Введение (Учебник в электронном виде), страница 4
Описание файла
Файл "Введение" внутри архива находится в папке "Учебник". Документ из архива "Учебник в электронном виде", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Введение"
Текст 4 страницы из документа "Введение"
Первые исторические сведения об исследованиях в области звука относятся к Пифагору, который еще в VI веке до н.э. исследовал отношения музыкальных интервалов к длине колеблющейся струны. Именно его считают родоначальником науки о звуке - акустике. Аристотель в IV веке до н.э. обнаружил, что распространение звука сопровождается сжатием и растяжением среды, а эхо является результатом отражения. После средневекового научного застоя лишь в XVII веке Г. Галилей и М. Мерсенн установили связь высоты тона с частотой колебаний звучащих тел, и М. Мерсенн вычислил скорость распространения звука в воздухе. По его оценкам она составила 414 м/с. В XVIII веке Л. Эйлер определил пределы частот слышимых звуков. Согласно его исследованиям диапазон воспринимаемых частот составил 20 ... 4000 колебаний в секунду. Позже эти значения неоднократно уточнялись. В XIX веке В. Вебер обнаружил стоячие волны, было открыто явление интерференции. Сейчас акустика представляет собой весьма обширную область, имеющую большое прикладное значение.
К настоящему моменту установлено, что слуховой аппарат млекопитающих (и человека) состоит из трех основных частей: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо представляет собой резонатор; у человека он имеет собственную резонансную частоту 3 кГц, Среднее ухо содержит систему мелких косточек - молоточек, наковаленку и стремечко, отделенную от наружного барабанной перепонкой. Абсолютная чувствительность уха весьма велика, человек, например, способен слышать удары молекул воздуха о барабанную перепонку. Диапазон амплитуд барабанной перепонки составляет 10-9 … 2 10-5 см. Внутреннее ухо - улитка, представляет собой спирально закрученный костный канал (у человека он имеет 2,5 витка, у других видов до 5). В улитке находится основной орган слуха - базилярная мембрана с расположенными на ней волосковыми рецепторами. Для объяснения эффекта слуха используется теория «бегущей волны» Дж. Бекеши, в соответствии с которой при восприятии звука на базилярной мембране возникает волна, движущаяся от основания улитки к ее вершине. Амплитуда бегущей волны зависит от жесткости мембраны в конкретной точке. Таким образом, базилярная мембрана представляет собой фильтр: высокочастотные колебания пробегают малое расстояние - лишь в области, где жесткость мембраны высока, низкочастотные волны проходят всю мембрану, вплоть до ее вершины.
Порог слышимости (минимальный уровень звукового давления) зависит от частоты звука. Человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне частот 2000 … 5000 Гц. Громкость звука (уровень звукового давления) является амплитудной характеристикой. Звуки равной громкости слышатся по-разному, в зависимости от их частоты. Для учета этого факта, в физиологии используются кривые равной слышимости, приведенные к частоте 1 кГц. Громкость звука на этой частоте получила название фона. На этой частоте 1 фон равен 1 децибелу (дБ). Средний порог слышимости составляет 4 фона, а предельное значение громкости достигает величины 130 фон. При этом значении возникает звуковая травма. В частотной области пределы слышимости человека соответствуют диапазону 20 … 16000 Гц. Частоты и громкости звука, характерные для речи, образуют речевую зону. По частоте это, в среднем, 300 … 3500 Гц. Порог различения частот весьма субъективен, и также зависит от частоты сигнала. В оптимальной области 100 Гц он составляет 0,3% или 3 Гц. Заметим, что для музыкальных звуков частоты определяются принципами построения звукоряда. Так, для темперированной октавы, состоящей из 12 ступеней, каждая частота отличается от предыдущей в , или в 1,06 раза. Это различие вдвое выше указанного порога различения частот.
