Инструментальное тестирование
Внимательный покупатель при сравнении нескольких однотипных изделий с удивлением обнаруживает, что в одном описании перечень параметров какой-то куцый, в другом — приведены еще условия измерения, а в третьем вообще основными в этом списке являются не значения характеристик, а подробности конструкции (которые на самом деле у всех подобных изделий одни и те же). Конечно, специалисты фирм проводят измерения в соответствии с требованиями национальных или международных стандартов. Для покупателя последнее предпочтительнее, поскольку в этом случае у него есть возможность сравнить изделия производителей из разных стран. Лукавые изготовители, конечно, придерживаются требований стандартов, но часто трактуют их в свою пользу. Вот пара примеров, поясняющих неоднозначность ситуации. Первый из них уже можно считать историческим. В аналоговых кассетных магнитофонах основными параметрами, по которым оценивалось их качество, служили отношение сигнал/шум и коэффициент нелинейных искажений.
Рис. 1. Частотно-переходная характеристика
Рис. 2. Спектр выходного сигнала
Рис. 3. Зависимость КНИ от мощности и частоты
Рис. 4. График цветового охвата (СУ 1931)
Рис. 5. График цветового баланса для видеосигнала в цветовом пространстве (R-Y/B-Y)
Адаптер National Instruments обеспечивает прием сигналов от измеряемого устройства на компьютерную DSP-плату
Для подключения к источнику видеосигнала у адаптера платы захвата предусмотрен большой набор разъемов
Для акустических измерений используются только микрофоны и шумомер (на фото слева) фирмы «Брюль и Къер» (Bruel&Kjaer)
Чтобы получить значения попривлекательней, измерения проводились при разных уровнях сигнала. Так, КНИ измерялся при номинальном уровне сигнала 0 дБ: в этом случае его значение практически всегда получалось меньше 1%. А когда измерялось отношение сигнал/шум, то за опорный уровень принимался не 0 дБ, а уровень, при котором КНИ достигали 3% — максимальный допустимый стандартом. Это давало производителю 3–6 дБ выигрыша в зависимости от используемых комплектующих и схемотехники. Или другой пример, касающийся измерения контрастности в видеопроекторах, параметра, с которым связано наибольшее количество спекуляций, так как производители видеотехники неохотно ссылаются на конкретную методику измерения. Наиболее используемый в этой области американский стандарт ANSI предполагает два варианта: по шахматному полю (Checkerboard) и по сравнению сигналов в режиме раздельной проекции белого и черного полей (Full on/off). При проецировании шахматного поля контрастность вычисляется как отношение освещенности, усредненной по результатам измерений в центрах белых квадратов, к средней освещенности в центрах черных. Такие измерения больше соответствуют реальной ситуации при проекции видео, поскольку учитывают влияние рассеяния света от белых квадратов на освещенность черных. Но маркетологи «любят» Full on/off — метод дает большую цифру...
Лет двадцать назад предметом большой дискуссии стало двойное слепое тестирование. Касалось это в основном звука, и применялось оно для сравнения акустических систем усилителей и источников. Тут очень показательно исследование, проведенное тогда же японскими специалистами. Многое становится ясно уже из названия: «Влияние названия фирмы на результаты слепого тестирования». Эксперимент заключался в том, что группе экспертов (японских) предложили оценить качество кассетной ленты, давая послушать музыкальные записи один раз анонимно, а второй — называя производителя. Результат оказался полностью предсказуемым: во втором случае лучшими единогласно были признаны ленты известных производителей, а отнюдь не лидеры первого прослушивания. Данный эксперимент не исключает этого метода, но показывает трудности его реального использования: слишком велико влияние на результат человеческого фактора с точки зрения квалификации эксперта и давления на него общепринятого мнения, возможно, и ошибочного. В таких условиях нашей задачей является предоставление читателям достаточного объема измеренных в равных условиях параметров, что позволит корректно сделать сравнение. Количество измерений по каждому виду техники достигает нескольких десятков. В журнале часть из них, наиболее показательных, публикуется напрямую в виде графиков или приводится в таблицах, а все вместе они служат основой для анализа и принятия решения при вынесении результирующей оценки по таким категориям, как изображение, звучание и конструкция.
В первые годы измерения при тестировании производились с применением традиционных приборов. У нас были генераторы, вольтметры, осциллограф, измеритель КНИ и другие. Однако реально такой набор годился только для любительской практики, когда времени предостаточно и можно снимать кривую зависимости по точкам. И что особенно удручало: было сложно получить наглядное представление результатов таких измерений на страницах журнала. Становление нашей лаборатории удачно совпало с периодом бурного развития компьютерной техники и той ее области, которая занимается автоматизацией измерений.
