Работы Б.А. Попова по созданию системы автоматического поиска средствами подводного телевидения
Как известно, г. Львов почитается на Украине центром воинствующего украинского национализма. Однако такое определение не является всеобъемлющим. Доказательство этому - проведение в физико-механическом институте НАН Украины научно-технической конференции, посвященной 70 - летию со дня рождения проф. Б.А. Попова. С воспоминаниями о работах Богдана Александровича выступил и Ваш покорный слуга. Возможно, они заинтересуют тех, которым близка тематика по истории науки.
Один из ведущих продюсеров компании IBM, оценивая прогресс в развитии современной вычислительной техники, дал такое сравнение - если бы развитие автомобильной промышленности было таким же, как и в создании современных вычислительных машин, то мы б имел сейчас автомобиль, который бы мог совершить кругосветное путешествие за два часа, затратив при этом один галлон бензина, и который стоил бы при этом
$5.
Возможно, г-н продюсер в этом сравнении несколько и переборщил, но факт остается фактом - хотя общеизвестны существенные прорывы во многих областях науки и техники, таких как астрофизика, микробиология, геофизика - наиболее весомые достижения имеют мести именно в информационной теории и технике.
Тем, чьи научные интересы связаны с информатикой, такая ее аттестация, конечно же приятна, но тут имеет место и оборотная сторона медали - множество достижений сегодняшнего дня завтра оказываются уже безнадежно устаревшими, могущими заинтересовать разве что историков науки.
Такая ситуация имеет место, когда мы говорим о первых работах Богдана Александровича в области, как тогда говорили, прикладной математики - вместе с Б.Р. Монцыбовичем его можно считать первопроходцем в создании пакета программ к первой вычислительной машине нашего института - имеется ввиду отечественная разработка "Проминь". По критериям сегодняшнего дня "Проминь" не тянул даже на калькулятор с программированием (типа, например, "Електроника МК 61",
но не будем забывать, что калькуляторы такого типа появились значительно позже "Проминя". А тогда книга Б.А. Попова и Б.Р. Монцыбовича "Программирование на ЦВМ "Проминь" приобрела статус бестселлера (хотя этот термин у нас тогда еще не использовался).
В этой работе авторы значительно перекрыли возможности машины по сравнению с теми, которые были рекомендованы ее разработчиком - так например, была представлена программа для нахождения корней системы двух алгебраических уравнений.
В этом, на первый взгляд и не такому уж большому достижению, уже просматривается мина замедленного действия которая была подложена под на первый взгляд совсем постороннему научному направлению - теории расчета линейных электрических цепей.
Теорию расчета электрических цепей произвольной сложности разработал еще в XIX столетии известный немецкий ученый Густав Роберт Кирхгоф, который в первую очередь прославился созданием спектрального анализа, с помощью которого им был открыт элемент гелий, сначала на Солнце, а потом уже на Земле.
Работы в области теоретической электротехники его не особенно заинтересовали ("скучные наблюдения, скучные расчеты"), тем не менее и на сегодня так наз. Законы Кирхгофа в принципе полностью закрывают задачу расчета линейных электрических цепей. Однако, не зря тут был использован термин "в принципе". Дело в том, что используя метод контурных токов и метод узловых напряжений можно любую электрическую схему отобразить системой алгебраических уравнений, корни которых как раз и отображали искомые токи и напряжения. Беда только в том, что эти уравнения как правило, имели высокую степень.
Со школьной скамьи все мы знаем, что имеются формулы для решения квадратных уравнений, в какой то мере классическими метолами могут быть решены кубические уравнения, но уже что выше то это уже от лукавого.
Вот так и появились предложения для некоторых типов схем дать методику аналитического расчета, без необходимости решать алгебраические уравнения высоких степеней. В первую очередь здесь следует упомянуть теорию четырехполюсников, которая позволяла проводить расчет произвольного количества элементарных схем, если они были соединены в цепочечную структуру. Теория была доведена до конкретных формул расчета, например частотных фильтров - низких частот, высоких и полостных.
Однако, если отдельные четырехполюсники были бы соединены не последовательно, а произвольным способом, методика их расчета уже не срабатывала.
Первую попытку расширить возможности стандартной теории четырехполюсников сделал зав. кафедрой электротехники Львовского политехнического института проф. Г.Е. Пухов. Он обратил внимание на то, что классические четырехполюсники были по сути трехполюсниками. Модернизированные Г.Е. Пуховым "настоящие" четырехполюсники позволяли проводить расчеты более сложных схем, ценой , однако значительного усложнения процедуры расчета. В дальнейшем Г.Е. Пухов переехал в Киев и больше теорией цепей не занимался, но во Львове у него нашлись последователи - сотрудники Львовского физико-механического института АН УССР В.П. Сигорский и Б.И. Блажкевич. Последний довел теорию "настоящих" четырехполюсников до теории шестиполюснков, изложение которой уже потребовало целой монографии.
