Проекты кафедры аудиовизуальных систем и технологий

«Метод контроля состояния цифровых носителей информации»

Проект рассматривает вопросы сохранности архивных записей. Представлены критерии оценки качества и состояния цифровых носителей и корректирующие возможностей помехоустойчивых кодов. Описан метод контроля состояния цифровых носителей, учитывающий особенности появления повреждений на носителях в процессе их хранения. Спроектировано устройство диагностики компакт-дисков, реализующее разработанный метод, даны рекомендации по его использованию

 

Комплекс программ «Анимационная модель вращательного броуновского движения»

В научном проекте кафедры аудиовизуальных систем и технологий СПбГИКиТ, посвященном фундаментальным исследованиям в термодинамике и молекулярно-кинетической теории рассматриваются методологические аспекты реализации модели научного исследования в системе технического образования. Основой создания теории физического явления является феноменологический подход, создающий общую картину явления и устанавливающий основные фундаментальные соотношения без подробной детализации модельных представлений, на основе использования фундаментальных научных законов и надежно установленных экспериментальных данных. 

Комплекс программ «Анимационная модель вращательного броуновского движения» завершает цикл научных исследований кафедры аудиовизуальных систем и технологий в области современной методологии стохастического моделирования реальных процессов и систем.

В ходе научных исследований вращательной броуновской динамики:

  • проведены исследования в теории чисел, приведены компьютерные иллюстрации гипотетического нормального свойства фундаментальных констант в десятичной и двоичной системе счисления;
  • разработан табличный генератор псевдослучайных чисел с равномерным распределением (π-генератор), проведен статистический тест программы. Получен явный вид плотности распределения χ2-критерия и графическая интерпретация статистического критерия в системе компьютерной алгебры Maple;
  • разработана компьютерная модель случайных блужданий в поступательном броуновском движении, а также анимационная модель исторического опыта Капплера во вращательной броуновской динамике в рамках вероятностно-статистического подхода с  использованием π-генератора псевдослучайных чисел, классической плотности вероятности осциллятора и функций системы символьной математики.

Для разработки анимационной модели определены критерии выбора компьютерной среды, языка программирования и библиотек:

  • возможность реализации модели на выбранном уровне детализации;
  • простота освоения доступных команд библиотек языка и компиляции полученного кода;
  • материальная доступность, наличие бесплатной лицензии на программное обеспечение;
  • опыт работы исследователя в выбранной среде, уровень знакомства с синтаксисом языка, парадигмами программирования и доступными библиотеками;
  • способность работы языка на платформах Windows и Linux (кроссплатформенность).

Высокий уровень языка Python  помогает быстро осваивать его особенности и не заботиться о множественных сложностях языков низкого уровня. Широкое распространение языка предоставляет возможность выбирать инструменты построения графики и анимации из множества доступных библиотек. Библиотека PyPI (The Python Package Index) содержит более сотни тысяч различных проектов. Широкое сообщество пользователей позволяет получить поддержку при возможном возникновении проблем. Свободная лицензия Python Software Foundation License позволяет использовать язык без каких-либо ограничений. Кроссплатформенность позволяет разрабатывать приложения в операционной системе Linux с рабочего ноутбука, при необходимости имея возможность перейти на другую известную платформу.

  Скриншоты программы анимационного моделирования вращательного броуновского движения

 

Для визуализации опыта используется набор инструментов для графики и анимации. Стандартом для платформонезависимой прорисовки графики является OpenGL – спецификация двух- и трёхмерной графики. OpenGL также не зависит от языка программирования и имеет привязки к множеству из них, в том числе к Python. Одной из python-библиотек, работающих с OpenGL, является Pyglet. Pyglet позволяет рисовать OpenGL примитивы, работать с окном, управлять временем для создания анимации, загружать мультимедиа-объекты.

Разработанная компьютерная программа используется для исследования дифференциальных уравнений динамической модели вращательного броуновского движения, в которой рассматриваются малые колебания в окрестности положения равновесия крутильного маятника.