Слуховая ориентация в пространстве определяется бинауральным эффектом. Он основан на том, что расстояния от каждого уха до источника звука различны, и, следовательно, различны уровни звуковых давлений в соответствующей барабанной перепонке. Слуховая система способна воспринять эту разницу уже на уровне 1 дБ. Вычисленная временная задержка составит всего 3 10-5 с, что соответствует смещению источника относительно центральной линии на 30. При определенном навыке точность ориентации можно удвоить.
В.3.3. Механизмы зрения
Визуальные анализаторные системы человека - это сложные многоуровневые образования, служащие для анализа оптических сигналов. То, что воспринимается зрением, есть результат взаимодействия сенсорных и двигательных механизмов глаза и центральной нервной системы, поскольку как произвольные, так и непроизвольные движения глаз и головы заставляют изображение смещаться каждые 200 ... 600 мс. Мозг создает целостную картину из последовательности дискретных изображений. Движения, изменяющие направления взгляда, устанавливают глаз в такое положение, при котором изображение попадает в ту точку сетчатки, где острота зрения максимальна. Крупный объект сканируется глазом за счет резких скачков - саккад, амплитудой от нескольких угловых минут до 90о, и скоростью до 500о/с. Применительно к мелким объектам характерны микросаккады, частотой 20 ... 150 Гц и амплитудой в несколько угловых минут. В то же время, при сканировании быстродвижущихся объектов (со скоростью более 80о/с) глаз отстает, и изображение «размывается», т.е. не попадает в область максимальной остроты зрения. (В этом случае, в дело вступает движение головы, что характерно, например, для зрителей на автогонках).
Зрительная система организована по явно выраженному иерархическому принципу. Ее основными уровнями являются: фоторецепторы сетчатки глаза, зрительный нерв, область пересечения зрительных нервов (хиазма), зрительный канатик (место выхода зрительного пути из области хиазмы), а также нервные пути к зрительной коре головного мозга.
Сетчатка глаза представляет собой очень сложный орган. Ее рецепторный слой содержит два типа рецепторов: 6 106 колбочек (образующих аппарат дневного, фотопического зрения) и 120 106 палочек (относящихся к аппарату сумеречного, скотопического зрения). Количество колбочек и палочек неравномерно распределено в различных областях сетчатки; колбочек значительно больше в ее центральной части - центральной ямке и желтом пятне - зоне максимально ясного зрения. Здесь палочки отсутствуют, они распределены вокруг ямки. Желтое пятно несколько сдвинуто в сторону от места выхода зрительного нерва - эта зона, где рецепторов нет, называется слепым пятном. Геометрические особенности распределения цветового зрения по элементам сетчатки были впервые опубликованы в 1894 г. в работе А. Кенига. Он установил, что различение цвета зависит от углового размера объекта. Так, при угле большем 10’ объект представляется полноцветным, при угле (4,5 … 10)’ - двухцветным (оранжево-голубым), а при угле еще меньшем - ахроматическим (черно-белым).
Ч еловек относится к числу так называемых «фронтальных» млекопитающих, у которых зрительные поля (области, воспринимаемые каждой сетчаткой отдельно) перекрываются. Это позволяет человеку выполнять точные манипуляции руками под контролем зрения, а также обеспечить точность и глубину видения (стереоскопическое или бинокулярное зрение). Бинокулярное зрение характеризует возможность совмещения образа объекта, возникающего в одной сетчатке, с образом объекта, возникающего в другой. Зона перекрытия зрительных полей обоих глаз составляет 120о, в то время как зона монокулярного видения составляет 30о для каждого глаза (именно такой угол зрения имеет глаз, относительно его центральной точки). Визуальная информация передается в головной мозг по зрительному нерву, состоящему из 1 106 аксонов. Зрительные волокна, идущие от носовых половин сетчаток пересекаются в хиазме и переходят на противоположную часть зрительной коры, волокна же височных областей не пересекаются. Следовательно, участки сетчатки, расположенные к носу от средней линии (нозальные отделы), участвуют в механизмах бинокулярного зрения, а участки, расположенные в височных отделах (темпоральные отделы) - монокулярного
