци и . Но б о ле е то нки й ди ффе р е нци р о ва нный а на ли з о су щ е ствляе тся в сло жне йш е й не йр о нно й се ти со о тве тству ющ е го це нтр а го ло вно го мо зга . П о няти е « а на ли за то р » вве де но в на у ку И.П . П а вло вым в 1909 г.

4.2. Класси ф и к аци я и пар ам е тр ы Класси ф и к аци я анали затор овче лове к а по спе ци ф и к е пр и ни м ае м ы х си гналов. П о вне ш ни м си гна ла м: - зр и те льный а на ли за то р . Ре це пто р на я се ть –се тч а тка гла за . - слу хо во й а на ли за то р . Ре це пто р на я си сте ма –у ли тка вну тр е нне го у ха . - та кти льный а на ли за то р (о сяза ни е ). Ре це пто р ы – ч у встви те льные кле тки ко жи и - те мпе р а ту р ный а на ли за то р . вну тр е нни х о р га но в. - о б о няте льный а на ли за то р . Ре це пто р на я се ть - ч у встви те льные кле тки но са . - вку со во й а на ли за то р . Ре це пто р ные кле тки на языке и не б е . П о вну тр е нни м си гна ла м: - а на ли за то р ы да вле ни я Ки не сте ти ч е ски й – р е це пто р ы в мыш ца х и су хо жи ли ях. Ве сти б у ляр ный – р е це пто р ы в по ло сти у ха . П о экстр а се нсо р ным си гна ла м: ги по те ти ч е ско е во спр и яти е и нфо р ма ци и вне пе р е ч и сле нных выш е се нсо р ных ка на ло в во спр и яти я.

4.3 О сновны е пар ам е тр ы анали затор ов 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

А б со лютный по р о г о щ у щ е ни я и нте нси вно сти си гна ла . М и ни ма льно е зна ч е ни е р а здр а же ни я, пр и ко то р о м во зни ка е то со зна ва е мо е о щ у щ е ни е . Бо ле во й по р о г–пр е де льно до пу сти ма я и нте нси вно сть си гна ла . Ди на ми ч е ски й ди а па зо н ч у встви те льно сти . Отно ш е ни е б о ле во го по р о га к а б со лютно му по р о гу . Ди ффе р е нци а льна я ч у встви те льно сть к и зме не ни ю си гна ла . а б со лютна я ди ффе р е нци а льна я ч у встви те льно сть ∆J – ми ни ма льно е и зме не ни е , о щ у щ а е мо е а на ли за то р о м. о тно си те льна я (р а зно стна я) ди ффе р е нци а льна я ч у встви те льно сть ∆J/ J – о тно ш е ни е а б со лютно й ди ффе р е нци а льно й ч у встви те льно сти к и нте нси вно сти си гна ла . Чи сло р а зли ч и мых во спр и ни ма е мых гр а да ци й и нте нси вно сти си гна ла . П о р о ги р а зли ч е ни я ч а сто ты си гна ла . Вр е ме нные по р о ги дли те льно сти си гна ла . М и ни ма льные дли те льно сти си гна ло в, не о б хо ди мые для во зни кно ве ни я о щ у щ е ни я, на пр и ме р , яр ко сти вспыш ки све та , тна зву ка и т.п.

О бщ и е особе нности р е це птор овр азли чной м одальности . 1. Осно вно й о тве т р е це пто р о в на во зде йстви е си гна ло в – это р е а кци я на и зме не ни е па р а ме тр о в во зде йству ющ е го си гна ла . 2. С по со б но сть а на ли за то р о в к а да пта ци и , т.е . к пр и спо са б ли ва ни ю но р ма льно фу нкци о ни р о ва ть пр и р а зных и нте нси вно стях си гна ло в. 3. Бо льш о й ди а па зо н ч у встви те льно сти к во спр и яти ю си гна ло в.

4.4 О бнар уже ни е и и нте р пр е таци я се нсор ны х си гналов Удо б на я мо де ль на глядно го пр е дста вле ни я на ч а льно го эта па во спр и яти я и о б р а б о тки и нфо р ма ци и , по сту ли р у е ма я на се го дня в ко гни ти вно й пси хо ло ги и , по ка за на на р и с. 4.1. С р а зу по дч е р кне м, ч то это ли ш ь мо де ль пр о сто й на глядно сти , а не о пи са ни я у стр о йства и фу нкци о ни р о ва ни я мо зга и а на ли за то р о в ч е ло ве ка .

Вну тр е нни е ш у мы 4

Вне ш ни е и сто ч ни ки по ме х и ш у ма 1

Исто ч ни к сти му ла

2

Ре це п то р на я се ть

П ре о б ра-

С е нсо р но е

П е р е р а б о тка

зо ва ни е

о б на р у же -

(ко ди р о ва ни е )о

ни е +

тб о р

хр а не ни е

и нфо р ма ци и

3

П а мять кр а тко вр е -

до лго вр е ме нна я

ме нна я

9

вни ма ни е П о ве де ни е 10

Ри с. 4.1 Дви же ни е и нфо р ма ци и Т е р ми н «сти му л» - и з пси хо фи зи ки и пси хо ло ги и . Т е р ми ны «си гна л», «ш у м» - и з эле ктр о ни ки . П о д сти му ли р о ва ни е м в пси хо ло ги и по ни ма е тся во зде йстви е вне ш не го фа кто р а – фи зи ч е ско го а ге нта (сти му ла ) –на о р га ны ч у вств. П о няти е «си гна л» для пси хо ло ги и о зна ч а е тто тсти му л, ко то р ый на б люда е мо го (и спыту е мо го ) пр о сят и де нти фи ци р о ва ть, а по няти я «ш у м», «по ме ха » - то тсти му льный ко нте кст, в ко то р о м мо же тпр о яви ться си гна л. Ш у м мо же ти ме ть ка к вне ш ни е , та к и вну тр е нни е и сто ч ни ки , на пр и ме р , в р е зу льта те слу ч а йно й не р вно й а кти вно сти . Выде ле ни е се нсо р ными си сте ма ми и нфо р ма ци и и з вне ш не го фи зи ч е ско го ми р а пр о и схо ди тпо пр и нци пу эко но ми и . Т.к. ко ли ч е ство се нсо р но й и нфо р ма ци и , не пр е р ывно во зб у жда ющ е й на ш у не йр о нну ю се ть а стр о но ми ч е ски ве ли ко , то для да льне йш е й о б р а б о тки и нфо р ма ци и ко гни ти вными си сте ма ми « высш е го у р о вня» о тб и р а е тся то лько ч а сть се нсо р но й и нфо р ма ци и – стр у кту р ы 5 и 7 на р и с. 4.1 Для это го выб о р а не о б хо ди мо вр е мя хр а не ни я и нфо р ма ци и в си сте ме о тб о р а . На пр и ме р , дли те льно сть хр а не ни я (стр у кту р а 6 на р и с. 4.1) зр и те льных о б р а зо в, на зыва е мых и ко ни ч е ски ми , пр и ме р но р а вна 250 мс, дли те льно сть хр а не ни я слу хо вых о б р а зо в, на зыва е мых эхо и ч е ски ми , б о льш е – о т 250 мс до 4 се к. А вр е мя хр а не ни я в кр а тко вр е ме нно й па мяти (стр у кту р а 8 на р и с. 6.1) до сти га е т10-30 се к. Отч е ти спыту е мо го о во спр и нятых сти му ла х со сто и ти з дву х эта по в. С о б стве нно во спр и яти я, т.е . а кту а льно е се нсо р но е за пе ч а тле ни е , и во спр о и зве де ни е , т.е . спо со б но сть и зло жи ть то , ч то б ыло за пе ч а тле но до е го сти р а ни я. Т а ки м о б р а зо м, и ко ни ч е ско е и эхо и ч е ско е хр а не ни е по зво ляютна о тб и р а ть су щ е стве нну ю и нфо р ма ци ю для да льне йш е й пе р е р а б о тки , о гр а ни ч и ва я пр о пу скну ю спо со б но сть на ш е й си сте мы о б р а б о тки и нфо р ма ци и . П е р ви ч ный пр о це сс пр и е ма и нфо р ма ци и о пи сыва ютте р ми но м «о щ у щ е ни е », связыва я е го с р е а кци е й а на ли за то р о в о р га но в ч у вств (гла за , у ха и т.п.) в р е зу льта те во зде йстви я на ни х эле ме нта р ных ви до в сти му ляци и . П о д «во спр и яти е м» по ни ма ютсле ду ющ и й у р о ве нь пе р е р а б о тки и нфо р ма ци и , в ко то р о м у ч а ству ютвысш и е ко гни ти вные ме ха ни змы, и нте р пр е ти р у ющ и е се нсо р ну ю и нфо р ма ци ю.

Инте р пр е та ци я на б люда е мых да нных за ви си то тмно ги х сло жных ко гни ти вных фа кто р о в, в то м ч и сле о тпр е дш е ству ющ и х зна ни й о ми р е , о тце ле й на б люде ни я и т.п. П о это му во спр и яти е и и нте р пр е та ци я мо гу тне со впа да ть с о б ъе кти вно й р е а льно стью пр е дме та на б люде ни я. На пр и ме р , на р и с. 4.2 Воспр и ни м ае м ая и нф ор м аци я: вве р ху о тр е зо к А 1 б о льш е А1 В1 о тр е зка В1, вни зу о тр е зки р а вны.

А2

В2

О бъе к ти вная и нф ор м аци я: вве р ху о тр е зки А 1 =В1=22 мм, вни зу А 2=18 мм, В2=26 мм

Ри су но к и ллюстр и р у е тпр о сту ю ге о ме тр и ч е ску ю и ллюзи ю. Но за ме ти м, ка к в б ыту , та к и в на у ке , во спр и яти е и и нте р пр е та ци я та кже мо гу т не со впа да ть с о б ъе кти вно й р е а льно стью.

4.5 Зак он Ве бе р а - Ф е хне р а Ве б е р (1846 г.), и ссле ду я о щ у щ е ни е си лы тяже сти на ш е л, ч то ми ни ма льно о б на р у жи ва е мо е о щ у щ е ни е за ви си т не о т пр и р а щ е ни я сти му ла (пр и ч и ны, вызыва ющ е й о щ у щ е ни е ), а о т о тно ш е ни я это го пр и р а щ е ни я к пе р во на ч а льно му зна ч е ни ю сти му ла . Ве б е р сфо р му ли р о ва л о б щ е е для р а зных а на ли за то р о в пси хо фи зи о ло ги ч е ско е со о тно ш е ни е : ми ни ма льно р а зли ч и мый пр и р о ст р а здр а жи те ля со ста вляе т по сто янну ю до лю о тпе р во на ч а льно й и нте нси вно сти сти му ла (для не ко то р о й ср е дне й о б ла сти и нте нси вно сте й J): ∆J J

= const

,

∆J= (Jпо р -J)/J

(1)

где ∆J – по р о го вый пр и р о ст и нте нси вно сти , ко то р ый на до до б а ви ть к и нте нси вно сти J, ч то б ы ста ла е два за ме тно й р а зни ца ме жду о щ у щ е ни е м J и о щ у щ е ни е м J+∆J. Ф е хне р (1860 г.) да л ма те ма ти ч е ску ю тр а кто вку ко нста нте (1). Вве де м по няти е у р о вня р а здр а жи те ля L. Е сли сч и та ть, ч то фо р му ла (1) ве р на для б е ско не ч но ма лых пр и р а щ е ни й, то : dJ/J = a*dL, где dL –ми ни ма льно за ме тный («б е ско не ч но » ма лый) пр и р о стве ли ч и н о щ у щ е ни я; а –пр о и зво льный ко эффи ци е нт, о пр е де ляющ и й выб о р е ди ни ц и зме р е ни я L. Отку да : ln J + C = a*L. Ве ли ч и ну «C» на йде м и з у сло ви я, ч то пр и J= Jпо р о щ у щ е ни е пр о па да е т, 1

J

J

1

(2) b= ln Jпо р = -C; L= L= b * ln Jпо ,р L=0 а ln Jпо р; a П о сле дне е выр а же ни е на зыва е тся за ко но м Ве б е р а - Ф е хне р а . На пр и ме р , для зр и те льно го а на ли за то р а за ко н Ве б е р а - Ф е хне р а у ста на вли ва е т, ч то пр и во спр и яти и яр ко сте й зр и те льно го о щ у щ е ни я, на зыва е мо го све тло то й, по сле дняя пр о по р ци о на льна ло га р и фму яр ко сти .

4.6 Коли че ство воспр и ни м ае м ы х гр адаци й ощ ущ е ни й П о дсч и та е м на у ч а стке ве ли ч и н сти му ла , для ко то р ых спр а ве дли в за ко н Ве б е р а Ф е хне р а , ко ли ч е ство р а зли ч и мых гр а да ци й о щ у щ е ни я в за да нно м ди а па зо не и зме не ни я ве ли ч и ны сти му ла о тJmin до Jmax. Об о зна ч и м для это го у ч а стка по р о го ву ю ве ли ч и ну : kпо р = ∆J/J = const; (Jп - J)/J; kп * J = Jп –J. П е р ву ю р а зли ч и му ю сту пе нь о щ у щ е ни я на йде м со гла сно выш е пр и ве де нных фо р му л: kпо р = (J1 – Jmin)/Jmin ; Отку да : J1 = Jmin (1+ kпо р ) Оч е ви дно , сле ду ющ а я сту пе нь о щ у щ е ни я, т.е . J2 б у де тпо до б но о пр е де ляться пр и р а щ е ни е м си гна ла пе р во й сту пе ни на ве ли ч и ну Кпо р * J1: J2 = J1 + J1* kпо р = J1 * (1+ kпо р ) = Jmin * (1+ kпо р )2 С ле ду ющ а я сту пе нь:

J3 = Jmin * (1+ kпо р )3.

И, на ко не ц, по сле дняя сту пе нь: Jmax = Jmin * (1+ kпо р )N. С ле до ва те льно , ко ли ч е ство и ско мых гр а да ци й о щ у щ е ни я: N=

lg (Jmax /Jmin) lg (1+ kп о р )

(3)

На пр и ме р , в те ле ви де ни и ве ли ч и ну о тно ш е ни я яр ко сте й эле ме нто в и зо б р а же ни я на экр а не : K = Bmax /Bmin и ли K = B1 /B2 на зыва ютко нтр а сто м дву х ср а вни ва е мых о б ъе кто в. Пр и м е р . Для К=Вmax /Вmin =100. На пр и ме р , Вmin - ч е р ный б а р ха тс ко эффи ци е нто м о тр а же ни я 0,009 на сне гу Вmax с ко эффи ци е нто м о тр а же ни я 0,9 и пр и у гло во м р а зме р е о б ъе кта на б люде ни я 40 и ме е м, со гла сно о пытных да нных, Кпо р =0,02. Т о гда : lg (100) N= =232 lg (1+ 0,002) гр а да ци и р а зли ч и мых гла зо м яр ко сте й.