И тем не менее, на сегодняшний день вряд ли найдется желающий постигать премудрости шестиполюсников - ведь, если возникнет необходимость расчета сложной линейной схемы, теперь можно пойти классическим методом доброго старого Кирхгофа, а полученную систему уравнений решить современными средствами на ЦВМ, причем результат, если это будет необходимо, получить как в численном, так и в общем виде.
Так вот, достаточно широкий метод решения системы алгебраических уравнений был предложен Поповым и Монцыбовичем в их монографии "Программирование на ЦВМ Мир-3".
Это было время, когда уже начинала давать себя знать американская транснациональная компания "IBM". У нас на Украине был выбор - или развивать дальше идеи, заложенные в ЦВМ МИР, или пойти по проторенной дороге за "IBM". В конце концов победило направление IBM, еще Наполеон в свое время сказал, что бог на стороне больших батальонов, а здесь финансовые а следовательно и научно-организационные возможности Института кибернетики АН УССР и компании IBM отличались на несколько порядков. Но при этом, как говориться, вместе с водой выплеснули и младенца. Идеология МИР позволяла в принципе проводить расчеты не только в численном, но и в общем виде, то есть делать то, что машины IBM вмести с "Микрософт" смогли реализовать в самое последнее время, опираясь на колоссальную аппаратурную базу, про которую во времена ЦВМ МИР не приходилось и мечтать.
Значительный вклад Б.А. Попов внес в разработку системы автоматического распознавания, реализованную на базе поисковой системы подводного телевидения. В свое время это были закрытые работы, поскольку они были направлены на создание системы поиска донных морских мин по заказу ВМФ СССР. На сегодняшний день исследования этого направления уже давно стали, как говориться, секретами Полишинеля, имеется нескончаемая плеяда публикаций как в России, так еще больше в США.
Поэтому, не беря греха на душу, мы можем в какой - то мере осветить вклад Б.А. Попова в этом направлении.
Основная проблема подводных телевизионных систем - преодоление разрушающего влияния водной среды на качество входного изображения.
Моряки в то время характеризовали оптические параметры водной среды т. наз. видимостью по белому диску. Белый диск размерами несколько больше суповой тарелки на тросе опускали в море. В тот момент, когда диск уже не просматривался с поверхности, фиксировалась глубина его погружения, которая и считалась результатом.
Богдан Александрович в качестве первичных характеристик водной среды взял коэффициенты рассеивания и поглощения. Их можно было достаточно оперативно установить на переносной лабораторной установке.
Взяв свертку между первичным изображением и комплексным коэффициентом передачи водной среды можно было получить двумерный пространственный сигнал на входе телевизионной системы.
Необходимо отметить, что ЦВМ позапрошлого поколения имели существенный недостаток - примитивные устройства отображения выходной информации.
Для подводного телевидения дело усложнялось из-за того, что за счет рассевания локальные объекты на экране утрачивали четкие контура, и изображение воспринималось оператором в виде набора расплывчатых пятен на неоднородном сером фоне + шумовые помехи.
С учетом всего сказанного, выходной сигнал телевизионной системы при компьютерной обработке по методике Попова формировался в двух реализациях
- набора изофот для разных значений яркости; в какой то мере он воспроизводил псевдо контура локальных объектов на поле внимания;
- одномерный сигнал, характеризующий изменение яркости при скачкообразном переходе от локального объекта поиска к фону, если объект имеет прямой край (донная мина как раз и выглядела в плане, как прямоугольник).
При операторном поиске последний параметр был не причем, но он был определяющим при расчете корреляционного фильтра - основного блока системы распознавания.
В итоге была создана система распознавания простых образов (размытого прямого края), которая при натурных испытаниях в Феодосии надежно распознавала макеты мин на расстояниях, при которых опытный оператор обнаруживал не больше половины. (Более подробно об этих испытаниях см. статью "Ждать у моря погоды" на этом сайте).
Здесь следует упомянуть Р.С. Стефаника и П.Г. Черния, создавших техническую реализацию самой системы.
Следует заметить, что реальные преимущества устройства автоматического распознавания по сравнению с операторным поиском были более весомы по сравнению с выводами официальных протоколов.
Дело в том, что траление мин в реальной ситуации это поиск иголки в стоге сена - вероятность нахождения мины на поле внимания исчезающее мала. Можно целый день тралить акваторию и так и не найти ни одной мины. При этом оператор все время наблюдает серое монотонное изображение с размытыми пятнами. Через некоторое время такой работы его нервная система отключается - оператор смотрит на экран, но по сути ничего не видит. Естественно, морякам такие казусы были, в общем, известны - через каждые 20-30 минут операторы менялись, были попытки время от времени выводить на экран псевдо мины, и т.п. Но существенно повысить эффективность операторного поиска эти процедуры не могли.