Мы уже рассказывали о нашем измерительном комплексе, описывая испытания акустических систем («S&V», август 1998 г.). Ядром редакционного измерительного комплекса является 16-разрядная измерительная АЦП/ЦАП-плата AT-DSP2200 фирмы National Instruments с максимальной частотой дискретизации 51200 выборок в секунду и разработанный той же фирмой графический язык программирования LabView. Правда, теперь таких DSP-плат у нас две: одна работает как источник сигналов, а другая для измерений. Все методики тестирования и программы для них разработаны в редакционной лаборатории в соответствии с требованиями отечественных ГОСТ’ов, международных стандартов МЭК и ИСО. Программная среда, работающая под оболочкой Windows, позволяет создавать любые виртуальные приборы. Нашими специалистами был разработан целый ряд таких приборов для измерений акустических систем, электрических параметров DVD-проигрывателей и усилителей. При создании виртуальных приборов использовалась имеющаяся в LabView обширная библиотека простых приборов (преобразование Фурье, измеритель нелинейных и интермодуляционных искажений и т.д., не говоря уже о наличии стандартных виртуальных приборов). Измерение всех оговоренных стандартами параметров (число которых для отдельных видов техники может превышать сотню) физически возможно, но здравый смысл нам не изменяет. Отметим здесь в качестве примера только то, что даже получение простой частотной характеристики, например акустической системы, требует многочисленных измерений и объемных вычислений с целью получения статистически достоверных результатов. Применение исключительно профессионального электроакустического оборудования позволяет получать полную и корректную информацию о самой разнообразной аппаратуре. Вообще современные измерения включают в комплекс операций не только собственно отсчет данных, но еще математическую обработку результатов и наглядное их графическое представление.
Для каждого измерения требуется еще и специальный тестовый сигнал. И если для акустики и усилителей в качестве источника выступает упомянутая DSP-плата, то для проигрывателей потребовалось создать специальные тестовые диски. Некоторые параметры, конечно, можно измерять, используя доступные стандартные тестовые CD, DVD или SACD, которые можно купить в магазинах. Но они, как правило, ориентированы на простейшие стандартныe приборы или предполагают сравнение (например, синфазности стереоканалов или уровня пяти каналов системы 5.1) на слух. То есть позволяют оценить минимум, необходимый, например, при контроле качества на заводе. Специфика производства такова, что производителю не нужно знать точно частотную характеристику данной акустической системы (изо дня в день собирается одна и та же модель). Ему необходимо только контролировать соответствие характеристики некому принятому и утвержденному им самим эталону с допустимыми отклонениями. Заметим, что многие производители акустики довольствуются автоматизированными измерительными комплексами на основе компьютера, значительно более простыми, чем располагает лаборатория журнала.
Цикл измерений при оценке акустических систем или проигрывателей, в результате которых появляются трехмерные графики, одноконтурный: последовательно измеряются частотные зависимости при одном значении параметра, затем параметр изменяется — и измерения повторяются. При измерении зависимости КНИ выходного сигнала усилителей мощности от частоты при изменяющемся уровне мощности пришлось усложнить программу, введя дополнительную предварительную оценку. Проблема возникла из-за проседания напряжения его источника питания при увеличении мощности, что связано с его неидеальной нагрузочной характеристикой. Чтобы устранить эту проблему, в программу был введен дополнительный цикл измерений. Сначала оценивается выходная мощность, затем, если необходимо, увеличивается уровень сигнала и производится повторное измерение. Этот результат при правильном значении выходной мощности запоминается, и затем устанавливается следующее значение сигнала на выходе. Таким образом, компьютер следит за правильностью условий измерений.
Вообще же для построения любых трехмерных графиков требуется массив данных, содержащий результаты нескольких тысяч измерений. Понятно, что без использования автоматизированного комплекса это просто невозможно.
Для оценки качества воспроизведения видеосигналов DVD-проигрывателей и DVD-рекордеров и других источников видеосигналов в лаборатории используется профессиональная плата видеозахвата с возможностью работы с компонентными (YCrCb и RGB), S-Video и композитным видеосигналами. В качестве источника используется специальный DVD с набором тестовых изображений, которые также были записаны нашими силами. Они содержат цветные полосы как со стандартным порядком чередования полос, так и специально подобранным, что облегчает компьютерную обработку результатов и наглядность представления. На диске также записаны стандартная испытательная таблица OIRT, используемая при оценке четкости канала яркости, и цветная таблица — для цветовой четкости.