5. Воспр и яти е звук а 5.1 Пор оги слы ш и м ости Ур о ве нь о щ у щ е ни я гр о мко сти зву ка со гла сно за ко ну Ве б е р а -Ф е хне р а L=a*ln(J/Jпс),

(1)

где J - и нте нси вно сть зву ка , р а вна я мо щ но сти зву ко во й во лны, па да ющ е й на е ди ни цу по ве р хно сти , и зме р яе тся в Вт/м 2 Jпс - а б со лютный по р о г слыш и мо сти - ве ли ч и на и нте нси вно сти и ли зву ко во го да вле ни я, ко то р а я е два за ме тна на слу х пр и о тсу тстви и всяки х по ме х. Инте нси вно сть и зву ко во е да вле ни е связа ны фо р му ло й J=p2/ρ *c, где : ρ - эффе кти вна я ве ли ч и на мгно ве нно го зву ко во го да вле ни я, и зме р яе ма я в П а ска лях: П а = Н/м 2; ρ - пло тно сть во зду ха , и зме р яе ма я в кг/м 2; с- ско р о сть зву ка в во зду хе , и зме р яе ма я в м/с. Для но р ма льно й те мпе р а ту р ы ρ *с=400. Взяв в (1) а =0,23 пе р е йде м к де сяти ч но му ло га р и фму L=10*lg(J/Jпс)=20*lg(ρ /ρ пс)

(2)

В фо р му ле (2) б е зр а зме р на я ве ли ч и на L пр е дста вляе т ср а вне ни е о тно ш е ни е м ве ли ч и н J и ρ и и х по р о го вым зна ч е ни ям. Во о б щ е в а ку сти ке и др у ги х о тр а слях на у ки и ме ха ни ки ш и р о ко пр и ме няют для ср а вне ни я дву х ве ли ч и н ло га р и фми ч е ску ю ш ка лу де ци б е л. Одно му де ци б е лу (дБ) со о тве тству е т о тно ш е ни е дву х зна ч е ни й ка ко й-ли б о эне р ге ти ч е ско й ве ли ч и ны. пр и ко то р о м де сяти ч ный ло га р и фм это го о тно ш е ни я р а ве н е ди ни це . П о д эне р ге ти ч е ско й ве ли ч и но й по ни ма е тся ли б о эне р ги я, ли б о мо щ но сть, ли б о пр о по р ци о на льные и м ква др а ты: зву ко во го да вле ни я, ско р о сти ч а сти ц, си л, ско р о сти сме щ е ни й, эле ктр и ч е ски х на пр яже ни й, то ко в, за р ядо в и т. п. Для у до б ства р а зли ч е ни я а б со лютных р а зме р ных ве ли ч и н о т выр а же нных в де ци б е ла х по сле дни е на зыва юту р о внями . Ло га р и фми ч е ски е у р о вни эле ктр и ч е ски х ве ли ч и н N = 10lg(W/W0) = 20g(U/U0) = 20lg(I/I0), т.к. W=U2/R=I2*R N - ло га р и фми ч е ски й у р о ве нь в дБ ве ли ч и н W,U,I. Ну ле вые у р о вни эле ктр и ч е ски х ве ли ч и н выб и р а ют та к, ч то б ы мо щ но сть выде ляе ма я на R=600Ом пр и на пр яже ни и U0 со ста ви ла W0=1мВт. С ле до ва те льно U0=0,775В, I0=1,29мА . Для ш ка лы де ци б е л а ку сти ч е ски х ве ли ч и н пр и ни ма ютв ка ч е стве ну ле вых у р о вне й ме жду на р о дный ста нда р тпо р о га слыш и мо сти Jпс = 10-12Вт/м 2; ρ

пс

на ч а сто те зву ка 1000Гц. П о лу ч а е м:

= 2*10-5П а

L = 10*lgJ-10*lg*10-12=(10*lgJ+120)дБ J - в Вт/м 2 Чи сле нно та ки е же зна ч е ни я б у ду ти ме ть в дБ и у р о вни да вле ни я L = 20*lgp-20*lgpпс=20*lgp-20*lg(2*10-5)=(2*lgp+93,9794)дБ, p- в П а С о о тно ш е ни я ш ка л J, Вт/м 2 с p, П а и L, дБ по ка за ны на р и с. 5.8. Кр и вые за ви си мо сти по р о га слыш и мо сти (П С ) о т ч а сто ты за ви сят о т по ста но вки экспе р и ме нта . П р о во ди ло сь ли пр о слу ш и ва ни е о дни м у хо м – мо но у р а льный по р о г; дву мя у ш а ми о т о дно го и ли не ско льки х и сто ч ни ко в – б и но у р а льные по р о ги . Изме р яло сь ли зву ко во е да вле ни е у б а р а б а нно й пе р е по нки и ли у у ш но й р а ко ви ны, ли б о в сво б о дно м зву ко во м по ле , т.е . пр и о тсу тстви и го ло вы слу ш а те ля. На ко не ц, П С о ч е нь си льно за ви сят о т и нди ви ду а льных сво йств ч е ло ве ка , о со б е нно на кр а ях ч а сто тно го ди а па зо на слыш и мо сти . Кр о ме то го с во зр а сто м ч у встви те льно сть слу ха к высо ки м ч а сто та м за ме тно у ме ньш а е тся, р и с. 5.6. С 1938 по 1958 гг. в А нгли и , С Ш А , С С С Р пр о во ди ли сь си сте ма ти ч е ски е и зме р е ни я за ви си мо сти П С о т ч а сто ты для ме жду на р о дно го со гла ш е ни я о ста нда р те . Испыту е мым пр е дъявляло сь пр о слу ш и ва ть в по лно й ти ш и не ч и стые то ны фи кси р о ва нно й дли те льно сти с р а зными ч а сто та ми и и нте нси вно стями . П р и ч е м в по ло ви не пр е дъявле ни й и нте нси вно сти б ыли р а вны ну лю и слу ш а те лю пр е дла га ло сь ‘у га да ть’ б ыл ли зву к и ли не т. Выч и сляли сь ве р о ятно сти 4-х во змо жных о тве то в. П р а ви льные о тве ты: ‘слыш у ’, ко гда зву к по да н и ‘не слыш у ’, ко гда зву ка не т. Не пр а ви льные о тве ты: ‘слыш у ’, ко гда зву ка не т и ‘не слыш у ’, ко гда зву к е сть. Э ти о тве ты за ви сят о т и нстр у кци и , на ли ч и я во зна гр а жде ни я за о тве ты и о тдр у ги х пси хо ло го -эмо ци о на льных фа кто р о в. За ста нда р тну ю кр и ву ю за ви си мо сти П С о т ч а сто ты пр и нята у ср е дне нна я кр и ва я для здо р о вых мо ло дых люде й 18..23 ле т, для ко то р ых 50% все х и спыту е мых и ме ютб о ле е ни зки й (т.е . б о ле е о стр ый слу х), а 50% - б о ле е высо ки й по р о г. С та нда р тна я кр и ва я П С по ка за на на р и с. 5.7 о б ла сте й слу хо во го во спр и яти я. С та нда р тно й зна ч е ни е П С для ч а сто ты 1000Гц ка к р а з и пр и нято за ну ль ш ка лы де ци б е л 10-12 Вт/м 2 и ли 2*10-5 П а . Э та ве ли ч и на все го ли ш ь 2*10-10 до ля о та тмо сфе р но го да вле ни я.

Ри с. 5.6 П о те р я слу хо во й ч у встви те льно сти с во зр а сто м

Ри с. 5.7

Об ла сти слу хо во го во спр и яти я 2

0

1

10 0

− 2

− 1

− 4

− 2 −

− 3

Ри с. 5.8 Кр и вые р а вных гр о мко сте й П С – кр и ва я по р о га слыш и мо сти

− 6

3

− 8

− 4

− 10

− 5

− 12

5.2 Г р ом к ость звук а 5.2.1 Кр и вы е р авны х гр ом к осте й Гр о мко сть зву ка – су б ъе кти вно е впе ч а тле ни е . Оно за ви си то ти нте нси вно сти зву ка , о сно вно й ч а сто ты и спе ктр а льно го со ста ва . Т а к ка к ч е ло ве к спо со б е н то ч но о це ни ва ть р а ве нство гр о мко сте й, то ш ка лу гр о мко сте й у до б но ха р а кте р и зо ва ть кр и выми р а вных во змо жно сте й, р и с. 5.8 За е ди ни цу у р о вня гр о мко сти пр и нят фо н, о пр е де ляе мый пу те м су б ъе кти вно го ср а вне ни я гр о мко сти да нно го зву ка с гр о мко стью ста нда р тно го 1000 Гц то на , для ко то р о го у р о ве нь и нте нси вно сти в дБ у сло вно пр и ни ма е тся за у р о ве нь гр о мко сти в фо на х. П о ш ка ле у р о вне й гр о мко сти мо жно о пр е де ли ть у сло ви я, пр и ко то р ых зву ки р а зных ч а сто тб у ду тслыш ны ка к р а зно гр о мки е . Но по это й ш ка ле не льзя ко ли ч е стве нно ср а вни ва ть р а зные гр о мко сти . Для это го и спо льзу ютна ту р а льну ю (су б ъе кти вну ю) ш ка лу гр о мко сти в со на х. 1 со н – это гр о мко сть зву ка , р а вна я гр о мко сти то на 1000 Гц пр и у р о вне и нте нси вно сти 40 дБ на д П С (ш е по т на р а ссто яни и 0,3м). За те м экспе р и ме нта льно , ме то до м фи кса ци и о щ у щ е ни я у дво е ни я гр о мко сти , и зме р яют ш ка лу в со на х. П о это му о тно ш е ни я гр о мко сте й дву х зву ко в, выр а же нных в со на х, по ка зыва ютво ско лько р а з о ди н и з ни х су б ъе кти вно во спр и ни ма е тся гр о мч е др у го го . На ту р а льна я ш ка ла гр о мко сти , т.е . за ви си мо ч ть гр о мко сти ч и стых то но в зву ка в со на х о ту р о вня в фо на х, не ли не йна , р и с. 5.9 Э мпи р и ч е ска я фо р му ла С ти ве нса (пу нкти р на р и су нке ) а ппр о кси ми р у е то сно вну ю о б ла сть на ту р а льно й ш ка лы гр о мко сте й (о т40 до 10 фо н). Sсо н = 10(N-40)/33, Nфо н = 33*lgS + 40 Для у ве ли ч е ни я гр о мко сти в со на х в 10 р а з на до у ве ли ч и ть и нте нси вно сть зву ка на 73-40=33дБ, т.е . в 1033/40≈46р а з . Гр о мко сть зву ка не ко то р ых и сто ч ни ко в и ллюстр и р у е тся табли це й 5.1 и сто ч ни к зву ка

р а ссто яни е , м 1 1 0,3 1 1

-хо д ка р ма нных ч а со в -ш е по т -ш е по т -р а зго во р впо лго ло са -р а зго во р ср е дни м по гр о мко сти го ло со м -ма ш и но пи сно е б юр о -гр о мка я р е ч ь 1 -гр о мки й кр и к 1 -ш у м в ка б и не са мо ле -та -ш у м мно го о б о р о тно го 1 ди зе ля -ш у м вб ли зи р а б о та ющ е го а ви а мо то р а

у р о ве нь гр о мко сти , фо н 20 30 40 50 60-65

гр о мко сть, со н 0,1 0,4 1 2 4-6

70-75 80 90 100 110-115

8-12 18 40 90 200-320

120-130

500-1200

Та б ли ца 5.1 ха р а кте р и сти ка гр о мко сти зву ка ти ш и на сла б ый зву к у ме р е нный зву к гр о мки й зву к о ч е нь гр о мки й зву к о глу ш и те льно гр о мки й (б о ле во й)

зву к

5.2.2 Д и ф ф е р е нци альная чувстви те льность к и зм е не ни ю гр ом к ости . ∆ J/J ≅ K за ви си то ти нте нси вно сти и ч а сто ты и и нди ви ду а льна J, фо н

F, Гц

K

20

кр а йни е ч а сто ты

0,1...0,3

40...100

500...3000

70

800

0,04...0,05 0,02...0,065

ОтП С до б о ле во го по р о га о щ у щ а е тся на F = 1кГц 270...300 гр а да ци й. Ф о р му ла ∆ J/J = const о зна ч а е т, ч то гр а да ци и и зме няются по ло га р и фми ч е ско му за ко ну . Отсюда выте ка е т, ч то в те хни ке ци фр о во го пр е о б р а зо ва ни я зву ко вых си гна ло в пр е дпо ч ти те льне е пр и ме нять ло га р и фми ч е ско е ква нто ва ни е . Одна ко ло га р и фми ч е ски е А Ц П до во льно сло жны. М и кр о схе мы ло га р и фми ч е ски х А Ц П по яви ли сь со все м не да вно и е щ е не по лу ч и ли ш и р о ко го р а спр о стр а не ни я.

5.2.3 Кр и ти че ск и е полоск и слуха. Ра ссмо тр и м во спр и яти е гр о мко сти ш у ма и сло жных (со сто ящ и х и з не ско льки х сло жных ч а сто тных со ста вляющ и х) зву ко в. Э кспе р и ме нта льно у ста но вле но , П С гр у ппы б ли зко (но не со зда ющ и х о тч е тли вых б и е ни й) р а спо ло же нных ч и стых то но в о ди на ко во й и нте нси вно сти за ви си т о т ч и сла то но в, е сли о ни р а спо ло же ны в пр е де ла х не ко то р о й по ло сы ч а сто т. П С та ко й гр у ппы р а вна П С о ди но ч но го ч и сто го то на су мма р но й и нте нси вно сти с не ко то р о й ч а сто то й в по ло се сме си : у хо су мми р у е т и нте нси вно сти ко мпо не нтсме си . Но , е сли ко мпо не нты сме си выхо дятза пр е де лы о пр е де ле нно й ш и р и ны по ло сы, то сво йство су мми р о ва ни я и нте нси вно сте й не де йству е т. Полоса частот, в пр е де лах к отор ой е щ е появляе тся свой ство сум м и р овани я и нте нси вносте й , назы вае тся к р и ти че ск ой полосой (полоск ой ) слуха. Ш и р и на кр и ти ч е ски х по ло со к слу ха ∆ fкр за ви си то тср е дне й ч а сто ты по ло ски мо но и ли б и но у р а льно го слу ха . П о ло ски и зме р е ни я р а зными а вто р а ми р а зли ч а ются в 2...3 р а за . На р и с. 5.10 пр е дста вле на у ср е дне нна я кр и ва я.

5.2.4 У р ове нь гр ом к ости сложны х звук ов. П о да нным Ге льмго льца и Ф ле тч е р а в слу ч а е сло жных ко ле б а ни й, со сто ящ и х и з не ско льки х ч а сто тных со ста вляющ и х, по па да ющ и х в р а зные кр и ти ч е ски й по ло ски , слу х не р е а ги р у е т на фа зо вые сдви ги со ста вляющ и х. На пр и ме р , зву ч а ни е сло жных зву ко вых ти по в 10

1)∑ k =1

(−1)

k +1

2k − 1

10

sin( 2k − 1)ωt

2)∑ k =1

1

2k − 1

sin( 2k − 1)ωt

р а зли ч а ются на слу х то лько и з-за не ли не йно сти слу ха , ко гда и х и нте нси вно сти ве ли ки , хо тя зву ки и ме ютсу щ е стве нно р а зли ч ну ю фо р му , р и с. 5.11

Ри с. 5.11

Ри с. 5.9

За ви си мо сть гр о мко сти в со на х о ту р о вня фо на

Ри с. 5.10 За ви си мо сть ш и р и ны кр и ти ч е ски х по ло со к о тч а сто ты

Ри с. 5.12 Кр и вые по р о га слыш и мо сти пр и ма ски р о вке то но м 1000Гц для р а зных у р о вне й и нте нси вно сти ма ски р у ющ е го то на LМ Е сли ч а сто тные со ста вляющ и е о ч е нь б ли зки (р а знятся не б о ле е ч е м на 7...10 Гц) и со зда ютме дле нные б и е ни я, но у хо во спр и ни ма е ти х ка к зву к пе р и о ди ч е ски ме няющ и хся по гр о мко сти , и з-за фа зо во го су мми р о ва ни я и нте нси вно сте й. П р и р а зно сти б о льщ е 10 Гц, но ме не е ∆ fкр и ме е м су мми р о ва ни е и нте нси вно сте й. П р и р а зни це б о льш е ∆ fкр у хо у же су мми р у е то щ у щ е ни е гр о мко сти эти х зву ко в в со на х. П о кр и во й S(N), р и с 5.9, о пр е де ляе м для ка ждо го то на S1(N1), S2(N2),... На хо ди м су мму S∑ = S1+ S2+... . Те пе р ь на хо ди м у р о ве нь гр о мко сти N∑ =33lg(S1+ S2+...)+40 фо н Т а кже р а ссч и тыва е м у р о ве нь гр о мко сти ш и р о ко по ло сно го ш у ма , за ни ма ющ е го не ско лько кр и ти ч е ски х по ло со к. С пе ктр а льный со ста в ш у ма р а зб и ва е м на кр и ти ч е ски е по ло сы. Опр е де ляе м у р о вни гр о мко сти в ка ждо й по ло се (ка к и нте гр а л и нте нси вно сти ш у ма ) N1, N2,... Nk. На хо ди м S1, S2,... Sk. С у мми р у е м S∑ =∑ Si и на хо ди м N∑ =33lgS∑ +40 фо н Н е ли не й ны е свой ства звук а. П р и б о льш о й и нте нси вно сти ч и сто го то на по р ядка 100 фо н у хо слыш и т су б ъе кти вно 2-ю га р мо ни ку с у р о вне м 88 фо н, тр е тью – с у р о вне м 74 фо н и т.д. Э то явле ни е о б на р у жи ва е тся в экспе р и ме нте с ‘б е гу щ и м’ то но м. П р и дву х ч и стых то на х, не по па да ющ и х в ∆ fкр у хо слыш и т то ны р а зно стно й и су мма р но й ч а сто т. На пр и ме р , пр и ч и стых то на х в 60 фо н у р о ве нь гр о мко сти р а зно стно го то на – о ко ло 40 фо н, а пр и 80 дБ (f1=1000Гц) гр о мко сть р а зно стно го то на до сти га е т 80 фо н. П р и ср е за ни и ч а сто тно го ди а па зо на ни же 1000Гц у хо пр и высо ко й гр о мко сти по дч е р ки ва е т ни зки е ч а сто ты и з-за не ли не йно сти слу ха . Э ти м о б ъясняе тся то , ч то пр и пло хо й пе р е да ч е ни зки х ч а сто тслу ш а те ль стр е ми тся и х слу ш а ть на юо льш е й гр о мко сти , по лу ч а я впе ч а тле ни е по выш е нно й гр о мко сти зву ч а ни я ни зки х ч а сто т по ср а вне ни ю со ср е дни ми ч а сто та ми .