Можно привести конкретный пример. В акватории Севастопольской базы ВМФ проводилось учение по посадке вертолета на крейсер. Летчик допустил ошибку при посадке и вместо палубы крейсера плюхнулся в воду. Вся команда успела выскочить, и была подобрана, но вертолет затонул. Место аварии было, в общем, известно, глубина около 50 метров, видимость по белому диску 7-8 метров. Казалось бы, с помощью системы подводного телевидения найти вертолет не проблема. И, тем не менее, более двух суток системой "Нева-2" безрезультатно утюжили район аварии. В конце концов, вертолет через плечо оператора обнаружил кок, которому от нечего делать захотелось посмотреть, чем занимаются его коллеги.
Следует отметить, что этот казус значительно повысил реноме нашей системы ("Луч-3"), которая после контрольных испытаний без задержки была взята Ленинградским "Гидроприбором" для внедрения.
Сегодня системой автоматического распознавания никого особенно не удивишь, но в те времена, не взирая на многочисленные теоретические разработки, по крайней мере, на Украине существовало всего 4 реально действующих образца, которые обеспечивали автоматическое распознавание (Институт электросварки АН УССР, институт Кибернетики АН УССР и два в нашем институте (второй образец - автоматическое распознавание дефектов сварных соединений)). Позволительно будет высказать предположение, что теоретические разработки по автоматическому распознаванию в те времена весьма отдавали наукоподобной схоластикой и вряд ли могли бы быть взяты за основу реальных технических разработок. Для подтверждения этого, возможно спорного, мнения приведу цитату из книги известного английского ученого Р. Уилсона "Оптические читающие автоматы", "МИР", Москва, 1969. "В этой связи автор книги наблюдал странное явление в литературе по данному предмету: те, кто действительно конструируют оптические читающие устройства, способны описывать их на понятном, хотя и сугубо техническом языке, тогда как те, кто лишь разрабатывает теоретические аспекты, находят удовольствие в лингвистическом тумане."
Теперь несколько слов о работах Богдана Александровича общего назначения. Тут следует упомянуть о том, что украинская академия наук, в отличии, например, от российской, на президентском уровне ставила задачу эффективного внедрения результатов научных исследований с соответствующем экономическим эффектом. Причем суммарный эффект по институту должен был значительно превышать затраты на его деятельность. Как персонально ответственный по линии дирекции института за это дело, могу искренне утверждать, что итоговые цифры экономического эффекта были в какой - то мере иллюзорными, т.к. не учитывали полностью вклад предприятий, где проводилось внедрение, реальный объем новой техники, ее эффективность по сравнению с лучшими мировыми образцами и т.п. Однако, поскольку за полученный экономический эффект никто никаких денег не получал, уровень приписок с моей точки зрения был тут не больший, чем в других сторонах деятельности нашего, все таки в основном порядочного общества. Так что рациональное зерно в оценке экономической эффективности Украинской академии наук с моей точки зрения, безусловно было.
Требование давать экономический эффект докатилось и до работ, которые проводил Богдан Александрович. Тут ему помогла научная политика, которую проводил в то время известный деятель нашей академии вице-президент Виктор Михайлович Глушков. Он считал, что создание новых программ с точки зрения практики это создание новых технологий, а раз так, оно может быть оценено с позиций экономической эффективности. По его инициативе при Президиуме АН УССР был создан Центральный фонд алгоритмов и программ (не знаю, существует ли он и сейчас). Программы, представляемые в фонд, проходили научно-техническую экспертизу, и при положительном решении принимались в фонд, а авторам выдавался документ об их экономической эффективности.
Помниться в начале директор института, несколько сдержанно отнесся к представленным документам, и мы вместе с Богданом Александровичем имели с ним по этому поводу долгий разговор. В конце концов, директор принял решение не быть большим католиком, чем папа римский, и экономический вклад Попова, подтвержденный на уровне Президиума АН, в дальнейшем регулярно учитывался.
В заключение своего, надеюсь не слишком длинного выступления, позволю себе привести притчу, которая парадоксально укладывается в законы формальной логики и в то же время имеет прямое отношение к тематике конференции.
На одной улице работало три портных. Очевидно, между ними не могла не возникнуть определенная конкуренция. Так вот один из них соорудил себе вывеску "Иванов - лучший портной в Европе". Естественно он стал по сравнению с соседями пользоваться повышенным вниманием заказчиков. Тогда второй портной нарисовал себе такое: "Петров - лучший портной в мире". Что тут было делать третьему? Он нашел выход -
"Попов - лучший портной на этой улице".
Если перейти от этой притчи к реальному Богдану Александровичу Попову, то можно утверждать, что по многим сторонам своей научной деятельности он заслуживает звания одного из лучших ученых на улице Научной. При этом быть лучшим на улице Научной не скажу всегда, но во многих случаях может означать быть лучшим и в Европе - ведь не одна его публикация была переведена на английский язык и издана престижными издательствами, я уже не говорю про международные научные конференции.