Перспективы практического использования программы «Анимационная модель вращательного броуновского движения», правообладателем которой является СПбГИКиТ, связаны с актуальными проблемами проектирования интеллектуальных систем математического моделирования реальных процессов и систем, а также с методикой их изучения. Полученные результаты применимы в новых методических разработках в области моделирования и формализации, специальность 05.13.18- Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ, а также в образовательных программах направлений подготовки 11.03.01- Радиотехника, 44.03.01- Педагогическое образование, модуль- Информатика, информационные технологии и вычислительная физика, 09.03.02- Информационные системы и технологии.

 

 

Проекты кафедры прошлых лет:

«Разработка методов реставрации фонограмм на основе авторегрессионной модели»

Проведены исследования эффективности удаления щелчков и шума из фонограммы методом авторегрессивного моделирования звуковых сигналов. Разработан алгоритм реставрации фонограммы, осуществляющий процедуры обнаружения поврежденного участка и восстановления сигнала на этом участке. Получены программы в среде Матлаб, позволяющие устранить щелчки и фоновый шум из фонограммы

 

«Исследование троичных цифровых устройств обработки сигналов»

Научно-исследовательская работа посвящена исследованию цифровых устройств, использующих троичную алгебру логики. Практическим итогом работы является синтез, реализация и функциональное моделирование в среде Simulink различных троичных устройств, осуществляющих обработку

аудиовизуальных сигналов с учётом сниженной потребляемой мощности и

высокого быстродействия

 

«Разработка метода автоматического выделения монтажных планов на основе анализа гистограмм видеоряда»

Выполнен обзор существующих в настоящее время методов обнаружения монтажных стыков. Изучен инструментарий, необходимый для разработки программного обеспечения. Исследованы признаки видеоряда кинофильмов, по которым производится автоматическое обнаружение монтажных стыков. Разработаны алгоритмы выделения монтажных планов, дана оценка их эффективности

 

«Разработка формантного фильтра для электромузыкальных инструментов»

В работе проведены исследования современных музыкальных стилей, направлений и применение в них частотной обработки музыкального звукового сигнала. Разработаны метод формантной фильтрации и теоретическая модель формантного фильтра электрогитары на основе речевого аппарата человека. Проведены лабораторные испытания эффективности модели формантного фильтра электрогитары с привлечением  фокус-группы. Разработан формантный фильтр электрогитары

 

«Исследование цифрового частотного детектора на основе преобразователя Гильберта»

В проекте рассматривались вопросы исследования методов минимизации нелинейных искажений в схемах детектирования ЧМ-сигналов посредством перевода данных схем на цифровую реализацию. Рассматривалась история развития ЧМ-систем, приводится обзор существующих принципов построения ЧМ-детекторов. Описан метод реализации детектора радиосигналов с частотной модуляцией, реализованный на основе преобразования Гильберта. Представлены рекомендации к реализации аппаратной части цифрового частотного детектора

 

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ
В АКУСТИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Актуальность исследования заключается в изучении современных компьютерных технологий вычислений в задачах математического моделирования нелинейных динамических систем с дискретной трансляционной симметрией в контексте решения фундаментальной проблемы Ферми-Паста-Улама (ФПУ) о применимости законов термодинамики и статистической физики к системам ФПУ. Рассматриваются методические аспекты изучения фундаментальных научных проблем и достижений современных компьютерных технологий.

Новизна
Впервые в практике медиаобразования показана возможность изучения классических парадоксов вычислительной физики и физики твердого тела в современном компьютерном эксперименте. Дана статистическая интерпретация закона равномерного распределения энергии по степеням свободы в результатах численного моделирования цепочки нелинейных связанных осцилляторов Ферми-Паста-Улама. Апробирована методика расчета энергии длинных наноразмерных акустических цепочек. Приведены результаты вычислительного эксперимента со статистической обработкой данных:

  • исследован механизм волнового процесса в акустической цепочке с определением скорости распространения уединенной волны методами регрессионного анализа;
  • проведен спектральный анализ нелинейных колебаний в многомерном фазовом пространстве с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье (FFT). Оптимизация методов программирования с использованием численных методов, функций символьных преобразований в системах компьютерной математики обеспечивает минимальный размер файла программы компьютерного эксперимента, текст которой, может состоять, практически, из нескольких строк, написанных на удобном алгоритмическом языке.

    imageimage

  • В частных случаях доказан закон равномерного распределения энергии по степеням свободы в термодинамическом равновесии для длинных наноразмерных акустических цепочек, приведены иллюстрации в интерактивной компьютерной графике;

    imageimageimage

  • Разработана методика компьютерного эксперимента в теории алгоритмов. Обнаружены пороговый эффект во временной сложности алгоритмов, а также влияние технологии программирования на класс алгоритмической задачи. Для алгоритма ФПУ построена, практически с единичной достоверностью, линия тренда полиномом четвертой степени в широком диапазоне размера акустических цепочек.
     