5.2.6 Эф ф е к т м аск и р овк и Э ффе ктма ски р о вки за ключ а е тся в то м, ч то на фо не ме ш а ющ е го то на пр о и схо ди т пр и во спр и яти и зву ко во го си гна ла у ве ли ч е ни е по р о га слыш и мо сти (П С ) это го си гна ла , р и с. 5.12. На пр и ме р , е сли со б е се дни ки не гр о мко р а зго ва р и ва ют те т-а -те т у гр о мко жу р ч а щ е й во ды и з кр а на и сно сно слыш а т др у г др у га , то у же с р а ссто яни я в не ско лько ме тр о в у слыш а ть и х р а зго во р не во змо жно .

5.3 Воспр и яти е вы соты звук а. 5.3.1 О бщ и е хар ак те р и сти к и . Во спр и яти е высо ты зву ка и р а зни цы высо т то но в са мо е сло жно е су б ъе кти вно е слу хо во е о щ у щ е ни е . Оно за ви си т о т мно ги х и схо дных у сло ви й: за по ми на е м ли мы высо ту то на и ли ср а вни ва е м то ны о дно мо ме нто и ли по сле до ва те льно во вр е ме ни ; слу ш а е м ли ч и стый то н и ли сло жный зву к; слу ш а е м ли де ви а ци ю ч а сто ты и др . В ди а па зо не 16Гц – 20кГц ч е ло ве к мо же т за по мни ть не б о ле е 250 гр а да ци й ч а сто ты, пр и ч е м ч и сло и х р е зко у ме ньш а е тся с у ме ньш е ни е м и нте нси вно сти зву ка . В ср е дне м ч е ло ве к с му зыка льным слу хо м мо же тза по мни ть 100...150 гр а да ци й ч а сто т. Э то ч и сло со о тве тству е т ко ли ч е ству кр и ти ч е ски х по ло со к слу ха . Э ти со се дни е гр а да ци и о тли ч а ются не ме не е ч е м на 4%. П о это му са мые лу ч ш и е му зыка нты не мо гу тпо па мяти за ме ти ть р а зни цу в зву ч а ни и фи льмо в снятых для ки но (24 ка др а в се к) пр и де мо нстр а ци и и х на те ле ви де ни и (25 ка др о в в се к). Одна ко пр и ср а вне ни и то но в ч е ло ве к мо же т р а зли ч а ть и зме не ни е ч а сто ты до 0,15...0,3%. А по б и е ни ям ч а сто т дву х то но в мо жно о б на р у жи ть р а зни цу ч а сто т до де сятых до ле й Гц. П р и ме дле нно м и зме не ни и (де ви а ци и ) ч а сто ты то на по си ну со и да льно му за ко ну слу х о б на р у жи ва е т это и зме не ни е , ко гда де ви а ци я со ста вляе т о ко ло 2% о т кр и ти ч е ско й ш и р и ны по ло ски слу ха . На пр и ме р , на ч а сто та х до 500Гц ∆ fкр = 100Гц, а ми ни ма льно е о щ у щ е ни е де ви а ци и р а вно 1,8Гц. На ч а сто та х б о льш е 500Гц ∆ fкр со ста вляе т17% о тfне с, а ми ни ма льно е о щ у щ е ни е де ви а ци и р а вно 35% о т fне с, т.е . 2% о т∆ fкр . На р и с. 5.13 и 5.14 пр е дста вле ны гр а фи ки за ви си мо сти ∆ fде в.min о ти нте нси вно сти L не су щ е й, е е ч а сто ты fне с и ч а сто ты мо ду ляци и Fмо д.

∆ F де в

. min

, Гц F не с = 4 к Гц

F не с = 2 к Гц

F не с = 0 , 2 к Гц

F мод , Гц

4Гц – на и б о ле е за ме тна я ч а сто та мо б у ляци я Ри с. 5.13 За ви си мо сть ∆ fде в.min о тfмо д и fне с пр и L = 70дБ

∆Fде в . min

Ри с. 5.14 За ви си мо сть ∆ fде в.min о тL пр и fне с = 1кГц, fмо д = 4Гц. Для L > 40дБ ∆ fде в.min = const

∆F =k F

Ри с. 5.15 За ви си мо сть ди ффе р е нци а льно го по р о га р а зли ч е ни я ч а сто то тч а сто ты пр и L = 70дБ

5.3.2 Д и ф ф е р е нци альная чувстви те льность к и зм е не ни ю вы соты тона. На р и с. 8.15 пр е дста вле н гр а фи к за ви си мо сти о т ч а сто ты ди ффе р е нци а льно го по р о га р а зли ч е ни я ч а сто т ∆ F/F= k пр и ср а вне ни и то но в, снятых экспе р и ме нта льно для и нте нси вно сти зву ка 70 фо н. Взяв в ди а па зо не ч а сто т 0,5...5кГц ср е дне е зна ч е ни е k=0,0015 по лу ч и м со гла сно фо р му ле (1-7.6) ко ли ч е ство р а зли ч и мых гр а да ци й ч а сто ты Fmax 1 Fmin M = = = 1536 гр адаций lg(1 + k ) lg(1 + 0,0015) lg

П р и у ме ньш е ни и и нте нси вно сти зву ка ве ли ч и на k во зр а ста е т. Для ср а вне ни я ч и се л р а зли ч ных гр а да ци й ч а сто ты пр и р а зных гр о мко стях зву ка мо жно во спо льзо ва ться пр и во ди мо й ни же та б ли це й Ур о ве нь гр о мко сти 20 фо н 40 фо н 70 фо н 80 фо н

∆ F/F=k 0,0044 0,0018 0,0015 0,00106

Чи сло р а зли ч ных гр а да ци й ч а сто ты 520 1270 1536 2180

5.3.3 Ш к ала ощ ущ е ни я вы соты тона. Ощ у щ е ни е высо ты то на и зме р яютв ме ла х. Высо ту то на F=1000Гц пр и у р о вне 40дБ на д П С пр и ни ма ютр а вно й 1000 ме л. Изме не ни е ч и сла ме л на ка ку ю-ли б о ве ли ч и ну о зна ч а е т пр о по р ци о на льно е и зме не ни е о щ у щ е ни я высо ты то на , и зме р яе мо е ме то до м ср а вне ни я ‘в 2 р а за ’. За ви си мо сть Н[ме л](F[Гц]) не ли не йна , р и с. 5.16 П р и б ли же нно , ка к ви дно по р и су нку , это тма сш та б ли не е н до ч а сто ты 800...1000Гц и пр а кти ч е ски то ч но ло га р и фми ч е н для ч а сто т 1000...10000Гц. Т а ко й ко мб и ни р о ва нный ма сш та б для пр а кти ки не у до б е н, и пр и ме няютло га р и фми ч е ски й ма сш та б . За е ди ни цу высо ты то на в это м слу ч а е пр и ме няюто кта ву и е е до ли . С ч и та ют, ч то на слу х р а ссто яни е по высо те то на ме жду дву мя зву ка ми ка жу тся о ди на ко выми , е сли о тно ш е ни я ч а сто ти х о ди на ко вы. Ра ссто яни я по высо те то на – и нте р ва лы му зыка льные . Отно ш е ни я ч а сто т: 1/1 –у ни со н 1/2 – о кта ва 2/3 –кви нта 3/4 - ква р та 4/5 –б о льш а я то р ци я 5/6 и ли 6/7 – ма ла я то р ци я 7/8 и ли 8/9 –б о льш а я се ку нда (то н) 15/16 –ма ла я се ку нда (по лу то н) В те хни ке и спо льзу юто тно ш е ни я ч а сто т: 1/2 –о кта ва 1/√ 2 – по лу о кта ва 1/∛ 2 –тр е тьо кта ва М у зыка льный и нте р ва л. Если взять и нте р ва л Н=12lg2(F1/F2), то в это м слу ч а е е ди ни ч ный и нте р ва л р а вный 12√ 2 с хо р о ш е й то ч но стью со о тве тству е т по лу то ну и в о кта ве по лу ч а е м 12 по лу то но в. С ка за нно е о тно си тся к га р мо ни ч е ско й ш ка ле о щ у щ е ни й высо ты то на , т.е . к о щ у щ е ни ю связа нно му с о дно вр е ме нным зву ч а ни е м не ско льки х му зыка льных то но в. Оце нка р а зни цы высо т сле ду ющ и х др у г за др у го м то но в о ка зыва е тся о тли ч а ющ е йся о т га р мо ни ч е ско й высо ты. На пр и ме р , ч а сто ты 100 и 150Гц ка жу тся о тсто ящ и ми по высо те да льш е др у го тдр у га , ч е м ч а сто ты 1000 и 3000Гц, хо тя о тно ш е ни я ч а сто то ди на ко вы –2/3 (кви нта ). Ощ у щ е ни е р а ссто яни я по высо те , вызыва е мо е по сле до ва те льными то на ми на зыва ют ме ло ди ч но й высо то й зву ка . До ч а сто ты 500Гц ме ло ди ч е ски е и га р мо ни ч е ски е о кта вы со впа да ют. А в и нте р ва ле о т 500 до 8000Гц у кла дыва ются 4 га р мо ни ч е ски е о кта вы (lg2(8000/500)=4), и то лько о ко ло 2,5 ме ло ди ч е ски х о кта в. На р и с. 5.17 пр е дста вле но ср а вне ни е все х р а ссмо тр е нных ш ка л.

5.3.4 Воспр и яти е те м бр а звук а. Ом у ста но ви л, ч то у хо ка к б ы а на ли зи р у е т пе р и о ди ч е ски й зву к по о тде льным га р мо ни ч е ски м со ста вляющ и м и о ни вызыва ютр а зде льно е о щ у щ е ни е . П р и о пр е де ле нно й

тр е ни р о вке мо жно мысле нно р а зде ли ть сло жно е пе р и о ди ч е ско е ко ле б а ни е на га р мо ни ки , ко то р ые в не м пр и су тству ют. Э та о со б е нно сть слу ха те сно связа на со спо со б но стью р а зли ч а ть зву ки р е ч и . С пе ктр зву ка пр и да е т о щ у щ е ни ю зву ч а ни я ха р а кте р ну ю о кр а ску . Э ту о кр а ску на зыва ютте мб р о м. С у щ е ству ютпо няти я те мб р а скр и пки , тр о мб о на , о р га на и т.п., а та кже те мб р а го ло са : зво нки й, ко гда по дч е р кну ты высо ко ч а сто тные со сто вляющ и е ; глу хо й, ко гда о ни по да вле ны и др . С вязь ме жду фи зи ч е ски ми сво йства ми зву ка и слу хо выми о щ у щ е ни ями у до б но пр е дста ви ть в ви де сле ду ющ е й на глядно й ди а гр а ммы. и нте нси вно сть

у р о вни гр о мко сти

ч а сто та

высо та то на

спе ктр

те мб р

Ри с. 5.16

Ш ка ла ме л ка к фу нкци я ч а сто ты

Ри с.5.17 С р а вне ни е ш ка л

5.4 И не р ци я слуха (вр е м е нны е хар ак те р и сти к и ) П р и и сч е зно ве ни и р а здр а жа ющ е й си лы слу хо во е о щ у щ е не я и сч е за е т не ср а зу , а по сте пе нно у ме ньш а е тся до ну ля → это эффе ктслу хо во го впе ч а ле ни я. Вр е мя, в те ч е ни е ко то р о го о щ у ш е ни е по у р о вню гр о мко сти у ме ньш а е тся на 8,7 фо н, на зыва ютпо сто янно й вр е ме ни τ слу ха . Она за ви си то тмно ги х па р а ме тр о в. В ср е дне м τ ≅ 150...200мс. С лу хо во е впе ч а тле ни е да е т во змо жно сть ср а вни ва ть ч а сто ты дву х то но в пр и б ыстр о м пе р е ключ е ни и с о дно го на др у го й и о б на р у жи ва ть не б о льш у ю р а зни цу ч а сто т. С лу хо во е впе ч а тле ни е пр и во ди тк по сле ма ски р о вке си гна ла . П о сле ма ски р о вка те м дли нне е , ч е м выш е у р о ве нь пр е дш е ству ющ е го си гна ла . Для р е ч и это явле ни е на зыва е тся са мо ма ски р о вко й. Она для р е ч и и ме е тпо р ядо к (-24)дБ. П о это му у р о ве нь о щ у щ е ни я р е ч и по о тно ш е ни ю к ср е дне му е е у р о вню не пр е выш а е т24 дБ то лько и з-за са мо ма ски р о вки . Воспр и яти е и м пульсовзвук а Для то на льно го и мпу льса с дли те льно стью Т > 200мс П С та ко й же , ка к и для не пр е р ывно го то на . П р и Т < 200мс: Jпс(T)= Jпс(∞ )*(200/T) (J в Вт/м 2) Для пе р и о ди ч е ски по вто р яющ и хся и мпу льсо в П С пр и fпо в > 200Гц р а ве н по р о гу не пр е р ывно го то на . П р и fпо в < 200Гц П С б ыстр о у ве ли ч и ва е тся.

М и ни ма льно е вр е мя и нте нси вно сти и ч а сто ты.

во спр и яти я

(о по зна ни я)

J, дБ

F, Гц

Tпо р , мс

80 80

125 1000

24 10

40 40

125 1000

40 22

высо ты

то на

за ви си т о т

ко ли ч е ство пе р и о до в, не о б хо ди мых для о по зна ни я высо ты то на , N= Tпо р *F 3 10(пр и 6-8 пе р и о да х о щ у щ а е тся то н со щ е лч ко м) 5 22

Для то ч но го о по зна ни я высо ты то на тр е б у е тся 100мс (100 пе р и о до в F =1000Гц) Два то на льных сле ду ющ и х др у г за др у го м зву ка с пе р е р ыво м Т * ≈ 20...40мс во спр и ни ма ются ка к о ди н не о дно р о дный. П р и Т * ≈ 40...80мс те же си гна лы во спр и ни ма ются ка к два , но вза и мно связа нные . Вр е ме нно й по р о гр а зли ч е ни я и нте р ва ло в ти ш и ны ме жду дву мя зву ка ми Т * ≈0,5...2мс. Э хо . Два зву ка с дли те льно стями T < 50мс, е ксли о ди н и з ни х за па здыва е тна вр е мя Т за п < 50мс все гда во спр и ни ма ются сли тно . П о р о го во е вр е мя за па здыва ни я для р а зде льно го во спр и яти я за ви си т о т о тно ш е ни я у р о вня по сле ду ющ не го зву ка (эха ) к пр е дыду щ е му . На р и с. 5.18 пр е дста вле на кр и ва я за ви си мо сти по р о го во го вр е ме ни за па здыва ни я Т за п.по р о тр а зни цы в дБ ∆ L и нте нси вно сти по сле ду ющ е го зву ка к пр е дыду щ е му . Кр и ва я на р и су нке о б о зна ч а е тсле ду ющ е е . Е сли для за да нно го ∆ L и ме е м Т за п > Т за п.по р , то эхо во спр и ни ма е тся р а зде льно . На пр и ме р , е сли для ∆ L = -10дБ Т за п =75мс, то эхо во спр и ни ма е тся р а зде льно . Е сли же та ко е же за па здыва ни е б у де тпр и ∆ L = -20дБ, то эха мы не у слыш и м. -(-9∆ L + 75),∆ L < -14 Tза п. по р ≅ 50