Особое место занимает измерение колометрических параметров и светотехнических характеристик устройств отображения (телевизоров и видеопроекторов), которое мы начали осуществлять в последние годы. Яркость измерялась при воспроизведении шахматного поля, состоящего из равного количества черных и белых квадратов, что позволяет приблизить измерения к реальным условиям видеопросмотра и учесть эффект засветки черных полей при рассеивании света от светлых участков и отражений от стен и потолка помещения, которые уменьшают контраст изображения. Очень много информации дает для оценки качества цветопередачи график яркостного отклика и цветовых составляющих RGB. Яркостная характеристика устройств отображения видео- и компьютерной информации адаптируется производителем под особенности зрительного восприятия человеком. Поэтому на всех графиках, связанных с воспроизведением изображения, приводится идеальный отклик, с которым сравнивается ход реальной характеристики. Что касается точности воспроизведения цвета, то здесь идеальным является полное совпадение при абсолютной линейности во всем диапазоне яркостей всех трех цветовых составляющих.
Для телевизоров и других устройств отображения видеоинформации мы приводим график цветового охвата (рис. 4). Цветовое пространство CIE 1931 в координатах (х, у) представляет собой весь спектр света, видимый человеческим глазом. Как известно, количество цветов, которое может воспроизвести тестируемое видеоустройство, существенно меньше и определяется цветовым диапазоном (или охватом). Белый треугольник на всех графиках представляет границу такого цветового диапазона, который должен воспроизводиться телевизором при подаче на него контрольного сигнала. Черные треугольники построены на основе проведенных измерений хроматических координат каждого аппарата из тестируемой группы. Дополнительно на графике нанесена кривая, характеризующая излучение идеализированного объекта — абсолютно черного тела, нагретого до определенной температуры. На ней в зоне, находящейся в центре белых треугольников, указана точка белого с температурой цвета 6500К. Это значение принято в качестве стандарта в кино- и телеиндустрии. Анализ графиков позволяет получить информацию не только о количестве воспроизводимых цветов (площадь черных треугольников) и насыщенности каждого цвета (расстояние от точки белого), но также дает представление о хроматической правильности основных цветов (отклонение точки в сторону другого оттенка).
Аналогом этого графика для источников видеосигнала является график цветового баланса R-Y/B-Y для различных выходных аналоговых видеосигналов (рис. 5), на котором обычно представлены лучшие по качеству (чтобы не усложнять восприятие картинки). Здесь также есть эталонные зависимости и референсные точки, показанные белым. Чем точнее цветные треугольники совпадают с белым, тем точнее передает проигрыватель цветовые переходы. Уровень цветового шума иллюстрируется на качестве воспроизведения дополнительных цветов. Полное его отсутствие соответствует белым точкам. Цветные точки характеризуют фактическую картину для выходных сигналов. Чем ближе они к белым и выше их «кучность», тем ниже уровень цветового шума.
Результаты работы нашей лаборатории присутствуют в каждом тесте как объективные доказательства в техническом комментарии (графики) и в сводной таблице (численные значения) рядом с паспортными данными, полученными от производителя. Делается это для того чтобы создать ситуацию справедливого сравнения, поскольку измерения для аппаратов в одном тесте мы получаем в одинаковых условиях.
На первый взгляд, многочисленные цифры и графики сложноваты для восприятия, но мы постоянно работаем над тем, чтобы объективные данные приобретали необходимую иллюстративность и были доступны для понимания всем, кто регулярно читает журнал…
Bruel&Kjaer
Датская фирма «Брюль и Къер» — признанный мировой лидер в области акустических и виброизмерений. Созданная в 1942 двумя инженерами, фамилии которых и образуют ее название, фирма все время оставалась пионером в этой области, создавая широкий ассортимент инновационных приборов высочайшего качества и программного обеспечения для их всевозможных применений.
National Instruments
Основной продукт американской компании National Instruments — виртуальные измерительные приборы для инженерных, производственных и научных применений. Начав в 1976 году с создания модулей для сопряжения стандартных приборов с компьютером, компания выпускает ныне широкий спектр специальных компьютерных плат, работающих в среде графического программирования LabVIEW.
Слепой тест
Двойной слепой тест — метод экспертного тестирования, который предполагает сравнение двух устройств, включаемых в случайном порядке. Эксперту предлагается отдать предпочтение одному и определить, какое из них работает. Идеологом метода выступил канадский акустик Флойд Е. Тул (Floyd E. Toole), являющийся в настоящее время вице-президентом Acoustical Engineering (Harman International).