Теоретическая и практическая значимость
В научном проекте развита теория математического и компьютерного моделирования в физической акустике и акустике твердого тела при изучении физических свойств нелинейных динамических систем с трансляционной симметрией в контексте решения фундаментальной проблемы Ферми-Паста-Улама.
В работе использовалось современное программное и математическое обеспечение, интерактивная графика системы компьютерной математики Maple 17 и Excel. Разработаны алгоритмы и комплексы программ математического моделирования нелинейных динамических систем с дискретной симметрией на примере длинных наноразмерных акустических цепочек Ферми-Паста-Улама.
Участник проекта, студентка СПбГИКиТ А.С.Корчагина стала победителем III Международного конкурса научно-методических и выпускных квалификационных работ «ГНОЗИС» 2016 года (н.рук. проф. А.И.Ходанович). В конкурсе, проводимом Международным исследовательским центром «Научное сотрудничество», приняли участие 150 участников из Республики Армения, Республики Беларусь, Республики Казахстан и Российской Федерации, представивших для конкурсного рассмотрения курсовые работы, дипломные, бакалаврские и магистерские проекты, выполненные в 2015/2016 учебном году на базе высших и средних учебных заведений. Отмечается теоретическая и практическая значимость работы для научных направлений 05.13.18- Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ, 01.04.06- Акустика (технические науки, физико-математические науки) и направления подготовки бакалавров 11.03.01- Радиотехника.

image
 

 
СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СТОХАСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ЗАДАЧАХ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

 

Цель и задачи исследования - состоит в разработке методов стохастического моделирования динамических систем с дискретной симметрией и изучение физических свойств системы связанных осцилляторов Ферми-Паста-Улама (ФПУ). Разработка и изучение компьютерных моделей случайных блужданий со случайным шагом, а также экспериментов по вращательной броуновской динамике. Провести анализ научно-методической литературы по теме исследования и на этом основании определить методологию научного исследования в разработке программного обеспечения компьютерных экспериментов с фундаментальными стохастическими моделями технической физики; провести апробацию результатов выпускной квалификационной работы.

Актуальность исследования заключается в изучении современных компьютерных технологий вычислений в задачах стохастического моделирования при изучении фундаментальных проблем технической физики: применимость законов термодинамики и статистической физики к системам ФПУ в термодинамическом пределе, обобщение закона случайных блужданий в случайной среде, а также компьютерное моделирование экспериментов по вращательной броуновской динамике. Рассматриваются методические аспекты изучения фундаментальных научных проблем и достижений современных информационных технологий.


Новизна
Впервые в практике выпускных квалификационных работ показана возможность изучения фундаментальных задач технической физики в современном компьютерном эксперименте. Дана статистическая интерпретация закона равномерного распределения энергии по степеням свободы в результатах численного моделирования цепочки нелинейных связанных осцилляторов Ферми-Паста-Улама со случайными массами. Апробирована методика расчета энергии длинных неоднородных наноразмерных акустических цепочек. Приведены результаты вычислительного эксперимента со статистической обработкой данных:

  • в частных случаях доказан закон равномерного распределения энергии по степеням свободы в термодинамическом равновесии для неоднородных длинных наноразмерных акустических цепочек, приведены иллюстрации в интерактивной компьютерной графике. Показано влияние неоднородностей на соотношение средних потенциальной и кинетической энергий. В случае термодинамического равновесия в термодинамическом пределе возможна оценка молярных теплоемкостей системы ФПУ в определенном диапазоне температур;
  • разработана методика компьютерного эксперимента в броуновской динамике. Получен закон диффузии в модели одномерных случайных блужданий со случайным шагом, а также разработан алгоритм генерации случайных чисел в случае броуновской вращательной динамики.