,∆ L > -14

Ри с. 5.18

6. Хар ак те р и сти к и р е чи 6.1 У р овне гр ам м а М гно ве нно е зна ч е ни е зву ко во го да вле ни я а ку сти ч е ско го си гна ла р е ч и не пр е р ывно и зме няе тся во вр е ме ни в ш и р о ко м ди а па зо не . За ви си мо сть мгно ве нно го зна ч е ни я а ку сто си гна ла о твр е ме ни и зме р яе тся пр и б о р о м с по сто янно й вр е ме ни не б о ле е 15..20 мс и на зыва ют объе к ти вной ур овне гр ам м ой , т.к. о на не о б хо ди ма для о пр е де ле ни я пр о хо жде ни я си гна ла ч е р е з а ппа р а ту р у . Ли б о и зме р яютпр и б о р о м с по сто янно й вр е ме ни 120..200 мс – субъе к ти вная ур овне гр ам м а для о це нки во спр о и зве де ни я си гна ла слу хо вым о р га но м ч е ло ве ка . Ур о вне гр а мму р а ссма тр и ва ют ка к слу ч а йну ю ве ли ч и ну и стр о ят и нте гр а льну ю кр и ву ю р а спр е де ле ни я ве р о ятно сти Р пр е выш е ни я у р о вне гр а ммы на д за да нным у р о вне м L. П о ве р о ятно сти Р=0,02 о пр е де ляютLmax, а по P=0,98 → Lmin, р и с. 6.1 Опр е де ле но , ч то , ка к р е ч е вые , та к и му зыка льные си гна лы и ме ют р а спр е де ле ни е б ли зко е к но р ма льно му . Ве ли ч и ну D= Lmax - Lmin на зыва ютди на ми ч е ски м ди а па зо но м. Е го ве ли ч и ны для р а зных ви до в си гна ло в: Ø Ре ч ь ди кто р а 25..35 дБ Ø Т е ле фо нный р а зго во р 35..45 дБ Ø С и мфо ни ч е ски й о р ке стр 65..75 дБ С р е дне е зна ч е ни е у р о вне гр а ммы Lср мо жно и зме р и ть пр и б о р о м с б о льш о й по сто янно й вр е ме ни . Для дли те льно го ср е дне го у р о вня по сто янну ю вр е ме ни пр и б о р а б е р у тр а вно й 15 с для р е ч и и 1 ми н для му зыки . Ве ли ч и ну П = Lmax –Lср на зыва ютпи к-фа кто р о м. Зву ко вые да вле ни я и мо щ но сть, р а зви ва е мые го ло со м ч е ло ве ка , пр и пр о и зне се ни и р е ч и по ка за ны в та б ли це 6.1 Т а б л. 6.1 Об ла сть П и кП и ко ва я Усло ви я пр о и зне се ни я Ра ссто я С р е дне е зву к. мо щ но сть, фа кто р , на и высш и х ре чи ни е , см да вле ни е , П а пи ко в, Гц дБ мВт Ре ч ь те ле фо нна я: § С р е дни й у р о ве нь 250..500 12 0,24 2 2,5 § Гр о мка я 4,0 18 500..1000 4 2,5 § ти ха я 250..500 1 0,025 8 2,5 Ра зго во р

100

0,05

0,5

10

250..500

Ди на ми ч е ски е ха р а кте р и сти ки в дБ пр и ве де ны в та б ли це 6.2 Та б л. 9.2 Ур о ве нь зву ко во го да вле ни я Ш е по т

Но р ма льна я р е ч ь

кр и к

Min

С р е дне е

max

М гно ве нно е пи ко во е зна ч е ни е П и ко во е зна ч е ни е р е ч и

58

67

79

87

98

С р е дне ква др а ти ч но е зна ч е ни е р е ч и

46

55

65

75

86

М и ни ма льно е зна ч е ни е

30

39

49

59

70

Об ла сть, за ни ма е ма я р е ч ью в ко о р ди на та х и нте нси вно сть-ч а сто та по ка за на на р и с. 6.7

6.2 С пе к тр си гнала р е чи В о сно ве кр а тко вр е ме нно го спе ктр а льно го а на ли за ле жи тдо пу щ е ни е , ч то в пр е де ла х о тно си те льно ко р о тко го и нте р ва ла вр е ме ни р е ч ь мо жно сч и та ть ста ци о на р ным пр о це ссо м. Т о гда спе ктр t

S x (ω , t ) =

∫ x(τ ) ⋅ h(t − τ ) ⋅ e

− jωτ

dτ

−∞

τ - пе р е ме нна я и нте гр и р о ва ни я h(t) – ве со ва я фу нкци я – вр е ме нно е о кно ч е р е з ко то р о е пр о сма тр и ва е тся ли ш ь ч а сть си гна ла , пр и мыка ющ а я к а на ли зи р у е мо му мо ме нту вр е ме ни . Э ффе кти вну ю дли те льно сть фу нкци и h б е р у тпо р ядка 20..30 мс. Ча сто вме сто кр а тко вр е ме нно го спе ктр а р а ссма тр и ва ютмгно ве нный эне р ге ти ч е ски й спе ктр : 2 S x (ω , t ) На и б о ле е р а спр о стр а не нный ме то д и зме р е ни я кр а тко вр е ме нно го спе ктр а – гр е б е нка по ло со вых фи льтр о в. П р е дста ви м спе ктр в ви де : S x (ω , t ) =

t

t

−∞

−∞

∫ x(τ ) ⋅ cos(ωτ ) ⋅ h(t − τ ) ⋅ dτ − j ∫ x(τ ) ⋅ sin(ωτ ) ⋅ h(t − τ )dτ =a(ω , t ) − j ⋅ b(ω , t )

Э не р ге ти ч е ски й спе ктр S x (ω , t ) = a 2 (ω , t ) + b 2 (ω , t ) 2

Отсюда сле ду е т, ч то и зме р и ть (по лу ч и ть) эне р ге ти ч е ски й спе ктр не тр у дно . На до си гна л x(t) у мно жи ть на cos(ωt) и sin(ωt), о тфи льтр о ва ть с по мо щ ью фи льтр о в с и мпу льсными о ткли ка ми h(t), во зве сти в ква др а ти пр о су мми р о ва ть, р и с. 6.2 Cos(ωt) a(ω,t) Ф и льтр h(t)

ква др а то р |f(ωt)|2

Σ

x(t)

Ф и льтр h(t)

Sin(ωt)

Устр о йство и звле ч е ни я ко р ня

|f(ω,t)|

ква др а то р b(ω,t)

Ри с. 6.2 С хе ма по лу ч е ни я мгно ве нно го а мпли ту дно го спе ктр а р е ч и . Э то не е ди нстве нный и не на и б о ле е пр о сто й спо со б . Ча сто на пр а кти ке де ло у пр о щ а ют фи зи ч е ски а ппр о кси ми р у я вр е ме нну ю о ги б а ющ у ю a(ω,t) и b(ω,t) фо р мо й на выхо де по ло со во го фи льтр а пу те м де те кти р о ва ни я си гна ло в a(ω,t) и b(ω,t), и пр о пу ска ни я

р е зу льта та ч е р е з фи льтр ни зко й ч а сто ты. А на ло ги ч но по лу ч а юти эне р ге ти ч е ски й спе ктр , и зме р яя эне р ги ю на выхо де ка ждо го по ло со во го фи льтр а гр е б е нки . Бе р е тся ко мпр о ми сс ме жду ш и р и но й по ло со во го фи льтр а и р а зр е ш е ни е м во вр е ме ни . Бо льш о е р а спр о стр а не ни е по лу ч и ла ци фр о ва я о б р а б о тка си гна ло в. П у сть р е ч е во й си гна л x(t) пр е дста вле н по сле до ва те льно стью о тсч е то в x(nT). 0 ≤ n ≤ N-1, Т – и нте р ва л ди скр е ти за ци и . Т о гда спе ктр ди скр е тно го р е ч е во го си гна ла N −1

S xД (ω ) = ∑ x(nT ) ⋅ e − jωnT n =0

С о гла сно те о р и и о тсч е то в (Ко те льни ко ва ) в ч а сто тно й о б ла сти для о гр а ни ч е нно й во вр е ме ни фу нкци и (на и нте р ва ле NT) спе ктр а льна я пло тно сть о дно зна ч но о пр е де ляе тся за да ни е м сво и х ди скр е тных зна ч е ни й в то ч ка х 2π ω= ⋅k , k = 0,1,2,… NT 2π Об о зна ч и в Ω = по лу ч и м о ко нч а те льно е выр а же ни е для ди скр е тно го NT пр е о б р а зо ва ни я Ф у р ье (ДП Ф ) N −1

S xД (kΩ) = ∑ x(nT ) ⋅ e − jkΩnT n=0

Ди скр е тный спе ктр , в о тли ч и е о т а на ло го во го , б у де т по ч а сто те пе р и о ди ч е ски м с пе р и о до м NΩ=2π/T. Об р а тно е ДП Ф , ко то р о е пе р е во ди т ДП Ф в и схо дну ю по сле до ва те льно сть о тсч е то в да е тся выр а же ни е м 1 N −1 x(bT ) = ∑ S xД (kΩ) ⋅ e jlkΩ N k =0 Зде сь о б ъе м о пе р а ци и на Э ВМ по р ядка N2 ко мпле ксных у мно же ни й и сло же ни й. Изве стны и ску сстве нные пр и е мы эко но мных по ч и слу о пе р а ци й о пр е де ле ни я ДП Ф , на зыва е мые б ыстр ыми пр е о б р а зо ва ни ями Ф у р ье (БП Ф ). Если N сте пе нь ч и сла 2, то БП Ф тр е б у е т не N2 а Nlog2N о пе р а ци й. На пр и ме р , пр и N=1024 по лу ч а е тся 99% эко но ми и выч и сли те льных о пе р а ци й.

6.3 Ре че вы е звук и С фи зи ч е ско й то ч ки зр е ни я р е ч ь – это по сле до ва те льно сть зву ко в р е ч и с па у за ми ме жду гр у ппа ми . Опти ма льным сч и та е тся те мп р е ч и 60..80 сло в в 1 ми н с и нте р ва ла ми ме жду сло ва ми о ко ло 1с, а до пу сти мый те мп – до 120 сло в в 1 ми н. Ка ждо му ч е ло ве ку сво йстве нна сво я ма не р а пр о и зно си ть зву ки р е ч и (сво е го р о да у стный по дч е р к). Но пр и все м мно го о б р а зи и пр о и зно ш е ни я, зву ки – это фи зи ч е ски е р е а ли за ци и о гр а ни ч е нно го ч и сла о б о б щ е нных зву ко в р е ч и , на зыва е мых ф оне м ам и . Ф о не ма – это ч то ч е ло ве к хо ч е тпр о и зне сти , а зву к р е ч и – то , ч то ч е ло ве к фа кти ч е ски пр о и зно си т. Ф о не ма по о тно ш е ни ю к зву ку и гр а е т ту же р о ль, ч то и о б р а зцо ва я б у ква , на зыва е ма я гр аф е м ой , по о тно ш е ни ю к е е р е а ли за ци и . В р у сско м языке 41 о сно вна я фо не ма : С о но р ные – л, ль, р , р ь, м, мь, н, нь, й; Щ е ле вые –ж, ш , з, зв, в, вь, с, сь, ф, фь, х, хь; Взр ывные – б , б ь, д, дь, г, гь, п, пь, т, ть, к, кь; А ффр и ка ты –ц, ч (ко мб и на ци я глу хи х взр ывных и щ е ле вых) Гла сные –а , о , у , э, и , ы. Гла сные е , я, ё , ю –это со ста вные фо не мы йе , йа , йо , йу

П р и пр о и зне се ни и зву ко в ч е р е з р е ч е во й тр а кт пр о хо ди т ли б о то на льный и мпу льсный си гна л, ли б о ш у мо во й, ли б о и то т и др у го й вме сте . Ре ч е во й тр а кт – это сло жный а ку сти ч е ски й фи льтр с р ядо м р е зо на нсо в, со зда ва е мых а р ти ку ляци о нными о р га на ми р е ч и . Всле дстви е это го р а вно ме р ный то на льный и ли ш у мо во й спе ктр пр е вр а щ а е тся в спе ктр с р ядо м ма кси му мо в и ми ни му мо в, р и с. 6.3 М а кси му м спе ктр а на зыва е тся фо р ма нта ми , а р е зки е пр о ва лы – а нти фо р ма нта ми . Для ка ждо й фо не мы о ги б а ющ а я спе ктр а и ме е ти нди ви ду а льну ю и впо лне о пр е де ле нну ю фо р му . П р и пр о и зне се ни и р е ч и спе ктр е е не пр е р ывно и зме няе тся и о б р а зу ются фе р ме нтные пе р е хо ды. С пе ктр со гла сных ч а щ е все го и ме е то ди н, но о ч е нь р а сплывч а тый ма кси му м. С р е дняя то ч ка эффе кти вно го р е ч е во го спе ктр а со о тве тству е т 1900Гц (не и ска же нна я р е ч ь в ти ш и не ). Гла сные зву ки и ме ютв ср е дне м дли те льно сти о ко ло 0,15 с, со гла сные – о ко ло 0,09 с, а зву к П –о ко ло 30 мс. Зву ки р е ч и не о ди на ко во и нфо р ма ти вны. Гла сные зву ки со де р жа т ма лу ю и нфо р ма ци ю о сло ве , а глу хи е со гла сные на и б о ле е и нфо р ма ти вны. На пр и ме р , в сло ве П ОС Ы ЛКА по сле до ва те льно сть ОЫ А ни ч е го не го во р и т, П С ЛК да е тпо ч ти о дно зна ч ный о тве то смысле . Инте р е сно , в др е вне и у де йско й пи сьме нно сти не б ыло гла сных б у кв. Изве стно , ч то для пе р е да ч и о дно го и то го же со о б щ е ни я по те ле гр а фу и по р е ч е во му тр а кту тр е б у е тся р а зли ч на я пр о пу скна я спо со б но сть. Для те ле гр а фа до ста то ч на пр о пу скна я спо со б но сть не б о ле е 100 б и т/с (по ло са 7000 Гц, ди а па зо н 42 дБ, т.е тр е б у е тся 7-зна ч ный ко д, о тку да 2*7000*7=98000 б и т/с). Т е ле гр а ф пе р е да е т и нфо р ма ци ю то лько о смысле те кста р е ч и , а р е ч е во й тр а кт – е щ е и эмо ци о на льну ю и др у гу ю и нфо р ма ци ю о го ло се ч е ло ве ка .

Ри с. 6.1 Ур о вне гр а мма и и нте гр а льно е р а спр е де ле ни е по не й

Ри с. 6.3 С пе ктр а льные о ги б а ющ и е зву ко в «В»-1 и «Г»-2 р у сско й р е ч и

Ри с. 6.4 За ви си мо сть сло го во й р а зб о р ч и во сти о ту р о вня р е ч и и ш у ма для р у сско й р е ч и по ло са пр о пу ска ни я 250..3000 Гц. С пе ктр ш у ма р а вно ме р ный На пр и ме р , для S = 80% - о тли ч на я связь на до пр и ш у ме 40 дБ и ме ть си гна л L = 80 дБ, т.е . на 20 дБ б о льш е . С р ыв связи пр и си гна л/по ме ха ≈ 1

6.4 Разбор чи вость р е чи Ра зб о р ч и во сть р е ч и о пр е де ляе тся ка к о тно ш е ни е в % ко ли ч е ства пр а ви льно у слыш а нных эле ме нто в р е ч и к ч и слу пе р е да нных по спе ци а льно со ста вле нным и ста нда р ти зи р о ва нным а р ти ку ляци о нным та б ли ца м. С та нда р тные но р мы р а зб о р ч и во сти у ста на вли ва ютсвязь р а зб о р ч и во сти с экспе р тно й о це нко й ка ч е ства связи , та б л. 6.3 Т а б л. 6.3 Ка ч е ство связи и ли зву ко во й а ппа р а ту р ы Ви д р а зб о р ч и во сти С р ыв П р е де льно Удо вле тХ о ро ш о Отли ч но связи до пу сти мо во р и те льно С ло го ва я S, %

<25

25..40

40..55

55..80

80 и выш е

Зву ко ва я D, %

<60

64..75

75..82

82..93

93 и выш е

С ло ве сна я W, %

<65

75..87

87… 93

93..98

98 и выш е

Ф р а зо ва я J, %

-

90..95

95..97

97..99

99 и выш е

Всяки е по ме хи и не ста нда р тные у сло ви я вли яют на р а зб о р ч и во сть р е ч и . Вли яни е ш у ма на р а зб о р ч и во сть р е ч и за ви си то тсо о тно ш е ни я у р о вне й ш у ма и р е ч и , р и с. 6.4 Для у до вле тво р и те льно го во спр и яти я р е ч и е е у р о ве нь до лже н пр е выш а ть у р о ве нь ш у ма не ме не е ч е м на 6 дБ. С у щ е ству ютпр и е мы по выш е ни я р а зб о р ч и во сти р е ч и , ко то р ым о б у ч а ютди кто р о в и а р ти сто в. Во тне ко то р ые и з ни х: 1. Опти ма льный выб о р сло ва р я, ко то р ый до лже н со де р жа ть ме ньш е спло ш ных р е ч е вых сти му ло в, у ч и тыва ть а ку сти ч е ски е кр и те р и и , о тда ва ть пр е дпо ч те ни е пр и выч ным для о пр е де ле нно го ко нти нге нта ли ц сло ва м, не до пу ска ть включ е ни я не ста нда р тных те р ми но в. 2. Выб о р сло в. В ч а стно сти , дли нные сло ва по ни ма ются лу ч ш е , ч е м ко р о тки е . На и б о льш е й по ме хо у сто йч и во стью к б е ло му ш у му о б ла да ют зву ки Р, Л, М , Н, ху же Ш , Ч, П , на и ху дш е й С , Ф , Ц , Т, Г. С ло ва с б у кво й И по д у да р е ни е м

да ют10% лу ч ш у ю р а зб о р ч и во сть ч е м с у да р но й А . Т о ч не е о по зна ются сло ва с у да р е ни е м на по сле дне м сло ге . Ра спо зна ва е мо сть сло в по выш а е тся, е сли о ни на ч и на ются с гла сных. 3. Для о пти ми за ци и стр о е ни я фр а з и х о б ъе м не до лже н пр е выш а ть 7±2 сло в, не сч и та я и нде ксо в и по зывных. На и б о ле е зна ч а щ и е сло ва сле ду е тр а спо ла га ть в пе р во й тр е ти фр а зы. В р а зр е ш а ющ и х фр а за х (ко ма нда х) р а зр е ш е ни е сле ду е тв ко нце , по сле со де р жа ни я де йстви я. В за пр е щ а ющ и х фр а за х – на о б о р о т. 4. Выпо лне ни е спе ци а льных тр е б о ва ни й к ди кто р у : а ) Бо льш а я и нте нси вно сть р е ч и ; б ) Бо льш а я пр о до лжи те льно сть сло го в; в) П о выш е нна я ва р и а ти вно сть зву ко вых высо т; г) Зна ч и те льна я ч а сть вр е ме ни за нята р е ч е выми зву ка ми , а не па у за ми ; д) П о вто р е ни е пе р е да ч и до лжно и ме ть ту же стр у кту р у и сло ва , ч то и в пе р е да ющ е м слу ч а е ;

6.5 А нали зи си нте зр е чи . На р и с. 6.1 по ка за н и схо дный пр и нци п по лу ч е ни я мгно ве нно го а мпли ту дно го спе ктр а р е ч и . На пр а кти ке в и зве стно м зву ко во м спе ктр о гр а фе и б о льш и нстве а на ли за то р о в па р а лле льно го ти па пр и ме няюту пр о щ е нный спо со б и зме р е ни я, р и с. 6.5

x(t)

П о ло со во й фи льтр p(t)

де те кто р

Ф НЧ q(t)

|S(ω,t)|

Ри с. 6.5 Бло к-схе ма и зме р е ни я мгно ве нно го спе ктр а . Э то т спо со б о б ыч но и спо льзу е тся в во ко де р а х и у стр о йства х а вто ма ти ч е ско го фо р ма нтно го а на ли за . П р и со о тве тству ющ е м выб о р е и мпу льсно го о ткли ка фи льтр а ни зки х ч а сто т(Ф НЧ) выхо дно е на пр яже ни е |x(t)⋅p(t)|⋅g(t) пр и б ли же нно о пи сыва е т|S(ω,t)| о дну спе ктр а льну ю ли ни ю на ч а сто те р е зо на нса по ло со во го фи льтр а . П р и ти по во й ш и р и не р е зо на нсно й ха р а кте р и сти ки по ло со во го фи льтр а 150 Гц гр е б е нка и з 24 фи льтр о в пе р е кр ыва е т ч а сто тный ди а па зо н о т 150 Гц до 4000 Гц. С и гна лы сни ма е мые с выхо до в ко мму ти р у ютс пе р и о до м 10 мс. Е сть пр и б о р ы в ко то р ых и спо льзу е тся о ди н по ло со во й фи льтр в схе ме р и с. 6.5, но с пе р е стр а и ва е мо й эле ктр и ч е ски ч а сто то й р е зо на нса . Ра зр е ш а ющ а я спо со б но сть та ко го пр и б о р а о пр е де ляе тся ш и р и но й по ло сы фи льтр а , р и с. 6.6

Ри с. 6.6

Бо ле е и нфо р ма ти вные р е зу льта ты а на ли за р е ч и по лу ч а ют с по мо щ ью пр и б о р о вса мо пи сце в, ко то р ые р а зво р а ч и ва ют и зме не ни е спе ктр а р е ч и во вр е ме ни . С е гме нт р е ч и за пи сыва ютна ма гни то фо н и за те м по две р га ютч а сто тно му а на ли зу . На б у ма ге са мо пи сца по о си а б сци сс о ткла дыва е тся вр е мя, а по о си о р ди на т ч а сто та . С пе ктр р а зво р а ч и ва е тся для ка ждо го мо ме нта вр е ме ни ве р ти ка льно й стр о ко й (ка к б ы ме ха ни ч е ски й «те ле ви зо р »). Ве ли ч и на спе ктр а о то б р а жа е тся на б у ма ге сте пе нью по ч е р не ни я. Для это го и спо льзу е тся спе ци а льна я эле ктр о ч у встви те льна я б у ма га . Э ле ктр и ч е ски й то к, пр о те ка ющ и й ч е р е з на ко не ч ни к спе ци а льно го пе р а пр о жи га е т б у ма гу та к ч то сте пе нь е е по ч е р не ни я пр о по р ци о на льно то ку . В р е зу льта те на б у ма ге «выр и со выва е тся» р а зве р тка спе ктр а в ко о р ди на та х вр е мя-и нте нси вно сть-ч а сто та . Т а ку ю «ка р ти нку » на зыва ют по -р а зно му : спе ктр о гр а ммо й, со но гр а ммо й, ви де о гр а ммо й, о тпе ч а тко м р е ч и , р и с. 6.7

Ри с. 6.8 Ви де о гр а мма а нгли йско й фр а зы « Mary had a little lamb» (у М е р и ма ле ньки й б а р а ш е к) Ри с. 6.7

Ри с. 6.10

Ри с. 6.9 Ви де о гр а мма се гме нта р у сско й р е ч и С ло г«и ву »

Ри с. 6.11

Ра зли ч а ютсе гме нты р е ч е во го си гна ла : во ка ли зо ва нные , не во ка ли зо ва нные и па у зы. Во ка ли зо ва нный се гме нтсо де р жи тво вр е ме нно й во лне не ко то р ый о сно вно й то н, ко то р ый ч е тко пр о сма тр и ва е тся на о сци лло гр а мме , р и с. 6.10. Не во ка ли зо ва нные – ш у мо по до б ные се гме нты да ютглу хи е со гла сные , р и с. 6.11. П о то му люб а я ли не йна я мо де ль р е ч е о б р а зо ва ни я со де р жи т ге не р а то р о сно вно го то на , ге не р а то р ш у ма и су мма то р , у пр а вляе мый па р а ме тр о м во ка ли за ци и α, о пр е де ляющ и м до ли то на и ш у ма в сме си . 0 ≤ α ≤1 Ве ли ч и не α = 1 со о тве тству е т зво нки й во ка ли зо ва нный зву к. α =0 за да е т глу хо й ш у мо по до б ный зву к. А , на пр и ме р , для «Р» и « Л» б у де тα ≈ 0,5. На р и с. 6.12 по ка за на ти по ва я ли не йна я мо де ль р е ч е о б р а зо ва ни я. f0

t

П а р а ме тр ы фи льтр а

α Ге не р а то р во зб у жда ющ и х и мп у льсо в

Uв(t) Ли не йный фи льтр H(ω)

Ге не р а то р ш у ма

x(t)

A

Uш (t) 1-α t

Ри с. 6.12 Ли не йна я мо де ль р е ч е о б р а зо ва ни я.

- у мно жи те ль - су мма то р - у п р а вляющ а я и нфо р ма ци я

П р о сте йш и й, и сто р и ч е ски пе р вый а на ли за то р и си нте за то р р е ч и – па р а ме тр и ч е ски й во ко де р по ка за н на р и с. 6.13

Ф НЧ

П Ф -2

Де т

Ф НЧ

П Ф -1

… … … … … … … … … … … … …

П Ф -N

Де т

Ф НЧ

Выде ле ни е о сно вно го то на

f0

Де те кти р о ва ни е во ка ли зо ва нно сти

α

А на ли за то р

П Ф -2 ци фр о во й ка на л связи

Де ко ди р о ва ни е и р а зде ле ни е

Де т

Ди скр е ти за ци я, ква нто ва ни е ко ди р о ва ни е

П Ф -1

… … … … … … … … … … П Ф -N

Ге не р а то р и мп у льсо в

f0

Ге не р а то р ш у ма

α

Си нте за то р

Т о н α=1

ш у м α=0

Ри с. 6.13 Не до ста то к схе мы – тр у дно по стр о и ть эффе кти вно р а б о та ющ и й выде ли те ль о сно вно го то на . В фо р ма нтных во ко де р а х в ка ч е стве о сно вных па р а ме тр о в б е р у т 3..5 пе р вых фо р ма нт, ко то р ые мо де ли р у ютсво и ми по ло со выми фи льтр а ми . Ко нстр у и р у ютво ко де р ы с и спо льзо ва ни е ДП Ф . Е сть во ко де р ы и спо льзу ющ и е мо де ль р е ч е о б р а зо ва ни я на о сно ве ли не йно го пр е дска за ни я о ч е р е дно го о тсч е та Х i, р е ч е во го си гна ла ч е р е з ли не йну ю ко мб и на ци ю пр е дыду щ и х о тсч е то в. Ра зви ти е во ко де р о в не пр е кр а щ а е тся та к ка к во ко де р а с со ве р ш е нными па р а ме тр а ми , о б е спе ч и ва ющ е го о тли ч но е , на ту р а льно е ка ч е ство ци фр о во го ка на ла связи , пр и по ло се пр о пу ска ни я не б о ле е 100..1000 б и т в се к, по ка не пр и ду ма но . В то вр е мя ка к мо зг ч е ло ве ка по да е тко ма нды на р е ч е о б р а зу ющ и е о р га ны все го со ско р о стью 50 б и т/с.

7. У стр ой ства ввода-вы вода р е че вой и нф ор м аци и (У ВВ) УВВ у же мо жно о тне сти к и нте лле кту а льным и нте р фе йса м. Осно вные до сто и нства р е ч е во го ка на ла о б щ е ни я с П К: - о б щ е ни е ве де тся в дву х на пр а вле ни ях; - ве де тся не е сте стве нно м языке и не тр е б у е тдо по лни те льно го о б у ч е ни я; - ка на л са мый б ыстр ый и эко но ми ч ный; - ле гко со вме щ а е тся с др у ги ми пе р и фе р и йными у стр о йства ми ; - а ппа р а тные ср е дства мо гу тб ыть ма ло га б а р и тными и де ш е выми .

7.1 М оде ль р е чи В о б щ е м слу ч а е си сте мы р е ч е во го о б щ е ни я стр о ятся на б а зе дву х спе ци а ли зи р о ва нных р е ч е вых пр о це ссо р о в: а на ли за то р о в (у стр о йства вво да (УВв) и си нте за то р о в – у стр о йства выво да (УВыв)). П р о це сс р е ч и , ка к пр о це сс р а спо зна ва ни я слу хо вых о б р а зо в, со сто и ти з 3-х эта по в: а на ли за и де нти фи ка ци и и со б стве нно вво да в П К, р и с а на ли за то р

р а сп о зна ва ни е

ко ди р о ва ни е

Вво д в П К ма ш и нно го ко да фо не мы

П К зву ко ва я ка р та

За п и сь в п а мять фр а гме нто в р е ч и

Ра спо зна ва ни е и ко ди р о ва ни е фо не м

На д р а спо зна ва ни е м р е ч и р а б о та ютс 60-х го до в. К на сто ящ е му вр е ме ни со зда ны УВВ р е ч и в ди скр е тно й языко во й фо р ме - «ди кто вка ». Но р е а льные р е зу льта ты в р а спо зна ва ни и сли тно й р е ч и по ка скр о мные . Осно вные тр у дно сти – и нди ви ду а льно сть го ло са и сли тно сть р е ч и у сло жняют а на ли з и и де нти фи ка ци ю е ди ни ц р е ч и : зву ко в, фо не м, сло в. В пр а кти ке УВВ р е ч и а на ли зи р у ют ди а па зо н зву ко вых ко ле б а ни й 50… 5000 Гц, р а зб и ва я е го на по дди а па зо ны 3-мя фи льтр а ми : 50… 900 Гц , 900… 2200 Гц, 2200… 5000 Гц. За па с по ло сы ч а сто т пр о ти в ста нда р та 400… 3000 Гц и спо льзу е тся для со хр а не ни я и нто на ци и и и нди ви ду а льно сти р е ч и и для у ве ли ч е ни я р а зб о р ч и во сти р е ч и . В р у сско м языке 42 фо не мы: 6 гла сных и 36 со гла сных. В а нгли йско м – 20 гла сных (и з ни х 5 ди фто нго в)и 24 со гла сных. Одна ко в сли тно м по то ке р е ч и , в за ви си мо сти о т ко нкр е тных у сло ви й, фо не мы и зме няются, т.е . по являются о тте нки фо не м –а лло фо ны. Об щ е е ч и сло а лло фо но в: 480 гла сных и 8880 со гла сных. А ку сти ч е ски е ха р а кте р и сти ки фо не м о пр е де ляются а р ти ку ляр ными о со б е нно стями ме ст и спо со б о в и х о б р а зо ва ни я в р е ч е во м а ппа р а те – р о то во м и но со во м, о б р а зу ющ и х е ди ну ю а ку сти ч е ску ю си сте му , во зб у жда е му ю ко ле б а ни ями го ло со вых связо к, ли б о ту р б у ле нтным ш у мо м. Ра спр о стр а не ни е зву ко вых во лн в та ко й си сте ме о пи сыва е тся у р а вне ни е м Ве б сте р а : 1 S(x)

∂ ∂x

S(x)

∂p ∂x

=

1 c2

∂2p ∂t2

S(x) – фу нкци я по щ а ди се ч е ни я зву ко во го тр а кта вдо ль о си р а спр о стр а не ни я во лн, р – да вле ни е , с –ско р о сть зву ка , t – вр е мя. Ре ш е ни е это го у р а вне ни я – о сно вна я за б о та те о р и и р е ч е о б р а зо ва ни я. Инто на ци я и у да р е ни е в сли тно й р е ч и р е а ли зу ются тр е мя ха р а кте р и сти ка ми : - ме ло ди ка –и зме не ни е ч а сто ты о сно вно го то на го ло са ; - р и тми ка –те ку щ е е и зме не ни е дли те льно сти зву ко в и па у з; - эне р ге ти ка –те ку щ е е и зме не ни е и нте нси вно сти зву ка . С ущ е ствую т тр и м е тода анали за р е чи : 1. М е то д пр е два р и те льно й ви зу а ли за ци и . А на ли зи р у ются о пти ч е ски е и зо б р а же ни я гу б о пе р а то р а . П о о пыту языка о б щ е ни я глу хо не мых (за да ч а б и о ни ки ). 2. А на ли з ко ле б а ни й го ло со вых связо к, сни ма е мых с ло р и нго фо на . П р и го де н в у сло ви ях си льных по ме х (ка б и на са мо ле та , у пр о ка тно го ста на и т.п.) (за да ч а б и о ни ки ). 3. А на ли з спе ктр а льных ха р а кте р и сти к р е ч и : эне р ге ти ч е ски х, ч а сто тных, вр е ме нных и а мпли ту дных спе ктр о в. П р и ме няе тся для р а спо зна ва ни я о тде льных сло в, на пр и ме р , ко ма нд у пр а вле ни я и «ди кто во к». Э то тме то д со сто и ти з не ско льки х о пе р а ци й. Вна ч а ле – се гме нта ци я р е ч и (ма ш и нно е р а зб и е ни е р е ч и на фо не мы). Для это го р е ч е во й си гна л р а зб и ва е тся на 10-ми ли се ку ндные ди скр е ты ∆t. В ка ждо м ди скр е те о це ни ва е тся 6 спе ктр а льных па р а ме тр о в: 1,2,3-и й па р а ме тр ы – это ма кси ма льные зна ч е ни я а мпли ту д ко ле б а ни й в тр е х по дди а па зо на х 50… 900 Гц , 900… 2200 Гц, 2200… 5000 Гц, а 4,5,6 – па р а ме тр ы – это ко ли ч е ство пе р е хо до в ч е р е з ну ль си гна ло в эти х ч а сто т, т.е . ко све нно е о пр е де ле ни е ч а сто тте х ко ле б а ни й, ко то р ые и ме ютма кси ма льну ю а мпли ту ду в ка ждо м и з 3-х ч а сто тных по дди а па зо но в.

7.2 С тр ук тур ная схе м а анали затор а р е чи Ра зли ч а ютдва кла сса а на ли за то р о в: си гна ло в и со о б щ е ни й. В а на ли за то р а х си гна ло в и нфо р ма ци о нный по то к си гна ло в с ми кр о фо на (105 б и т/с) сжи ма е тся (ко мпр е сси р у е тся) за сч е тста ти сти ч е ски х ха р а кте р и сти к р е ч е во го си гна ла б е з о б р а щ е ни я к е го смысло во й фу нкци и . В а на ли за то р а х р е ч е вых со о б щ е ни й и нфо р ма ци о нный по то к ко мпр е сси р у е тся за сч е т вве де ни я о пе р а ци и р а спо зна ва ни я смысло вых эле ме нто в р е ч и : фр а з, сло в, мо р фе м, фо не м. (мо р фе ма – на и ме ньш а я е ди ни ца зна ч е ни я; в языке – сло ва , ч а сти сло в: пр и ста вки , су ффи ксы и ли и х со ч е та ни я). В сво ю о ч е р е дь и ме е м а на ли за то р ы с о гр а ни ч е нным сло ва р е м и у ни ве р са льные .

А на ли за то р р е ч е вых си гна ло в

Не ли не йный ко р р е кто р

но ме р ко ма нды

П К

П ЗУ эта ло но в ко ма нд

А на ли за то р ы с о гр а ни ч е нным сло ва р е м р а спо зна ютза да нно е с ко нкр е тно й це лью не ко то р о е (о б ыч но ~100) ко ли ч е ство р е ч е вых ко ма нд.

а ку сти ч е ски й пр о це ссо р

те кст

ли нгви сти ч е ски й пр о це ссо р

П К

Ба за зна ни й

Уни ве р са льные а на ли за то р ы на це ле ны на р а спо зна ва ни е по лно го на б о р а смысло вых эле ме нто в р е ч и (фо не м и ли мо р фе м), с по мо щ ью ко то р ых мо же т б ыть р а спо зна но сло во и ли сли тно пр о и зне се нно е р е ч е во е со о б щ е ни е . Ра спо зна ва ни е о су щ е ствляе тся ли нгви сти ч е ски м пр о це ссо р о м по пр а ви ла м, за ло же нным в б а зу зна ни й. В о б щ е м слу ч а е р е ч е во й пр о це ссо р на ч и на е тся с «пр е дпр о це ссо р а » - пр о гр а ммно у пр а вляе мо е у стр о йство спе ктр а льно го а на ли за р е ч е во го си гна ла с по сле ду ющ и м пр е о б р а зо ва ни е м да нных в ци фр о ву ю фо р му . С тр у кту р на я схе ма а на ли за то р а 6-ти спе ктр а льных па р а ме тр о в зву ка , р и с. пик

АЦ П

П Ф 150… 900 Гц >

по р . у пик

>

П Ф 900… 2200 Гц

>

по р . у пик

П Ф 2200… 5000Гц

>

по р . у

сч е тч и к АЦ П

сч е тч и к

АЦ П

сч е тч и к

Осо б е нно сти схе мы: - Уси ли те ли о хва ч е ны глу б о ко й о тр и ца те льно й о б р а тно й связью для а вто ма ти ч е ско е р е гу ли р о вки у си ле ни я а мпли ту ды си гна ла . - В УВВ слу же б но го на зна ч е ни я б е р у т А Ц П на 8 р а зр ядо в – 256 у р о вне й ква нто ва ни я си гна ла , т.е . у р о вни ква нто ва ни я о тли ч а ются др у го тдр у га <0,5%. - П К о пр а ш и ва е тда нные на выхо де а на ли за то р а ч е р е з 0,1 мс, т.е . с ч а сто то й выш е во змо жно й ма кси ма льно й ч а сто ты о сно вно го то на . - П К пр о гр а ммно и зме р яе тсхо дство па р а ме тр о в со се дни х ди скр е то в р е ч и , а за те м и се гме нто в. П р и б о льш о м схо дстве ди скр е ты о б ъе ди няются. Е сли же и зме не ни е па р а ме тр о в сли ш ко м ве ли ко , се гме нты р а зб и ва ются. Т а к о пр е де ляются гр а ни цы фо не м. - Ко ли ч е ство по ло со вых фи льтр о в о пр е де ляе т до сто ве р но сть р а спо зна ва ни я ко ма нды, сло ва – по это му за ви си то то б ъе ма сло ва р я в П ЗУ и ли па мяти П К.

7.3 С тр ук тур а устр ой ства ввода р е чи Вто р а я о пе р а ци я эта па а на ли за р е ч е во го со о б щ е ни я –ма ш и нно е о пи са ни е р е ч и с по мо щ ью те х же спе ктр а льных па р а ме тр о в. Ф о не мы, сло ги , сло ва о пи сыва ются в

П К

за ви си мо сти о то б ъе ма сло ва р я и ти па вво да –сли тна я р е ч ь и ли ди скр е тна я («ди кто вка »). С о о тве тстве нно и эта ло ны о пи сыва ются та кже . Е мко сть па мяти сло ва р я эта ло но в за ви си т о т ко ли ч е ства р а спо зна ва е мых фо не м, сло в. На пр и ме р , для го ло со во го пр о гр а мми р о ва ни я на языке С (65 ко ма нд и зна ко в) хр а не ни е эта ло но в за ни ма е т 3,5 Кб а йт, т.к. хр а не ни е о дно й ко ма нды за ни ма е т 55 б а йт. Об ъе м пр о гр а ммы р а спо зна ва ни я на С по лу ч а е тся в 991 стр о ку . Опи са ни е по сту пи вш е й р е ч е во й ко ма нды ср а вни ва е тся с эта ло но м по ти пу а ссо ци а ти вно го по и ска ме то до м пе р е б о р а и ли на ма тр и ч но м пр о це ссо р е с о пи са ни е м все х эта ло но в. Вво ди мо й фо не ме пр и пи сыва е тся и мя то го эта ло на , ко то р ый на и б о ле е б ли зо к к ко ду о пи са ни я слу хо во го о б р а за . Е сли на б о р сло в и ли ко ма нд о гр а ни ч е н, то р а спо зна ва ни е до во льно пр о сто мо жно о б е спе ч и ть на пр и нци пе пе р се птр о на . Т е мб р ы го ло со в р а зных о пе р а то р о в ч а сто си льно о тли ч а ются. М а ш и нно е о пи са ни е фо не м та кже б у де т су щ е стве нно о тли ч а ться о т эта ло но в. Э то пр и ве де т в ди кто р о -за ви си мых си сте ма х к не р а спо зна ва ни ю не ко то р ых фо не м (а то и все х фо не м). П о это му пр и сме не о пе р а то р о в тр е б у е тся пр е два р и те льна я на стр о йка си сте мы пу те м за пи си но вых эта ло но в с го ло са по льзо ва те ля. Э то т пр и е м в и нте лле кту а льных си сте ма х на зыва ют о б у ч е ни е м. Инди ви ду а льные р е ч е вые па р а ме тр ы ко нкр е тно го о пе р а то р а : те мб р , ско р о сть пр о и зно ш е ни я сло в, фр а з (ср е дняя ско р о сть ≈200 сло в/ми н), а кце нт, де фе кты р е ч и . Др у го й ва р и а нт на стр о йки на го ло с о пе р а то р а – и нди ви ду а льна я по дстр о йка а мпли ту дно -ч а сто тных ха р а кте р и сти к (А ЧХ ) фи льтр о в а на ли за то р а . Э то сло жна я си сте ма ч а сто тно -за ви си мо й о тр и ца те льно й о б р а тно й связи , о б е спе ч и ва ющ а я по сто янство ч а сто тно го спе ктр а си гна ла не за ви си мо о т и нди ви ду а льных сво йств го ло са о пе р а то р а . На и б о льш и й эффе ктб у де т, ко гда те мб р ы го ло со в б ли зки . П о ка в ди кто р о -за ви си мых, т.е . на стр а и ва е мых, си сте ма х вво да р е ч и у да е тся по лу ч и ть в 4 р а за ме ньш е о ш и б о к р а спо зна ва ни я, ч е м в ди кто р о -не за ви си мых. П р и пр о е кти р о ва ни и ди кто р о -не за ви си мых ме то до в и си сте м р а спо зна ва ни я сли тно й р е ч и с б о льш и м сло ва р е м р а зр а б о тч и ка ми в на сто ящ е е вр е мя по сле до ва те льно р е ш а ются сле ду ющ и е за да ч и : - вна ч а ле пр о гно зи р у е тся ди ко р о -за ви си ма я си сте ма р а спо зна ва ни я р е ч и с о гр а ни ч е нным сло ва р е м 15000… 20 000 сло в. - За те м р а зр а б о тка а да пти вных (на стр а и ва е мых на ко нкр е тно го ди кто р а в пр о це ссе р а б о ты) си сте м р а спо зна ва ни я с б о льш и м сло ва р е м (б о ле е 20 000 сло в). - На ко не ц, о жи да е тся со зда ни е ди ко то р о -не за ви си мых си сте м р а спо зна ва ни я сли тно й р е ч и со сло ва р е м в 200… 300 сло в до я и спо льзо ва ни я в си сте ма х р е ч е во го у пр а вле ни я.

7.4. У стр ой ства вы вода р е че вой и нф ор м аци и . С и нте затор ы . За да ч а выво да р е ч е во й и нфо р ма ци и сво ди тся к пр е о б р а зо ва ни ю ма ш и нных ко до в и з П К в ко ле б а ни я зву ко во й ч а сто ты р е ч и . Устр о йства выво да и а ппа р а тно , и пр о гр а ммно пр о щ е у стр о йств а на ли за . Осо б е нно за ме тно эко но ми тся па мять пр и си нте зе р е ч и по фо не ти ч е ски м пр а ви ла м. Класси ф и к аци я: С и нте за то р ы р е ч е вых си гна ло в р е ч е вых со о б щ е ни й

ко мпи лято р ы (о гр а ни ч е нный сло ва р ь) у ни ве р са льные

Бло к-схе мы: 1) с о гр а ни ч е нным сло ва р е м П К

но ме р со о б щ е ни я

ко мп и лято р

си нте за то р

П ЗУ сло ва р ь ли б о все это в П К

2) у ни ве р са льный П К

те кст

Ли нгви сти ч е ски й пр о це ссо р

си нте за то р

б а за зна ни й

В ко мпи лято р а х люб о е сло жно е р е ч е во е со о б щ е ни е по лу ч а е тся пр о сто со е ди не ни е м (ко мпи ляци е й) эле ме нто в р е ч и (фо не м, а лло фо но в, сло го в, сло в). Э то – ме то д си нте за по о б р а зца м (по о б р а за м). Э ле ме нты р е ч и за р а не е на ч и тыва ются ди кто р о м. Э ти си гна лы о ци фр о выва ются, ко ди р у ются, ко мпр е сси р у ются и за пи сыва ются в П ЗУ. В пр о це ссе выб о р а за ко ди р о ва нные р е ч е вые эле ме нты сч и тыва ются и з П ЗУ в за да нно й по сле до ва те льно сти и о дно вр е ме нно во сста на вли ва е тся р е ч е во й си гна л, р и с. ге не р а то р f1=50 Гц ма ш . ко д (фо не мы… . сло ва )

де ш и фр а то р

сме си т е ль

ге не р а то р fn=5 кГц

Вме сто ге не р а то р о в лу ч ш е пр и ме нять ци фр о вые по ло со вые фи льтр ы. П р и и спо льзо ва ни и в ка ч е стве эле ме нто в р е ч и о тде льных сло во фо р м, по дста вляе мых в о пр е де ле нные ме ста ста нда р тных фр а з, ко мпи ляци о нный ме то д по зво ляе тпо лу ч и ть у до вле тво р и те льный по ка ч е ству си нте з р е ч и . П о ка по пытки до б и ться высо ко ка ч е стве нно го си нте за фо не м и ли а лло фо но в е щ е ма ло у спе ш ны, т.к. все эти эле ме нты те сно связа ны ме жду со б о й вну тр и фр а зы. В сли тно й р е ч и не су щ е ству е та на ло го в эти х эле ме нто в, пр о и зне се нных и зо ли р о ва нно . И на о б о р о т, р е ч ь и з и зо ли р о ва нно пр о и зне се нных эле ме нто в зву ч и тне на ту р а льно . П о это му по дго то вка сло ва р я для ко мпи лято р о в –са мо сто яте льна я сло жна я пр о б ле ма .

Пр и м е р стр ук тур ы к ом пи лятор а. о тП К

па мять о б р а зцо в

у стр о йство у пр а вле ни я выб о р ко й и си нхр о ни за ци е й

ЗУ ка др о в

выб о р fо сн

ко мму та то р У

ге не р а то р f о сно вно го то ка

М но го зве нн

У

ге не р а то р ш у ма

У

ый ци фр о во й

п е р е ключ а те ль

у п р а вляе мы

Ц АП

СИНТ Е ЗА Т ОР

Ф и льтр и Ц А П у пр а вляются о тЗУ, ку да за р а не е и з па мяти о б р а зцо в за но си тся выб р а нно е у стр о йство м у пр а вле ни я о пи са ни е со о б щ е ни я ка к по сле до ва те льно сти ка др о в. Ка ждый ка др со де р жи тпа р а ме тр ы: гр о мко сти , ч а сто ты о сно вно го то ка , дли те льно сти си нте зи р у е мо го зву ка и др . Ка др ы о пр а ш и ва ются с и нте р ва ло м ди скр е ти за ци и вр е ме ни 20 мс. М о ду ли р у я о сно вно й то н по та б ли це му зыка льных но т, мо жно си нте зи р о ва ть пе ни е . В у ни ве р са льных си нте за то р а х стр е мятся по лу ч и ть фу нкци о на льну ю мо де ль р е ч е о б р а зо ва ни я, а де ква тну ю р е а льно су щ е ству ющ и м языко вым и а ку сти ч е ски м о со б е нно стям. Ре ч ь фо р ми р у е тся по пр а ви ла м фо не ти ки языка (фо не ти ч е ски й ме то д). На вхо де та ко й мо де ли – о р фо гр а фи ч е ски й и ли фо не мный те кстпр о и зво льно го со де р жа ни я. На выхо де – зву ч а щ а я р е ч ь. П о су щ е ству - это ки б е р не ти ч е ска я фу нкци о на льна я мо де ль ч те ни я те кста ч е ло ве ко м. В б а зе зна ни й си нте за то р а хр а ни тся ка к и нфо р ма ци я о б эле ме нта р ных е ди ни ца х р е ч и (эта ло ны фо не м, а лло фо но в и и нто не м), та к и а лго р и тмы пр а ви л и х мо ди фи ка ци и в за ви си мо сти о тко нкр е тно го ко нте кста зву ко во й р е а ли за ци и . П р о це сс пр и ме не ни я эти х пр а ви л р е а ли зу е тся ли нгви сти ч е ски м пр о це ссо р о м. До сто и нства у ни ве р са льных си нте за то р о в: ма лый р а схо д па мяти на о ди н эле ме нт р е ч и и не о гр а ни ч е нно сть сло ва р я си нте зи р у е мых со о б щ е ни й. Ра спла та – а ппа р а тна я сло жно сть и тр у дно сть по лу ч е ни я высо ко ка ч е ства сли тно й р е ч и . С р а вни м ме то ды си нте за по о б ъе му не о б хо ди мо й па мяти на пр и ме р е сло ва «а лло », длящ е го ся 0,3 с и р е зе р ва па мяти N=48 Кб а йт.

Об ъе м па мяти сло ва «а лло » n, б а йт 1800

С ко р о сть ч те ни я и з П ЗУ v = n/0,3 б а йт/с 6000

б и т/с 48 000

Вр е мя зву ч а ни я, Т =N/v 8с

Ф о р ми р о ва ни е р е ч и П р яма я за пи сь/ч те ни е р е ч и 6000 о тсч е то в/с по 1 б а йту ∆ f=3 кГц

188(187,5)

625

5 000

188 45

625 150

5 000

30 4

100 13,3

48 000/625=1 ми н 17 с 1 ми н 17 с 320 с= 5 ми н 20 с 8 ми н 1 ч 4 ми н

∆-ко д 5000 б и т/с ∆ f=1,2 кГц Ко мпи ляци я по сло ва м Ко мпи ляци я по сло га м П о фо не ти ч е ски м пр а ви ла м пр о щ е сло жне е

Изве сте н высо ко ка ч е стве нный а ппа р а т-си нте за то р («ящ и к» 10×45×30 см) к П К, да ющ и й б ли зку ю к е сте стве нно й р е ч ь р а зли ч но го те мпа и о тте нка по те ксту не о гр а ни ч е нно го сло ва р я.