Одно время считалось, что механизмы стереоскопии обусловлены исключительно параллаксом, т.е. разностью углов зрения левого и правого глаза. Однако, хотя действительно расстояние одним глазом оценивается менее точно, чем двумя, утрата этой способности не так существенна, как в случае пространственного слуха. В настоящее время полагают, что восприятие глубины пространства зависит также от ряда дополнительных факторов, в том числе зрительного опыта. Изображение объекта проецируется на сетчатку справа от центральной ямки в левом глазу и слева от нее в правом. Это позволяет при бинокулярном зрении создать неперекрещивающиеся двойные изображения. Их наложение осуществляется в так называемом циклопическом глазе, воображаемом органе, в который проецируются сетчатки правого и левого глаза (рис. В.7). Установлено, что изображение не будет двоиться, если объект находится в области гороптера.- криволинейной поверхности, на которой лежат узловые точки обоих глаз и точка фиксации. Бинокулярное зрение у людей не является врожденным и формируется в результате опыта в возрасте 8 … 27 недель
В.3.4. Особенности тактильной рецепции
Биологическая значимость тактильной сенсорной функции, пожалуй, наиболее высока. Действительно, отсутствие специальных видов чувствительности - зрения, слуха, обоняния и т.д. не приводит к гибели организма. Отсутствие же кожной рецепции несовместимо с жизнью. Существо, лишенное возможности воспринимать тактильную информацию, не могло бы уберечься от опасных внешних воздействий, о которых сигнализируют болевые ощущения, сохранять стабильность ориентации и движения в пространстве, поддерживаемые мышечным тонусом и т.д. Тактильная рецепция и в филогенетическом смысле является самой древней. Она объединяет несколько видов чувствительности, которые можно разделить на две категории: чувствительность, связанная с кожными рецепторами и виды чувствительности, связанные с рецепторами, находящимися в мышцах, суставах и сухожилиях.
Кожа является предохранительной оболочкой организма. Ее общая площадь достигает, в среднем 2,5 м2. В коже, мышцах, суставах и сухожилиях находится огромное количество рецепторов. Внутри кожи, например, можно выделить, по крайней мере, 4 самостоятельных вида рецепции: температурная (тепловая и холодовая), тактильная, болевая и вибрационная (иногда ее характеризуют е как зависимую от трех других). Этим четырем видам кожной чувствительности соответствуют различные рецепторные аппараты. К числу основных относятся [ ]: колбочки Краузе, раздражение которых дает ощущение холода, цилиндрические рецепторы Руффини, формирующие тепловые ощущения, корзинчатые сплетения и тельца Меснера, ответственные за возникновение ощущений прикосновения и давления и, наконец, так называемые свободные нервные окончания, связанные, по-видимому, с болевыми функциями. Кроме кожных рецепторов существуют рассмотренные ранее рецепторы мышц, суставов и сухожилий, связанные с проприоцептивной (кинестетической) чувствительностью. Они вырабатывают сигналы в тот момент, когда происходит изменение силовых факторов в опорно-двигательном аппарате, являясь, таким образом, носителями информации о расположении и движении мышечно-суставного комплекса. Существует и ряд других рецепторов, назначение которых пока неизвестно.
В целом, кожа и опорно-мышечный аппарат представляют собой огромный распределенный рецептор, который вынесен наружу для первичной обработки контактных воздействий. Кожа неоднородна по количеству и характеру представленных в ней рецепторов. В ней есть места очень чувствительные к прикосновению, температурным и болевым воздействиям, есть менее чувствительные. Например, у человека наиболее чувствительны - ладонь руки, язык; наименее - средняя зона спины. Различное количество рецепторов отражает неодинаковую значимость соответствующих участков тела. Рецепторы кожи в физиологии принято делить на три группы - медленно адаптирующиеся (МА), быстро адаптирующиеся (БА) и тельца Пачини (ТП). МА-рецепторы формируют непрерывный поток импульсов при постоянном механическом стимуле (например, действии веса на стопу). БА-рецепторы регистрируют механические стимулы, изменяющиеся во времени, причем величина реакции пропорциональные скорости деформации кожи. ТП представляют собой очень быстро адаптирующиеся рецепторы. В этом смысле, уместны следующие бионические аналогии. МА-рецепторы можно рассматривать как ЧЭ датчиков силы (давления) или деформации кожи. БА-рецепторы, время адаптации которых составляет 50 ... 500 мс подобны датчикам скорости, а ТП-рецепторы являются ЧЭ датчиков ускорения или вибрации кожи. В тактильных системах их функцию выполняют датчики проскальзывания.