Теоретическая и практическая значимость
В выпускной квалификационной работе развита теория математического и компьютерного моделирования при изучении фундаментальных динамических моделей в технической физике. 
В работе использовалось современное программное и математическое обеспечение, интерактивная графика системы компьютерной математики Maple 17 и Excel. Разработаны алгоритмы и комплексы программ математического моделирования дискретных динамических систем на примере длинных неоднородных наноразмерных акустических цепочек Ферми-Паста-Улама, случайных блужданий в случайной среде, а также экспериментов по вращательной броуновской динамике.
Разработанный программный продукт целесообразно и возможно использовать в научной работе, при изучении технической и прикладной физики для иллюстраций и демонстрационных примеров в общем курсе физики, а также при изучении дисциплин «Математические методы описания сигналов», «Прикладные математические методы в радиотехнике», «Гармонический анализ» для направления подготовки бакалавров 11.03.01 – Радиотехника, «Информационные технологии», «Технологии программирования» для направления подготовки бакалавров 09.03.02- Информационные системы и технологии.
Результаты научного исследования апробированы на международной и межвузовской научно-практических конференциях, материалы научных статей представлены в печати. В перспективе развития тематики возможно получение новых результатов в научных исследованиях методологии технической физики и информационных технологий моделирования реальных процессов и систем.

 

imageimage

 

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ С МАЯТНИКОМ ФУКО

Опыт Фуко – это достижение астрономии и натурфилософии Коперника и Кеплера, Галилея и Ньютона, Кориолиса и самого Фуко; в теоретической физике устанавливает границы применимости законов классической механики в инерциальных системах отсчета, в компьютерном эксперименте- численное моделирование динамических траекторий в неинерциальной системе отсчета.

Совместными усилиями преподавателей и студентом в нашем Институте был создан маятник Фуко, один из самых крупных в Европе (длина нити 27 м, масса 60 кг), позволяющий проводить прецизионные измерения при изучении фундаментальных законов физики.

imageimage


Оригинальность научного проекта кафедры, посвященного прецизионным измерениям с помощью маятника Фуко, в компьютерном моделировании траектории свободных колебаний, инженерных решениях и экспериментальной реализации опыта на значительно меньшей площадке, чем в музее Тартуского университета (Эстония).

В измерениях ускорения свободного падения с помощью маятника Фуко участвовали студенты гр. 732 Дмитрий Баталов и Екатерина Бурундукова. Для автоматизации измерений ребята использовали видеофиксацию с частотой 240 к/сек, что позволило измерить ускорение свободного падения с высокой точностью (рук. к.п.н., доцент Б. М. Штейн).

imageimage


По данным социальных сетей всего в мире моделей маятников Фуко несколько десятков, в том числе в США, Франции, Румынии, Австралии, Кувейте и других странах. В основном они устанавливаются только в университетах, научных музеях и планетариях. В штаб-квартире ООН в Нью-Йорке тоже висит маятник Фуко, а самый большой из всех маятников Фуко находится в Конференц-центре Орегон в Портленде, США (27 метров нить и масса 408 кг). Маятник Фуко в СПбГИКиТ один из самых крупных маятников в Европе, позволяющий проводить учебный физический эксперимент с более точными измерениями траектории и ускорения свободного падения, вспоминая историческую фразу Галилея: «И все-таки она вертится!».

 

 

Кафедра принимала участие в проекте по лизенцированию направления подготовки бакалавров 072500.62 Дизайн – профиль подготовки «Промышленный дизайн».
       Этот проект представлялся интересным для кафедры и для факультета, поскольку в указанном профиле подготовки изучаются технические и творческие дисциплины, вызывающие интерес у абитуриентов и студентов.
      Для кинематографа это направление подготовки необходимо с точки зрения возможности компьютерной реализации пространственных декораций и других элементов съемочной площадки.
      В области научных исследований кафедра работала над проектом прибора комплексной диагностики кинотеатров по техническому состоянию аппаратуры методами вибрационного, шумового и тепловизионного контроля.

В 2017 году у кафедры был проект по аккредитации направления подготовки 09.03.02 "Информационные технологии".

Яндекс.Метрика