8 Н е й р онны е се ти 8.1 Вве де ни е В пи о не р ско й р а б о те М а к-Ка лло к и П и тс (1943 г С Ш А ) пр е дло жи ли и де ю, и спо льзо ва ть се ть и з пр о сте йш и х и ску сстве нных не йтр о но в для р а спо зна ва ни я и зо б р а же ни й. П е р ва я пр а кти ч е ски пр и ме нявш а яся се ть и з и ску сстве нных не йтр о но в со зда на Ф . Ро зе нб ла то м (1957г, С Ш А ). Е го се ть пр о де мо нстр и р о ва ла у ди ви те льные во змо жно сти р а спо зна ва ни я си мво ло в. П о няти е «р а спо зна ва ни е о б р а зо в» о хва тыва е т ш и р о ку ю о б ла сть ва жных за да ч о б р а б о тки и нфо р ма ци и – о тр а спо зна ва ни я р е ч и и кла сси фи ка ци и р у ко пи сных си мво ло в до ме ди ци нско й ди а гно сти ки и о б на р у же ни я не и спр а вно сте й в те хни ке . С эти ми пр о б ле ма ми ч е ло ве к спр а вляе тся (с р а зно й сте пе нью у си ли й). Одна ко фо р ма ли зо ва ть эти пр о б ле мы до та ко й сте пе ни , ч то б ы пе р е ло жи ть р е ш е ни е та ко й за да ч и на ко мпьюте р , у да ё тся да ле ко не все гда . Не йр о нные се ти по зво ляют со зда ть пр о ч ный те о р е ти ч е ски й фу нда ме нтдля р е ш е ни я та ки х за да ч . Для то го ч то б ы си сте ма р а спо зна ни я мо гла пр а ви льно кла сси фи ци р о ва ть ве кто р а о б р а зо в, ко то р ые до это го не по па да ли в е ё по ле зр е ни я, о на до лжна о б ла да ть сво йства ми о б о б щ е ни я, р е а ги р у я на ха р а кте р ные пр и зна ки и о б р а щ а я вни ма ни я на по ме хи и во змо жные и ска же ни я. С это й пр о б ле мо й у спе ш но спр а вляются не йр о нные се ти . Иску сстве нно й не йр о нно й се ти пр и су щ и та ки е сво йства ч е ло ве ч е ско го мо зга , ка к о б у ч е ни е на пр и ме р а х и о б о б щ е ни е на о сно ве пр е дыду щ е го о пыта . Они мо гу т са мо р а зви ва ться и де ла ть б о льш е , ч е м по вто р е ни е пр о гр а мм за ло же нных в ни х пр о гр а мми сто м. На и б о ле е пр о ста я о дно сло жна я и ле гко о б у ч а е ма я не йр о нна я се ть и сто р и ч е ски на зыва е тся пе р се птр о но м. П е р се птр о ны пр и ме няли сь для пр е дска за ни я по го ды , а на ли за эле ктр о ка р ди о гр а мм и в си сте ма х те хни ч е ско го зр е ни я. Но ско р о о пти ми зм у ле ту ч и лся, ко гда о ка за ло сь, ч то пе р се птр о ны не мо гу т о си ли ть р яд пр о стых за да ч . М и нски й М . Л. (1971 г)стр о го ма те ма ти ч е ски до ка за л, ч то пе р се птр о н не льзя о б у ч и ть выпо лнять фу нкци ю XOR(и сключ а ющ е е и ли ). Ра зо ч а р о ва нные спе ци а ли сты пр е кр а ти ли р а б о ты с пе р се птр о на ми б о ле е ч е м на 20 ле т. П о сле дли те льно го пе р е р ыва б ыл те о р е ти ч е ски й фу нда ме нт мно го сло йных не йр о нных се те й и р а б о ты б ыли пе р е не се ны в б о ле е ги б ку ю ср е ду ко мпьюте р но го мо де ли р о ва ни я. К на ч а лу 90-х го до в те о р и я и пр а кти ка и ску сстве нных не йр о нных се те й и р а б о ты на д со зда ни е м не йр о ко мпьюте р о в ста ли на р а ста ть ла ви но о б р а зно . Ока за ло сь, ч то во змо жно сти мно го ч и сле нных не йр о нных се те й не со и зме р и мо пр е выш а ют во змо жно сти о дно сло йных пе р се птр о но в. Об ла сть и х пр и ме не ни я в на ш е вр е мя не о б ыч а йно ш и р о ка .

8.2 Б и ологи че ск и й не й р он и е го ф ор м альное м оде ли р овани е Осно вные эле ме нты не р вно й си сте мы не йр о на (в мо згу ч е ло ве ка о ко ло 1010 не йр о но в) де лятся на тр и гр у ппы по на зна ч е ни ю. 1) Ре це пто р ы – о су щ е ствляют пр е два р и те льну ю о б р а б о тку и ко ди р о ва ни е и нфо р ма ци и , по сту па ющ е й в о р га ни зм о твне ш не й ср е ды. 2) А ссо ци а ти вные не йр о ны – пе р е р а б а тыва ющ и е и нфо р ма ци ю в це нтр а льно й не р вно й си сте ме , по сту па ющ у ю о тр е це пто р ных не йр о но в. 3) Э ффе кто р ные не йр о ны – пе р е да ющ и е и нфо р ма ци ю о тце нтр а льно й не р вно й си сте мы к мыш ца м. Не йр о н – это спе ци а ли зи р о ва нна я кле тка (р и с 8.1)

Она со сто и ти з со мы(те ла ) (С ), о б о ло ч ки , ко то р а я на зыва е тся ме мб р а но й, де ндр и то в (Д), а ксо на (А ), и б ляш е к (Б), ко то р ые на зыва ются си на пса ми . А ксо н - выхо дно й о тр о сто к не йр о на , р а зве твляе тся на б о льш е е ко ли ч е ство Б во ло ко н ко то р ые по дхо дят к де ндр и та м Д др у ги х не йр о но в и за ка нч и ва ются си но пт и ч е ски ми б ляш ка ми (у то лщ е ни ями ). А Б П о ни м и мпу льс, выр а б о та нный не йр о но м и Д Б пе р е да ё тся во вне (др у ги м не йр о на м). С и на псы мо гу т б ыть и на те ле не йр о на , Б кр о ме то го к ни м мо гу тпо дхо ди ть и во ло кна Д Б и во ло кна по ко то р ым пе р е да ё тся и мпу льсы о тто го же не йр о на , т.е . мо же тсу щ е ство ва ть о б р а тна я связь. Э ле ктр и ч е ски е и мпу льсы Б по сту па ющ и е на си на псы вызыва ют сло жный ди на ми ч е ски й пр о це сс в те ле не йр о на и зме няя по те нци а л ме мб р а ны во вр е ме ни . В мо ме нт до сти же ни я не ко то р о й ве ли ч и ны (по р о га не йр о на ) не йр о н выр а б а тыва е т и мпу льс, ко то р ый у хо ди тпо а ксо ну , а по те нци а л ме мб р а ны р е зко па да е т, не йр о н ка к б ы р а зр яжа е тся. С ле ду ющ и й и мпу льс б у де т сфо р ми р о ва н то лько по сле не ко то р о й па у зы, ко то р а я не мо же т б ыть ме ньш е не ко то р о й ми ни ма льно й ве ли ч и ны, на зыва е мо й а б со лютно й р е фр а кте р но стью не йр о на . С ле до ва те льно , ма кси ма льна я ч а сто та и мпу льса не йр о на о гр а ни ч е на . За ме ти м, ч то все не йр о ны выр а б а тыва юти мпу льс о дно го зна ка . Но о дни си на псы (во зб у жда ющ и е ) по выш а ют по те нци а л ме мб р а ны не йр о на , а др у ги е си на псы (то р мо зящ и е ) по ни жа ютпо те нци а л ме мб р а ны. Ита к б и о ло ги ч е ска я не йр о нна я се ть являе тся о дно по ляр но й а си нхр о нно й и мпу льсно й се тью с ч а сто тно й мо ду ляци е й. Ф о р ма льный не йр о н, ка к мо де ль б и о ло ги ч е ско го , о тли ч а е тся зна ч и те льными у пр о щ е ни ями . С тр у кту р а фо р ма льно го не йр о на М а к-Ка лло ка и П и ттса по ка за на на р и с. 8.2

X1

ВХ ОД1

Xi

ВХ ОДi

ВХ ОД n

Xn Вхо дные си гна лы

Ре це п то р но е п о ле

W1 Wi

Σ

Wn М а сси в ве со вых ко эффи ци е нто в

f(net)

net V

Y Выхо д

С у мми р у ющ и й эле ме нт

П о р о го вый эле ме нт

Ри с 8.2 Вхо дные си гна лы Х мо гу ти ме ть люб у ю фи зи ч е ску ю пр и р о ду (р а зме р но сть) ве ли ч и ны с ко то р ыми и р а б о та е т фо р ма льна мо де ль не йр о на . С о сто яни е вхо до в {X1,X2,Xn} у мно жа ются на ве со вые ко эффи ци е нты и скла дыва ются в су мми р у ющ е м эле ме нте :

net = ∑ X iWi i

Выхо дна я ве ли ч и на е сть фу нкци я о тnet. Э то т не йр о н у же являе тся пр о сте йш и м пе р се птр о но м. Выхо дна я ве ли ч и на «Y» по лу ч а е тся выч и та ни е м и з net по р о го во го зна ч е ни я V (На зыва е мо го та кже «сме щ е ни е м») С ч и та е м, ч то выхо дно й си гна л «Y» мо же ти зме няться то лько в ди скр е тные мо ме нты вр е ме ни t кр а тные τ. П р и ч е м эти мо ме нты о дни и те же для все х не йр о но в се ти , т.е . се ть р а б о та е т си нхр о нно . Вхо дные си гна лы мо гу т б ыть ка к дво и ч ные та к и не пр е р ывные Y = f (net ) = net − V = ∑ X iWi − V i

Ди скр е тно сть вр е ме ни в это й фо р му ле по др а зу ме ва е тся по у мо лч а ни ю т.е . выхо д «Y» и зме няе тся спу стя τ по сле и зме не ни я вхо да Х . К о со б о му кла ссу о тно сятне йр о ны с дво и ч ным выхо до м и нфо р ма ци и . В это м слу ч а е в по няти е «П о р о го вый эле ме нт» вкла дыва е тся не ско лько и но й смысл. П о -пр е жне му выч и та е тся V и з ∑ X iWi , но те пе р ь эле ме нт выда ё т Y=0, е сли эта р а зно сть ме ньш е i

ну ля и Y=1, е сли б о льш е ну ля. 1, е с ли ∑ X iWi ≥ V  i да ле е для у до б ства р и су нко в, у ч и тыва я, ч то эле ме нты не йр о на Y = е с ли X iWi < V 0 , ∑  i  со ста вляюте ди но е це ло е и по ля вхо до в и выхо до в не йр о нно й се ти не у ч и тыва ются пр и по дсч ё те ко ли ч е ства сло е в не йр о но в, б у де м и зо б р а жа ть стр у кту р у не йр о на , та к, ка к по ка за но на р и с. Y- си гна л а кти вно сти выхо да не йр о на Y=f(net)

X1 W1 Xi W2

net

f(net)

Y

Xn W3 net = ∑ X iWi -пр а ви ло ко мб и на ци и вхо дных си гна ло в i

В ве кто р но м пр е дста вле ни и , на пр и ме р : net = [X 1

X2

W1  X 3 ]* W2  W3 

пр и X1=0,7; X2=0,1;X3=0,3 W1=-7,3,W2=3,1,W3=0,5 по лу ч и м − 0,3 [0,7 0,1 0,3]*  3,1  = 0,25  0,5 

8.3 Вы чи сле ни е си гнала ак ти вности 1.Т о жде стве нна я фу нкци я f(net)

net

Ри с 8.4 (а )

2. П о р о го ва я фу нкци я f(net)

net

Ри с 8.4 (б )

1, net ≥ V f (net ) =  0, net < V 3. С ме ш а нна я по р о го ва я фу нкци я f(net)

Ри с 8.4(в)

net

n

net = ∑ X iWi i =1

,

1, net ≥ 0 f (net ) =  0, net < 0

С дви г у до б но пр е дста ви ть ка к ве со во й ко эффи ци е нт W0 о т скр ыто го эле ме нта по сто янно й ве ли ч и ны X0=1

n

net j = ∑ X iWij i =0

X0 W0j

j-й не йтр о н

Yj

X1 W1j Xn Wnj

Ри с 8.5

В сло жных за да ч а х пр и ме няются, ка к в б и о ло ги ч е ско м не йр о не , пла вные по р о го вые фу нкци и вме сто ска ч ка

4. С и гмо и да льна я (ло ги сти ч е ска я) фу нкци я

f(net) 1 0,5

net

Ри с 8.6(а )

f (net ) =

1 1 + ext (−net )

5. Ги пе р б о ли ч е ски й та нге нс

f (net ) = 1 −

2 1 + ext (2 * net )

f(net) 1

-1 Ри с 8.6(б )

net

6. Ф у нкци я Га у сса f (net ) = ext ( −0,5 * net ) 2

f(net)

net Ри с 8.6 (в)

8.4 О днослой ны й пе р се птр он П р и ме р стр у кту р ы о дно сло йно й не йр о нно й се ти (пе р се птр о на ) с ‘n’-вхо да ми и ’m’выхо да ми , р и с.8.7 X1

Xj

W11 W1j

Y1

net 1

V1

net j

Vj

Yj

net m

Vm

Ym

W1m W1j Wij Wim

Xn

Wn1 Wnj Wnm Ри с 8.7 n

Y j = ∑ Wij X i − V j i =1

в о б щ е м слу ч а е XYV люб ые Для дво и ч ных не йтр о но в n  1 ,  ∑ Wij ≥ V j Yj =  n i 0, ∑ Wij X i < V j  1 В ве кто р но й фо р ме

Y = W ij − V ,

X - это о б р а з, ко то р ый на до р а спо зна ть. Ра спо зна ва ни е в ге о ме тр и ч е ско м пр е дста вле ни и это выде ле ни е гр у пп (о б ла сте й) то ч е к в мно го ме р но м пр о стр а нстве о б р а зо в по кла сси фи ка ци о нным пр и зна ка м Yj . На пр и ме р , р а зде ле ни е пр о стр а нства о б р а зо в ли ни е й и ли не ско льки ми ли ни ями для дву ме р но го о б р а за ,- пр о ве де ни е

пло ско сте й и ли по ве р хно сте й для 3-х ме р но го о б р а за . Го во р ят о пе р се птр о нно й пр е дста вляе мо сти – спо со б но сти на у ч и ться р а спо зна ва ть мо де ли р о ва ть о пр е де лё нные фу нкци и , о б р а зы. Одно сло йный пе р се птр о н – ли не йный, т.к. р а зде ляющ а я о б р а зы по ве р хно сть являе тся ли б о пр ямо й ли ни е й, ли б о пло ско стью, ли б о ги пе р пло ско стью. Не ли не йные за да ч и (для кр и во ли не йных ли ни й и по ве р хно сте й р а зде ла ) о дно сло йно му пе р се птр о ну не по си льны. Го во р ято ли не йно й не р а зде ли мо сти пр о стр а нства пр и зна ко в X . Об у ч е ни е и ли ко нстр у и р о ва ни е пе р се птр о на (и не йр о нно й се ти ) это пр о це ду р а на стр о йки ве со в Wij и в о б щ е м слу ч а е и Vi . Об у ч а е мо стью на зыва е тся на ли ч и е пр о це ду р ы (а лго р и тма ) на стр о йки ве со в. За ме ти м, ч то для о дно сло йно го пе р се птр о на с n-дво и ч ными вхо да ми пр о стр а нства пр и зна ко в X и ме е тся 2n р а зли ч ных ко мб и на ци й вхо дных си гна ло в. А ко ли ч е ство о б р а зо в (фу нкци й) для р а спо зна ва ни я Yj р а вно (2)2^n .Из ни х ко ли ч е ство фу нкци й (о б р а зо в) ли не йно р а зде ли мых пе р се птр о но м зна ч и те льно ме ньш е , та б л. 8.1. Для о ста ющ и хся не ли не йных за да ч р а спо зна ва ни я тр е б у ются мно го сло йные не йр о нные се ти (ч а сто с о б р а тными связями ) Т а б л.8.1 N (2)2^n Ко ли ч е ство ли не йно р а зде ли мых фу нкци й 1 4 4 2 16 14 3 256 104 4 65536 1882 5 4,3*109 94572

8.5 О бщ и е пр и нци пы и основны е к ом поне нты не й р онны х се те й Не йр о нна я се ть (НС ) – это у стр о йство па р а лле льных выч и сле ни й и з мно же ства вза и мо де йству ющ и х пр о стых «пр о це ссо в» (не йр о но в).Не йр о ны пе р и о ди ч е ски по лу ч а е т си гна лы и пе р е р а б а тыва е т и х пе р и о ди ч е ски по сыла е т сво и си гна лы др у ги м др у ги м не йр о на м, о б ъе ди не нным мно же ство м связе й в не йр о нно й се ти . За да ч а , ко то р у ю по ни ма е т НС о пи сыва е тся в те р ми на х ве со вых зна ч е ни й связе й ме жду Не йр о на ми . Э ти ма тр и цы ве со в связе й и являются па мятью НС . О том к ак должна р е ш аться вы полняе м ая задача. Ве со вые ко эффи ци е нты мо жно о пр е де ли ть (по стр о и ть НС ) и б е з о б у ч е ни я , но гла вно е пр е и му щ е ство НС в спо со б но сти о б у ч а ться. С тр у кту р а связе й НС мо же тб ыть са мо й р а зно о б р а зно й. Оди н эле ме нтсвяза н со все ми др у ги ми , эле ме нты о р га ни зо ва ны по сло ям и е р а р хи ч е ски мо гу т б ыть о б р а тные связи , ла те р а льные (па р а лле льные )- во змо жно сти ко нстр у и р о ва ни я связе й б е згр а ни ч ны. М а тр и цы ве со в (пр и ме р ы) W1- ма тр и ца 4х3 пе р во го сло я не йр о но в W2 –ма тр и ца 3х2 вто р о го сло я не йр о но в

− 2,6 4,3 0  0  1,2 0 0 0,5 W = − 0,8 − 0,4 0,9 0   −1 2,3 0  0,7

1

-2,6 1,2

4,3 0,8

3

2 2,3

-1,0

0,4 0,9

0,5

4 W1(4x3)

1 2 3 4

W2(3x2)

-0,6 . . . . . .

1,2

1,3

1

-1,7

2

0,1

3

. . . .

-0,8

1 2

Ри с 8.8(б )  − 0,6 1,2 1,7  1,3 0,8  . . .    W2 =  . .  W1 =  . . .   . .    . 0,1  .

Ри с 8.8(в)

8.6 О буче ни е не й р онной се ти С е ть о б у ч а е тся ч то б ы для не ко то р о го мно же ства вхо до в да ва ть же ла е мо е мно же ство выхо до в. Об у ч е ни е пр о и схо ди т по сле до ва те льным пр е дъявле ни е м вхо дных ве кто р о в с о дно вр е ме нно й по дстр о йко й ве со в по за да нно й пр о це ду р е . В р е зу льта те ве са ста но вятся та ки ми , ч то на ка ждый вхо дно й ве кто р выр а б а тыва е тся тр е б у е мый выхо дно й. П о спо со б у ко нтр о ля о ш и б ки и по дстр о йки ве со в р а зли ч а юто б у ч е ни е с у ч и те ле м и б е з не го .

С у ч и те ле м. Уч и те лю и зве сте н для ка ждо го вхо дно го ве кто р а тр е б у е мый выхо дно й це ле во й ве кто р – о б у ч а ющ а я па р ы. С р а вне ни е м выч и сляются о ш и б ки и на стр о йко й ве со в ми ни ми зи р у ются. П о пу ляр ны 2-а ме то да δ-пр а ви ло и спо со б о б р а тно го р а спр о стр а не ни я о ш и б ки . Бе з у ч и те ля. П р и пр е дъявле ни и вхо дных ве кто р о в НС са мо о р га ни зу е тся пу те м на стр о йки сво и х ве со в по за да нно му а лго р и тму та к, ч то пр е дъявле ни я до ста то ч но б ли зки х вхо дных ве кто р о в да ё т о ди на ко вые выхо ды , т.е . НС гр у ппи р у е т схо дные вхо дные ве кто р ы в кла ссы. П о сле о б у ч е ни я все выхо дные не йр о ны во зб у жда ются, а не йр о н с ма кси ма льным во зб у жде ни е м а ссо ци и р у е т с да нным кла ссо м и , хо тя це ле вых ве кто р о в не тНС б у де т о то б р а жа ть су щ е стве нные ха р а кте р и сти ки о б у ч а ющ е го на б о р а . Для пр о гр а ммно й р е а ли за ци и и спо льзу ют два кла сса а лго р и тмо в. Де те р ми ни сти ч е ски е : НС по ш а го во ко р р е кти р у е т ве са о пр е де ляе мые выхо до м и а лго р и тмо м. С то ха сти ч е ски е не и зме няе т ве са псе вдо слу ч а йно , со хр а няя те , ко то р ые ве ду тк у ме ньш е ни ю о ш и б ки . До сто и нства : сни ма е тся пр о б ле ма гло б а льно го ми ни му ма и во змо жно е о тсу тстви е схо ди мо сти се ти пр и ма лых ш а га х и зме не ни я ве со в. Не до ста то к: по ср а вне ни и с де те р ми ни сти ч е ски м а лго р и тмо м – дли те льно сть пр о це сса о б у ч е ни я. Пр и м е р алгор и тм а обуче ни я м е тодом δ- пр ави ла С на ч а ла : Выб и р а е м у р о ве нь до пу сти мо сти о ш и б ки ε0.Для дво и ч ных выхо до в мо жно выб р а ть ε0=0. С о ста ви м та б ли цу о б у ч а ющ и х па р X − Y 1. За да е м слу ч а йну ю ма тр и цу ве со в не б о льш и х зна ч е ни й (-0,3… +0,3) вхо дно й це ле во й 2. П р е дъявляе м люб о й вхо д (ве кто р вхо да ) и выч и сляе м ве кто р о тве та НС YjНС 3. Выч и сли м ве кто р о ш и б о к δj=Yj-YjНС 4. Изме няе м ве са Wij=Wij+ηεjXi η-ко эф. С ко р о сти о б у ч е ни я ле жи т в ди а па зо не 0<η<=1 5. Выч и сляе м су мма р ну ю о ш и б ку m

e = ∑d

m –ко ли ч е ство выхо до в НС

j

6. 7.

е сли ε>ε0 и де м на ш а г2 и на ч е за ве р ш а е м о б у ч е ни е . Т е сти р у е м НС вхо до м не вхо дящ и м во мно же ство ве кто р о в о б у ч е ни я.

8.7 Пр и м е р ы те сти р овани я пр осты х Н С Удо б но пр о во ди ть с по мо щ ью ге о ме тр и ч е ски х пр е дста вле ни й. Вхо дно й ве кто р X это гр у ппа (о б ла сть) то ч е к в мно го ме р но м пр о стр а нстве . Ра спо зна ва ни е (кла сси фи ка ци я) это о б ъе ди не ни е то ч е к и ли о б ла сте й о б р а зо в по кла сси фи ка ци о нным пр и зна ка м Yj . На пр и ме р пр о ве де ни е о дно й и ли не ско льки х пр ямых (ли не йна я НС ) для дву ме р но го о б р а за (вхо дно го ве кто р а ) и ли пло ско сте й (по ве р хно сте й) для тр ё хме р но го о б р а за и ли пло ско сте й, кр и во ли не йных по ве р хно сте й для n>3 ме р но го о б р а за .

-

Ра спо зна ва ни е ло ги ч е ски х фу нкци й

X2

И

01(1)

b И

c Че т- не ч е т

ч и сло

Х

0

0

0

0

0

1

1

0

1

1

0

0

2

1

0

1

0

1

3

1

1

1

1

0

1

Х

а ИЛ И

2

11(3)

Че т-не ч ё т

b 00(0)

X1 ИЛИ

a 10(2)

Э ти за да ч и по д си лу о дно сло йно му пе р се птр о ну

a –пр яма я р а згр а ни ч е ни я фу нкци и ИЛИ b – пр яма я р а згр а ни ч е ни я фу нкци и И c –пр яма я р а згр а ни ч е ни я фу нкци и « ч ё т-не ч ё т» Одно сло йный пе р се птр о н с дву мя дво яки ми вхо да ми спо со б е н р а зли ч а ть 14 и з 16 ло ги ч е ски х су жде ни й кр о ме фу нкци й «и сключ и те льно е ИЛИ» и «и сключ и те льно й ИЛИНЕ » Ра ссмо тр и м е щ ё не ко то р ые фу нкци и .

X2 X1 X2

W1 W2

net

V

Y

1 *b

d*

0 *a

c*

Ри с. 8.10 (а , б )

X1

Х

1

Х

2

то ч ки

0

0

a

0

1

b

1

0

c

1

1

d

net = X1W1+X2W2; 1, net ≥ V Y = 0, net < V Во зьме м V=0,5. Все то ч ки о тве ч а ющ и е у сло ви ю V=0,5 ле жа т на пр ямо й X1W1+X2W2=0,5. Выб и р а я W1 и W2 по лу ч и м пр ямые р а згр а ни ч и ва ющ и е на пло ско сти пр и зна ко в X за да нные ло ги ч е ски е фу нкци и Yj , р и су нки

X2 =

V W 0,5 W − X1 1 = − X1 1 W2 W2 W2 W2 Для W1= +1 , W2= -1; X2= -0,5 + X1;

1.

X2 Y=0

1 Y=1

X1

0

1 Ри с 8.11(а )

Для W1= -1 , W2= 1; X2= 0,5 + X1;

2.

X2 Y=1

1 Y=0

0

Ри с 8.11(б )

1

X1

Для W1= -1 , W2= -1; X2= -0,5 - X1;

3.

X2 1

0 Y=1

1 Y=0

Ри с 8.11(в)

X1

4.

Для W1= 1 , W2= 1; X2= 0,5 - X1;

X2 1 Y=1

0

Y=0

Ри с 8.11(г)

5.

1 X1

Во зьме м V=1,5 W1= 1 , W2= 1; X2=1,5 - X1;

X2 1 Y=0

Y=1

X1 1 Ри с 8.11(д)

Пр обле м а XOR Т о ч ки (ч и сла ) 1 и 2 на до о тде ли ть о т то ч е к 0 и 3. Одно й пр ямо й это сде ла ть не во змо жно . Но дву мя пр ямыми мо жно . С ле до ва те льно , не о б хо ди мо дву х – сло е на я не йр о нна я се ть, р и с.8.12.

X0=0 1.5 0.5

-0.5 Y11 net 11

X1 X2

-1 -1

X0=1

1

+1

2

-1

Y2

-1

net 2

Y12 -1

net 12 1–й сло й

2 –й сло й Ри с 8.12

1, net ≥ 0 f (net ) =  0, net < 0 М а тр и ца 1-го сло я

1,5 0,5 W1 = − 1 − 1 − 1 − 1 М а тр и ца 2-го сло я

 − 0,5 W2 =  1   − 1 

Т ести р о в а н и е

Вхо дно й ве кто р 1 1 1 1

11 10 01 00

Ко мб и ни р о ва нный вхо д 1-го сло я net11 net12 [-0,5 -1,5] [0,5 -0,5] [-0,5 -0,5] [1,5 0,5]

Выхо д 1го сло я Y11 Y12 [0 1] [1 0] [1 0] [1 1]

Ко мб и ни р о ва нны й вхо д 2-го net 2

Выхо д сло я Y2

2-го

-0,5 0,5 0,5 -0,5

0 1 1 0 Ф у нкци я XOR

За да ч а . П о ка за ть ч то мно же ство ч и се л {0,1,2,3,4,5,6,7} пе р се птр о н мо же т о тде ли ть ч е тные ч и сла о тне ч е тных М а тр и ца V=0

W01 W  11 W21  W31

W02  W12  W22   W32 

1, ∑ X iWij ≥ 0 Y j = ∑ X iWij =  0, ∑ X iWij < 0 i

1

X3

1 Y1(ч ё т)

X0=1

101[5]

001(1) 011(3)

X1 2 X2

Y2(не ч ё т) 000

X3

Х

Ри с 8.13 (а , б )

X1 2

010[2]

110[6]

[ ] –ч ё т

( ) - не ч ё т

Из ге о ме тр и ч е ско го пр е дста вле ни я ви ди м, ч то ч ё тные ч и сла о тде ляются о тне ч ё тных о дно й пло ско стью.

Л и те р атур а 1. Т е о М а нде л, Ра зр а б о тка по льзо ва те льско го и нте р фе йса : пе р .с а нгл. –М :ДМ К П РЕ С С , 2001, 416 с 2. Бр у кш и р , Дж., Гле йн. Вве де ни е в ко мьпьюте р ные на у ки . Об щ и й о б зо р . 6-е и зд: пе р . с а нгл. – М .: «Ви льямс», 2001.-688с 3. Гу ста в Олсо н, Джа нгу ндо П и а ни . Ц и фр о вые си сте мы а вто ма ти за ци и и у пр а вле ни я . С П б : «Не вски й Ди а ле кт»,2001.-557 с 4. Ка ла ха н, Ро б е р т. Осно вные ко нце пци и не йр о нных се те й: пе р с а нгл. –М .: « Ви льямс»2001 –288 с 5. Т а ве р нье К. С хе мы си нте за то р о в р е ч и : пе р с фр . –М .: ДМ К П РЕ С С . 2001 –176 с 6. Гу льтяе в А .К. М и ш и н В.А .: П р о е кти р о ва ни е и ди за йн по льзо ва те льско го и нте р фе йса . –С П б : Ко р о на , 2000. –352 с 7. П е ско ва С .А . Гу р о в А .Н., Ку зи н А .В. Ц е нтр а льные и пе р е фе р и йные у стр о йства эле ктр о нных выч и сли те льных ср е дств/ по д р е д. О.П . Глу дки на , -М .: Ра ди о и связь, 2000. – 496 с

С оде р жани е 1. Инте лле кту а льные и нте р фе йсы 1.1 Об щ е е о пи са ни е 1.2 Э ле ме нты со пр яже ни я П К с вне ш ни ми о б ъе кта ми 1.3 За ме ч а ни е о б и нфо р ма ци о нно м взр ыве 1.4 Во змо жно сти и фу нкци и ч е ло ве ка и ма ш и ны в си сте ме ч е ло ве к –ма ш и на 1.5 Вза и мо де йстви е ч е ло ве ка с ко мпьюте р о м 2. М а те ма ти ч е ско е мо де ли р о ва ни е пе р е р а б о тки и нфо р ма ци и ч е ло ве ко мо пе р а то р о м. Инфо р ма ци о нные пр о це ссы в де яте льно сти ч е ло ве ка . 2.1 Инфо р ма ци о нна я мо де ль во спр и яти я ч е ло ве ко м по ка за ни й о дно го пр и б о р а 2.2 Инфо р ма ци о нна я мо де ль на б люде ни я ч е ло ве ко м по ка за ни й не ско льки х пр и б о р о в 3. М о де ль па мяти ч е ло ве ка ка к и нфо р ма ци о нно й си сте мы Х а р а кте р и сти ки па мяти 3.1 Об щ е е о пи са ни е 3.2 С тр у кту р а па мяти 3.3 С е нсо р на я не по ср е дстве нна я па мять 3.4 Кр а тко вр е ме нна я о пе р а ти вна я па мять 3.5 М а те ма ти ч е ска я мо де ль па мяти 3.6 П е р е р а б о тка и нфо р ма ци и и ко ни ч е ско й (зр и те льно й) па мятью 4. Об щ и е ха р а кте р и сти ки во спр и ни ма ющ и х и нфо р ма ци ю се нсо р ных а на ли за то р о в о р га но в ч у вств ч е ло ве ка 4.1 Осно вные по няти я 4.2 Кла сси фи ка ци я и па р а ме тр ы 4.3 Осно вные па р а ме тр ы а на ли за то р о в 4.4 Об на р у же ни е и и нте р пр е та ци я се нсо р ных си гна ло в 4.5 За ко н Ве б е р а – Ф е хне р а 4.6 Ко ли ч е ство во спр о и зво ди мых гр а да ци й о щ у щ е ни й 5. Во спр и яти е зву ка 5.1 П о р о ги слыш и мо сти 5.2 Гр о мко сть зву ка 5.2.1 Кр и вые р а вно й гр о мко сти 5.2.2 Ди ффе р е нци а льна я ч у встви те льно сть к и зме не ни ю гр о мко сти 5.2.3 Кр и ти ч е ски е по ло ски зву ка 5.2.4 Ур о вни гр о мко сти сло жных си гна ло в 5.2.5 Не ли не йные сво йства слу ха 5.2.6 Э ффе ктма ски р о вки 5.3 Во спр и яти е высо ты зву ка 5.3.1 Об щ и е све де ни я 5.3.2 Ди ффе р е нци а льна я ч у встви те льно сть к и зме не ни ю высо ты то на 5.3.3 Ш ка лы о щ у щ е ни я высо ты то на 5.3.4 Во спр и яти е те мб р а зву ка 5.3.5 С вязь ме жду фи зи ч е ски ми сво йства ми зву ка и слу хо выми о щ у щ е ни ями 5.4 Ине р ци я слу ха . Вр е ме нные ха р а кте р и сти ки 6. Х а р а кте р и сти ки р е ч и 6.1 Ур о вне гр а мма 6.2 С пе ктр си гна ла р е ч и 6.3 Ре ч е вые зву ки 6.4 Ра зб о р ч и во сть р е ч и 6.5 А на ли з и си нте з р е ч и

7. Устр о йства вво да -выво да р е ч е во й и нфо р ма ци и 7.1 М о де ль р е ч и 7.2 С тр у кту р на я схе ма а на ли за то р а р е ч и 7.3 С тр у кту р а у стр о йства вво да р е ч и 7.4 Устр о йства вво да р е ч е во й и нфо р ма ци и . С и нте за то р ы 8. Не йр о нные се ти 8.1 Вве де ни е 8.2 Би о ло ги ч е ски й не йтр о н и е го фо р ма льно е мо де ли р о ва ни е 8.3 Выч и сле ни е си гна ла а кти вно сти 8.4 Одно сло йный пе р се птр о н 8.5 Об щ и е пр и нци пы и о сно вные ко мпо не нты не йр о нных се те й 8.6 Об у ч е ни е не йр о нно й се ти 8.7 П р и ме р ы те сти р о ва ни я пр о стых не йр о нных се те й Ли те р а ту р а

С о ста ви те ль: Бу дко Вла ди сла в Ни ко ла е ви ч

Ре да кто р :