Для проведения раздражений от рецепторов кожи и опорно-двигательного аппарата, в организме существует три типа волокон, получивших название А, В и С. Эти каналы связи передают различную информацию и отличаются диаметром и степенью миелинизации, и, тем самым, скоростью проведения нервного импульса. Волокна типа А имеют наибольший диаметр ~ 8 ... 12 мкм и сильно миелинизированы, что позволяет передавать возбуждение со скоростью ~ 120 м/с. А-волокна являются каналами передачи сигналов тактильной и кинестетической природы, идущих от мышц, сухожилий и суставов. Волокна типа В, снабженные тонкой миелиновой оболочкой имеют меньший диаметр ~ 4 ... 8 мкм, проводят раздражение со скоростью 15 ... 40 м/с и связаны, в основном, с температурной и болевой рецепцией. Наконец, волокна типа С вообще не имеют миелиновой оболочки, обладают диаметром менее 4 мкм и скоростью передачи возбуждения ~ 0,5 ... 15 м/с. Они связаны с болевыми и, частично, температурными ощущениями. В тактильной рецепции, наряду с определенной специализацией наблюдается также перекрытие рецепторных каналов, отвечающих за различные функции. Так, болевая и температурная чувствительность преимущественно связана с самыми тонкими волокнами, а тактильные ощущения проводятся по наиболее крупным волокнам А и В.
Мы рассмотрели вкратце важнейшие бионические механизмы основных сенсорных функций, тех функций, которые являются основой информационной (сенсорной) системы робота. Подведем некоторые итоги. Заметим, что во многих случаях одна и та же поведенческая задача может решаться путем объединения нескольких сенсорных модальностей. Хорошим примером такого взаимодействия является движение. При ходьбе человек использует зрение, тактильную, кинестетическую, а также слуховую сенсорную функцию. Однако, обычно информация, поставляемая этими системами, оказывается избыточной. Например, чтобы пройти по улице достаточно использовать всего три информационных канала. Замещение одной сенсорной функции другой получило название сенсорной компенсации. В частности, тактильная рецепция слепого частично замещает зрение. Принцип замещения широко используется в робототехнике.
В.4 Понятие об информационном подходе
Информационные связи в измерительной системе проявляются на всех ее уровнях. Действительно, в зависимости от масштаба анализируемых явлений каждая информационная структура может рассматриваться соответственно в терминах информационного устройства, информационной системы и информационной сети. Так, молекула в масштабе вещества является «элементарным кирпичиком», в масштабе собственных размеров - некой системой, в масштабе атома - сложной сетью взаимодействий. Данный подход позволяет информационную структуру различного уровня и различной природы рассматривать с единых - системных позиций и использовать принципы системного проектирования. Представление информационных устройств в виде некоторых технических систем (описываемых как совокупность взаимосвязанных аппаратно-программных средств, имеющих общую функциональную схему и предназначенных на выполнение единой технической задачи) позволяет применять экстремальные методы синтеза (например, метод целевых функций).
В качестве примера рассмотрим информационную систему (рис. В8) в которой происходит последовательное преобразование информации. Для простоты ограничимся двумя преобразователями R и Q. При анализе этой модели воспользуемся известным подходом К. Шеннона и Д. фон Неймана, определяющим информацию I как меру случайного выбора. Согласно этому подходу, в альтернативной ситуации любое событие оценивается не содержанием, а вероятностью или «редкостью» его наступления. В результате при осуществлении выбора информации оказывается тем больше, чем меньше ожидается совершившееся событие. Тогда, при числе возможных вариантов событий n количество информации I, получаемой в ходе реализации выбора пропорционально ln n: