https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/1146 2026-10-22T20:06:39Z https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/10050 Title: Моделі та метод нейромережевої генерації обʼєктів на основі профілів швидкості узгодження потоків Authors: Бондар, Віталій Володимирович Abstract: Бондар В. В. Моделі та метод нейромережевої генерації обʼєктів на основі профілів швидкості узгодження потоків. –– Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 123 –– Комп’ютерна інженерія. –– Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2026. У дисертаційній роботі розв’язано актуальну науково-прикладну задачу підвищення якості нейромережевої генерації об’єктів за обмеженого обчислювального бюджету на основі моделей генеративного процесу та масштабування обчислень із розробленням удосконаленого методу узгодження потоків, що використовує нелінійні профілі швидкості вздовж траєкторій перетворення розподілів. Глибокі генеративні нейромережеві моделі, насамперед дифузійні моделі та моделі узгодження потоків, стали поширеним і практично цінним інструментом синтезу зображень і сигналів. Сфера їх застосування охоплює як створення візуального контенту, так і доповнення навчальних наборів у галузях, де збір реальних даних ускладнений. Основні класи таких моделей, до яких належать варіаційні автокодувальники, генеративні змагальні мережі, нормалізуючі потоки, авторегресивні моделі, дифузійні моделі та методи узгодження потоків, мають спільну математичну природу, проте розвивалися здебільшого незалежно, із власними формалізмами й позначеннями. Ця відокремленість ускладнює системне порівняння підходів і перенесення напрацьованих рішень між ними та зумовлює потребу в узагальненій моделі процесу генерації. Головним чинником, що стримує практичне застосування найпоширеніших нині дифузійних моделей та моделей узгодження потоків, залишається висока обчислювальна вартість генерації. Її визначає кількість кроків чисельного інтегрування, оскільки для прийнятної якості потрібні десятки або сотні послідовних звернень до нейронної мережі. Скорочення цієї кількості без втрати якості є передумовою застосування таких моделей у середовищах з обмеженими ресурсами та з вимогами до часу відгуку. У ширшому контексті розподіл обчислень під час генерації, відомий як масштабування обчислень під час інференсу, став загальним засобом керування якістю без зміни архітектури мережі, проте різнорідність відповідних методів і брак моделі, яка описувала б їх незалежно від архітектури, утруднюють їх аналіз та застосування. Отже, невирішеними залишаються три пов’язані питання: відсутність узагальненої моделі генеративного процесу, брак формальної моделі масштабування обчислень під час генерації та висока обчислювальна вартість генерації. Потреба розв’язати ці питання й визначає актуальність теми дослідження. Об’єктом дослідження є процеси нейромережевої генерації зображень та сигналів на основі перетворення розподілів ймовірності. Предметом дослідження є метод узгодження потоків з нелінійними профілями швидкості з використанням моделей генеративного процесу та масштабування обчислень під час генерації. Мета роботи полягає в підвищенні якості нейромережевої генерації об’єктів за обмеженого обчислювального бюджету на основі узагальненої моделі генеративного процесу та структурно-топологічної моделі масштабування обчислень із розробленням удосконаленого методу узгодження потоків, що використовує нелінійні профілі швидкості вздовж траєкторій перетворення розподілів. Для досягнення цієї мети проаналізовано наявні генеративні моделі, виявлено їхні спільні риси й принципові відмінності та визначено місце методу узгодження потоків серед інших підходів, розроблено узагальнену модель генеративного процесу, яка подає генеративні моделі різних типів як функції трансформації розподілів ймовірності, розроблено структурно-топологічну модель масштабування обчислень під час генерації зі структурною складовою у вигляді політик керування додатковими обчисленнями та топологічною складовою у вигляді базових обчислювальних топологій, розроблено удосконалений метод побудови траєкторій узгодження потоків на основі нелінійних профілів швидкості, обґрунтовано схеми чисельного інтегрування для таких траєкторій і способи адаптації вже навчених моделей без перенавчання, проведено експериментальну перевірку методу на задачах генерації зображень порівняно з узгодженням потоків зі сталою швидкістю, а також оцінено його застосовність поза межами генерації зображень на прикладі синтезу електрокардіограм. Формалізацію генеративних моделей як функцій трансформації розподілів і побудову узагальненої моделі генеративного процесу виконано методами теорії ймовірностей та математичного аналізу. Схеми дискретизації траєкторій та аналіз їхньої похибки обґрунтовано методами теорії звичайних диференціальних рівнянь і чисельного інтегрування. Модель масштабування обчислень під час генерації побудовано й базові обчислювальні топології виділено методами системного аналізу та формалізації. Профілі швидкості за заданими крайовими умовами побудовано методами теорії наближень і поліноміальної інтерполяції. Навчання нейромережевих моделей узгодження потоків та їх адаптацію виконано методами оптимізації та градієнтного навчання. Якість генерації та обчислювальні витрати запропонованого підходу оцінено методами обчислювального експерименту на наборах CIFAR-10, DrawBench, Parti та PTB-XL із застосуванням метрик FID, CLIPScore, динамічного скривлення часу та відстані Вассерштейна. Наукова новизна одержаних результатів полягає в розробленні узагальненої моделі генеративного процесу та структурно-топологічної моделі масштабування обчислень під час генерації, а також удосконаленого методу узгодження потоків із нелінійними профілями швидкості. Запропоновані моделі базуються на поданні генеративних моделей як функцій трансформації розподілів ймовірності та на декомпозиції масштабування обчислень за політиками керування й обчислювальною топологією, що дозволило систематично порівнювати генеративні моделі різних класів і зіставляти в єдиних термінах методи масштабування обчислень із різних галузей машинного навчання. Удосконалений метод базується на заміні сталого цільового векторного поля x1 - x0 часозалежним векторним полем v(t)(x1 - x0), заданим профілем швидкості, і не залежить від архітектури мережі та модальності даних, що дозволило підвищити якість генерації за малої кількості кроків інтегрування та пришвидшити збіжність навчання. Подальшого розвитку набули методи переналаштування розкладу на етапі інференсу, у яких сітку інтегрування моделей узгодження потоків задає профіль швидкості, що дозволило застосовувати нелінійні профілі до вже навчених моделей без перенавчання як для генерації зображень, так і для синтезу одновимірних сигналів на прикладі електрокардіограми. Практичне значення одержаних результатів визначається тим, що запропоновані моделі та методи дозволяють будувати алгоритми генерації, які потребують меншої кількості звернень до нейронної мережі й не вимагають зміни архітектури моделі, а також алгоритми розширення навчальних вибірок. Прикладну цінність цих алгоритмів визначають три властивості: переналаштування розкладу інтегрування застосовне до вже навчених моделей без перенавчання, тож прискорення генерації досягається з мінімальними витратами на впровадження; алгоритми не залежать від архітектури та модальності даних; скорочення кількості звернень до нейронної мережі прямо зменшує обчислювальні витрати, енергоспоживання та час відгуку, розширюючи застосовність генеративних моделей у середовищах з обмеженими ресурсами та в інтерактивних сценаріях. Ці переваги підтверджено кількісно: на наборі CIFAR-10 за навчання з нуля гальмівний профіль накату знижує FID на 17:4% при чотирьох кроках інтегрування відносно лінійного базового, а за адаптації переднавченої моделі без перенавчання – до 19:8%; гальмівні профілі додатково пришвидшують збіжність навчання, досягаючи фінальної якості лінійного варіанта приблизно за чверть навчального бюджету; на масштабній латентній моделі Stable Diffusion 3.5 за малої кількості кроків симетричний профіль плавного входу-виходу підвищує CLIPScore на наборах текстових запитів Parti та DrawBench; у задачі синтезу електрокардіограм FlowECG зберігає якість генерації за 10–25 кроків, тоді як базова дифузійна модель SSSD-ECG потребує близько 200 кроків; розширення навчальної вибірки PTB-XL синтетичними сигналами підвищує макроусереднену AUC ансамблю класифікаторів на діагностичній задачі з 0:9387 до 0:9502. Результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес Черкаського державного технологічного університету та Черкаського національного університету імені Богдана Хмельницького. За темою дисертації опубліковано десять наукових праць, зокрема дві статті, що індексуються наукометричною базою даних Scopus, чотири статті в наукових фахових виданнях України категорії „Б“, три тези доповідей на всеукраїнських і міжнародних наукових конференціях та один препринт статті, розміщений у репозиторії arXiv.; Bondar V. V. Models and method for neural network-based object generation using flow-matching velocity profiles. –– Qualification scientific work in the form of manuscript. Thesis for doctor of philosophy degree in speciality 123 –– Computer engineering. –– Cherkasy state technological university, Cherkasy, 2026. In the dissertation, the topical scientific and applied problem of improving the quality of neural network generation of objects under a constrained computational budget is solved, based on models of the generative process and of computation scaling, by developing an enhanced flow matching method that uses non-linear velocity profiles along the distribution-transformation trajectories. Deep generative neural network models, primarily diffusion models and flow matching models, have become a widespread and practically valuable tool for synthesising images and signals. Their scope of application ranges from the creation of visual content to the augmentation of training sets in domains where collecting real data is difficult. The main classes of such models, which include variational autoencoders, generative adversarial networks, normalising flows, autoregressive models, diffusion models, and flow matching methods, share a common mathematical nature, yet they have developed largely independently, with their own formalisms and notation. This separation hampers the systematic comparison of the approaches and the transfer of established solutions between them, and creates a need for a generalised model of the generation process. The principal factor that constrains the practical use of the currently most widespread diffusion and flow matching models remains the high computational cost of generation. This cost is governed by the number of numerical integration steps, since acceptable quality requires tens or hundreds of sequential evaluations of the neural network. Reducing this number without loss of quality is a prerequisite for deploying such models in resource-constrained settings and in applications with response-time requirements. In a broader context, the allocation of computation during generation, known as inference-time scaling, has become a general means of controlling quality without changing the network architecture, yet the heterogeneity of such methods and the lack of a model that would describe them independently of the architecture hinder their analysis and application. Therefore, three related problems remain unresolved: the absence of a generalised model of the generative process, the lack of a formal model of inference-time scaling, and the high computational cost of generation. The need to solve these problems determines the relevance of the research topic. The object of the research is the processes of neural network generation of images and signals based on the transformation of probability distributions. The subject of the research is the flow matching method with non-linear velocity profiles, using models of the generative process and of computation scaling during object generation. The aim of the work is to improve the quality of neural network generation of objects under a constrained computational budget, based on a generalised model of the generative process and a structural-topological model of computation scaling, by developing an enhanced flow matching method that uses non-linear velocity profiles along the distribution-transformation trajectories. To achieve this aim, existing generative models were analysed, their common features and principal differences identified and the place of flow matching among other approaches established; a generalised model of the generative process presenting generative models of different types as probability-distribution transformation functions was developed; a structural-topological model of inference-time scaling was developed, with a structural component in the form of policies governing the additional computation and a topological component in the form of basic computational topologies; an enhanced method for constructing flow matching trajectories based on non-linear velocity profiles was developed, numerical integration schemes for such trajectories and techniques for adapting already trained models without retraining were substantiated; the method was experimentally validated on image generation tasks against constant-velocity flow matching; and its applicability beyond image generation was assessed using electrocardiogram synthesis as a case study. The formalisation of generative models as distribution transformation functions and the construction of the generalised model of the generative process were carried out using methods of probability theory and mathematical analysis. The trajectory discretisation schemes and the analysis of their error were grounded in methods of the theory of ordinary differential equations and numerical integration. The model of inference-time scaling was built and the basic computational topologies were identified using methods of systems analysis and formalisation. Velocity profiles for given boundary conditions were constructed using methods of approximation theory and polynomial interpolation. The training and adaptation of neural network flow matching models were performed using methods of optimisation and gradient-based learning. The quality of generation and the computational cost of the proposed approach were evaluated by computational experiment on the CIFAR-10, DrawBench, Parti, and PTB-XL datasets using the FID and CLIPScore metrics, dynamic time warping, and the Wasserstein distance. The scientific novelty of the obtained results consists in the development of a generalised model of the generative process and a structural-topological model of inference-time scaling, as well as an enhanced flow matching method with nonlinear velocity profiles. The proposed models are based on presenting generative models as probability-distribution transformation functions and on decomposing inference-time scaling by governing policies and computational topology, which made it possible to systematically compare generative models of different classes and to relate, in common terms, scaling methods from different areas of machine learning. The enhanced method is based on replacing the constant target vector field x1 - x0 with the time-dependent vector field v(t) (x1 - x0) defined by the velocity profile and is independent of the network architecture and the data modality, which made it possible to improve generation quality at a small number of integration steps and to accelerate training convergence. Methods for retuning the integration schedule at the inference stage were further developed: the integration grid of flow matching models is defined by the velocity profile, which made it possible to apply non-linear profiles to already trained models without retraining, both in image generation and in the synthesis of one-dimensional signals, with electrocardiograms as a case study. The practical value of the obtained results is determined by the fact that the proposed models and methods make it possible to build generation algorithms that require fewer evaluations of the neural network and do not call for changes to the model architecture, as well as algorithms for augmenting training sets. The applied value of these algorithms rests on three properties: schedule re-tuning is applicable to already trained models without retraining, so generation is accelerated at minimal adoption cost; the algorithms are independent of architecture and data modality; reducing the number of network evaluations directly lowers computational cost, energy consumption, and response time, broadening the applicability of generative models in resource-constrained and interactive settings. These advantages are confirmed quantitatively: on CIFAR-10, when training from scratch, the decelerating coasting profile lowers FID by 17:4% at four integration steps relative to the linear baseline, and when adapting a pretrained model without retraining – by up to 19:8%; decelerating profiles additionally speed up training convergence, reaching the final quality of the linear variant in about a quarter of the training budget; on the large-scale latent model Stable Diffusion 3.5, at a small number of steps the symmetric ease-in-out profile increases CLIPScore on the Parti and DrawBench prompt sets; in electrocardiogram synthesis, FlowECG preserves generation quality at 10–25 steps, whereas the baseline diffusion model SSSD-ECG requires about 200 steps; augmenting the PTB-XL training set with synthetic signals raises the macro-averaged AUC of a classifier ensemble on the diagnostic task from 0:9387 to 0:9502. The results of the dissertation have been introduced into the educational process of Cherkasy State Technological University and Bohdan Khmelnytsky National University of Cherkasy. On the topic of the dissertation, ten scientific works have been published, including two articles indexed in the Scopus scientometric database, four articles in category B professional scientific journals of Ukraine, three conference abstracts at national and international scientific conferences, and one article preprint deposited in the arXiv repository. 2026-10-10T00:00:00Z https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9521 Title: Метод синтезу CET-операцій на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією Authors: Підласий, Дмитро Андрійович Abstract: Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 123 «Комп`ютерна інженерія». – Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2026. Дисертаційна робота присвячена підвищенню варіативності малоресурсних потокових шифрів випадкової підстановки за рахунок розробки і впровадження методу синтезу СЕТ-операцій на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією, які забезпечують можливість подвійного управління процесом криптографічного перетворення як від ключової послідовності, так і від вхідної інформації, при збільшенні кількості таблиць підстановки, що реалізуються в криптоалгоритмі. У першому розділі за результатами аналізу областей застосування малоресурсного комп’ютеризованого захисту цифрової інформації була встановлена необхідність розширення і впровадження засобів малоресурсної криптографії. Проведений аналіз методів та засобів малоресурсного захисту інформації показав, що більшість малоресурсних криптоалгоритмів фактично є спрощеними версіями відомих повноцінних криптографічних алгоритмів. Проведено огляд публікацій по одному із перспективних напрямків малоресурсної криптографії – СЕТ-шифруванню, яке базується на використанні таблиць підстановок, представлених дискретними моделями. На основі проведеного аналізу сучасного стану і перспектив розвитку СЕТ-шифрування було сформульовано мету і завдання дисертаційного дослідження. В другому розділі на основі дискретних моделей елементарних функцій операцій, керованих інформацією, отриманих за результатами обчислювального експерименту, побудовані дискретно-алгебраїчні моделі елементарних функцій операцій, керованих інформацією. Визначена основна властивість елементарних функцій операцій, керованих інформацією, яка полягає в тому, що вибір операції логічного додавання або логічного множення двох вхідних Сі-квантів інформації визначається значенням третього управляючого Сі-кванта вхідної інформації. Встановлено, що для управління вибором логічної операції, яка визначає результат перетворення вхідної інформації елементарною функцією операції керованою інформацією, може бути використано будь який вхідний Сі-квант інформації. На основі зміни управляючих Сі-квантів інформації запропоновано технологію багатоваріантного синтезу дискретно-алгебраїчних моделей елементарних функцій операцій, керованих інформацією. На прикладі дискретно-алгебраїчного опису елементарних функцій розроблено багатоваріантний метод синтезу моделей елементарних функцій операцій, керованих інформацією. Для спрощення процесів подальшого дослідження синтезу і аналізу СЕТ-операцій, побудованих на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією, запропоновано використання дискретно-казуальних моделей елементарних функцій. Встановлено, що використання дискретно-казуального опису дозволяє будувати багатоваріантні дискретно-казуальні моделі елементарних функцій на основі розробленого методу синтезу моделей елементарних функцій операцій, керованих інформацією. В третьому розділі в процесі дослідження встановлено, що кожну СЕТ-операцію, побудовану на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією, можна представити за допомогою 27 моделей операції при використанні 27 варіантів послідовності ключових елементів. Аналіз результатів обчислювального експерименту по моделюванню СЕТ-операцій на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією дозволив запропонувати підхід до побудови базової групи СЕТ-операцій, яка містить лише симетричні операції. Побудова базової групи з лише симетричних СЕТ-операцій суттєво зменшує обсяг дослідження через зняття потреби в пошуку обернених СЕТ-операцій, адже прямі і обернені операції співпадають. Для оцінки різних варіантів побудови базової групи і результатів іх реалізації запропоновано використовувати критерій простоти побудови і критерій відмінності відповідних елементарних функцій в СЕТ-операціях. Запропоновано моделі синтезу базової групи СЕТ-операцій на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією за критерієм простоти їх побудови. Запропоновано моделі синтезу базової групи СЕТ-операцій на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією за критерієм відмінності відповідних елементарних функцій. Запропоновано моделі синтезу групи СЕТ-операцій на основі варіантів поєднання операцій базової групи з операціями перестановки елементарних функцій і операціями інверсії елементарних функцій. Отримані моделі покладено в основу удосконалення методу синтезу 3Сі-квантових однооперандних СЕТ-операцій. В четвертому розділі на основі узагальнення особливостей дискретно-казуального моделювання двохоперандних СЕТ-операції перестановок керованих інформацією запропоновано моделювання двохоперандних СЕТ-операції на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією реалізовувати шляхом поєднання в кортежі симетричних однооперандних операцій. Поєднання симетричних СЕТ-операцій забезпечує зменшення ресурсів криптографічної системи. Для побудови систем потокового шифрування на основі однієї двохоперандної СЕТ-операції і групи модифікованих СЕТ-операцій доцільно синтезувати двохоперандні СЕТ-операції на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією на основі критерію відмінності відповідних елементарних функцій та простоти побудови базової групи однооперандних СЕТ-операцій. Запропоновано послідовність перетворень кортежу однооперандних операцій, реалізація якої забезпечила синтез дискретно-казуальної моделі двохоперандної СЕТ-операції на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією за критерієм простоти побудови базової групи однооперандних СЕТ-операцій. Побудовано дискретно-казуальну модель двохоперандної СЕТ-операції на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією за критерієм відмінності відповідних елементарних функцій. Встановлено особливості синтезу цих моделей СЕТ-операцій. Досліджено особливості побудови криптографічних систем, які реалізують СЕТ-операції на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією. Через неспіврадання розрядностей відображення алфавіту і розрядності блоку перетворення, такі СЕТ-операції забезпечують міжсимвольне перемішування та розсіювання біт вхідної інформації. Реалізація цих СЕТ-операцій забезпечила можливість подвійного управління процесом криптографічного перетворення від ключової послідовності і від вхідної інформації. Побудовані криптографічні системи, які реалізують симетричні двохоперандні СЕТ-операціі на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією для перетворення 3Сі-квантів інформації (3 біт інформації), забезпечують можливість збільшення кількості використаних в процесі шифрування модифікованих таблиць підстановок до 192. За результатами тестування побудованих криптографічних систем, стійкість шифрограм до статистичного криптоаналізу відповідає вимогам методики NIST STS. Наукова новизна отриманих результатів: 1. вперше запропоновано метод синтезу елементарних функцій операцій, керованих інформацією, на основі відомих дискретних моделей елементарних функцій, отриманих за результатами обчислювального експерименту, за допомогою встановлення і формалізації взаємозв’язків між дискретними змінними, що забезпечило можливість побудови повних множин дискретно-алгебраїчних і дискретно-казуальних моделей елементарних функцій операцій, керованих інформацією для спрощення подальшого дослідження синтезу СЕТ-операцій на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією; 2. вперше побудовано метод синтезу 3Сі-квантових СЕТ-операцій на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією шляхом синтезу базових груп симетричних однооперандних СЕТ-операцій за критерієм простоти їх побудови та критерієм відмінності відповідних елементарних функцій, багатоваріантного представлення СЕТ-операцій дискретно-казуальними моделями, мінімізації взаємозв’язків в кортежі однооперандних СЕТ-операцій при побудові двохоперандної СЕТ-операції, що забезпечило можливість подвійного управління процесом криптографічного перетворення при зменшенні складності реалізації СЕТ-операцій. 3. удосконалено системи потокового шифрування на основі випадкових підстановок шляхом застосування двохоперандних СЕТ-операції на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією і генераторів модифікованих СЕТ-операцій, що забезпечило можливість подвійного управління процесом криптографічного перетворення від ключової послідовності і від вхідної інформації, збільшило кількість таблиць підстановки до 192 (кількість СЕТ-операцій в групі операцій на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією) для перетворення 3 Сі-квантів інформації (3 біт інформації). Стійкість результатів шифрування до статистичного криптоаналізу відповідає вимогам методики NIST STS. Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність роботи полягає в отриманні придатних в практиці побудови комп`ютерних криптографічних систем з нових моделей і операцій криптоперетворення їх функціональних схем і криптоалгоритмів для реалізації СЕТ-операцій на основі елементарних функцій операцій, керованих інформацією. Загалом, отримані практичні результати забезпечують побудову криптографічних систем з подвійним управлінням процесом криптографічного перетворення, збільшують варіативність криптоалгоритмів шляхом використання 192 таблиць підстановки для перетворення 3 Сі-квантів інформації (трьох біт інформації) Для побудови симетричних двохоперандних СЕТ-операцій може бути виконистано 4096 варіантів базових групп, які містять лише симетричні однооперандні СЕТ-операції. На основі реалізації побудованими двохоперандними СЕТ-операціями псевдовипадкових міжсимвольних перетворень і розсіювання символів досягається стійкість результатів шифрування до статистичного криптоаналізу відповідно до методики NIST STS. Результати дисертаційного дослідження Підласого Дмитра Андрійовича, а саме удосконалена система комп'ютерного потокового шифрування на основі випадкових підстановок операцій, керованих інформацією, використані при розробці макету захищеної системи дистанційного управління наземним самохідним роботизованим комплексом. Впроваджена система потокового шифрування реалізована на рівні програмного модуля системи управління роботизованим комплексом "MOROZ-02L".; Thesis for the level of higher education – Doctor of Philosophy on Specialty 123 – “Computer Engineering”. – Cherkasy State Technological University, Cherkasy, 2026. The following thesis is dedicated to increasing the variability of lightweight stream ciphers of random substitutions by developing and implementing a method of synthesis of CET operations based on elementary functions of data-controlled operations, capable of enabling dual control of cryptographic transformation by both the key sequence and incoming data. The thesis also studies the systems’ possible modifications for increasing the number of substitution tables in the cryptographic algorithm. The first section explains the necessity of expanding and implementing lightweight cryptography according to the analysis of the state of modern computerized lightweight data security. Studying the methods of lightweight cryptography allows us to conclude that the majority of lightweight cryptographic algorithms are, in fact, simplified versions of the existing contemporary cryptographic algorithms. We have also analyzed modern research papers dedicated to one of the most prominent branches of lightweight cryptography, specifically the CET encryption, which revolves around the application of substitution tables in the form of discrete models. Summarizing this analysis of both the contemporary state and development opportunities of CET encryption, we have defined the purposes and objectives of this thesis. The second section describes the discrete and algebraic models of elementary functions of data-controlled operations. The models were created based on discrete models of elementary functions of data-controlled operations, acquired in the end of the conducted simulation experiment. We have defined the primary attribute of elementary functions of data-controlled operations: selecting an operation of logical addition or logical multiplication of the two incoming data Ci-quanta is determined by the value of the third controlling Ci-quantum of incoming data. Further discovery shows that any incoming data Ci-quantum can be used for selecting a logical operation for determining the result of transforming the incoming data by an elementary function of data-controlled operation. A multiple-option synthesis technology of discrete and algebraic models of elementary functions of data-controlled operations is described. The technology is based on the alteration of the controlling data Ci-quanta. Furthermore, a multiple-option synthesis method for models of elementary functions of data-controlled operations is developed using a discrete and algebraic description of elementary functions as an example. We also suggested using discrete and casual models of elementary functions to simplify further research related to the synthesis and analysis of CET operations, created based on elementary functions of data-controlled operations. In conclusion, the utilization of discrete and casual description enables the creation of multiple-option discrete and casual models of elementary functions. The process is based on the developed method used for the synthesis of models of elementary functions of data-controlled operations. We describe our findings regarding CET operations in the third section. During our research, we have established that any CET operation, created based on elementary functions of data-controlled operations, can be described by the 27 operation models with 27 options of key elements sequences. Having analyzed the results of the conducted simulation experiment related to the modeling of CET operations based on elementary functions of data-controlled operations, we have defined a new approach to creating a base group of CET operations. This new group consists of symmetric operations only. Building a base group out of symmetric CET operations only greatly reduces the complexity of our research by making the task of searching for inverse CET operations obsolete, since both direct and inverse operations correlate. We have proposed to use creation simplicity criterion and discrepancy criterion of the relevant elementary functions in CET operations for evaluating different options for creating the base group and the results of their implementation; In addition, the following synthesis models are described and suggested for use: synthesis model for the base group of CET operations based on elementary functions of data-controlled operations with respect to creation simplicity criterion; synthesis model for the base group of CET operations based on elementary functions of data-controlled operations with respect to discrepancy criterion of the relevant elementary functions; synthesis model for a group of CET operations based on different combinations of operations from the base group with permutation operations of elementary functions and inversion operations of elementary functions. The acquired models have become the foundation for improving the method used for the synthesis of 3Ci-quanta one-operand CET operations. In the final fourth section, we analyze and suggest the method of modeling the two-operand CET operations based on elementary functions of data-controlled operations by combining symmetric one-operand operations within a tuple. Generalization of attributes related to discrete and casual modeling of two-operand CET operations of data-controlled permutations serves as the base of our suggestion. Overall, combining symmetric CET operations makes cryptographic systems lighter. We suggest synthesizing two-operand CET operations based on elementary functions of data-controlled operations and creation simplicity criterion of the base group of one-operand CET operations and discrepancy criterion of the relevant elementary functions. This is useful for the development of stream encryption systems based on one two-operand CET operation and a group of modified CET operations. We have described the transformation sequence of a tuple of one-operand operations. Executing this sequence enables the synthesis of discrete and casual model of a two-operand CET operation based on elementary functions of data-controlled operations with respect to the creation simplicity criterion of the base group of one-operand CET operations. We have then developed the discrete and casual models of a two-operand CET operation based on elementary functions of data-controlled operations with respect to the discrepancy criterion of the relevant elementary functions. We have also defined the peculiarities of synthesizing these models of CET operations. The attributes related to the development of cryptographic systems used for implementing CET operations based on elementary functions of data-controlled operations are present among the researched topics as well. Discrepancy in bitness of the alphabet and the transformation block enables the usage of these CET operations for conducting intersymbol mixing and dispersion of the incoming data bits. When executed properly, they are also applicable for dual control of cryptographic transformation by both the key sequence and incoming data. Overall, the created cryptographic systems, which execute symmetric two-operand CET operations based on elementary functions of data-controlled operations to transform 3 data Ci-quant (3 data bits), provide options to increase the number of modified substitution tables, utilized during encryption, to 192. The results of testing the created cryptographic systems show resistance of cryptograms to static cryptographic analysis according to NIST STS. Scientific novelty of the acquired results: 1. In this work, we have introduced a novel method for synthesizing the elementary functions of data-controlled operations based on the known discrete models of elementary functions, which we acquired at the end of the conducted simulation experiment by defining and formalizing the connections between discrete variables. This enabled the creation of full sets of both discrete and algebraic, as well as discrete and casual models of elementary functions of data-controlled operations, thus simplifying further research related to the synthesis of CET operations based on elementary functions of data-controlled operations; 2. We have created a method for synthesizing the 3Ci-quanta CET operations based on elementary functions of data-controlled operations. This was achieved by synthesizing the base groups of symmetric one-operand CET-operations based on several criteria, specifically the criteria of simplicity and discrepancy of the relevant elementary functions; by multi-option presentation of CET-operations through discrete and casual models; by minimizing the relationships in a tuple of single-operand CET-operations during creation of a two-operand CET-operation. This enabled the option for executing the dual control of a cryptographic transformation while simultaneously decreasing the execution complexity of a CET-operation; 3. Finally, we have improved the stream encryption systems based on random substitutions by implementing two-operand CET operations based on elementary functions of data-controlled operations and generators of the modified CET-operations. This enabled the option for executing the dual control of cryptographic transformation by both the key sequence and incoming data, as well as increased the number of substitution tables that are used to transform 3 data Ci-quanta (3 data bits) to 192 (number of CET operations in a group of operations based on elementary functions of data-controlled operations). Overall, the encryption results are resistant to static cryptographic analysis according to NIST STS. Practical application of the acquired results: The practical significance of this paper lies in the acquired functional schemes and cryptographic algorithms for the execution of CET operations based on elementary functions of data-controlled operations. Both of these are applicable for usage in the creation of computer cryptographic systems with new models and operations of cryptographic transformation. Overall, the acquired results enable the creation of cryptographic systems with dual control over the cryptographic transformation, and increase the variability of cryptographic algorithms by using 192 substitution tables for the transformation of 3 data Ci-quanta (3 data bits). Symmetric two-operand CET operations are possible to create by using 4096 options of base groups consisting of symmetric one-operand CET operations only. The aforementioned resistance of the encryption results to static cryptographic analysis according to NIST STS is achieved based on the execution of the pseudorandom intersymbol transformations and symbol dispersion by the created two-operand CET operations. The results, described by Pidlasyi Dmytro Andriiovych in their thesis, specifically the improved computer stream encryption system based on random substitutions of data-controlled operations, were practically applied in the development of a model of secured system for remote control of a robotic unmanned ground vehicle (UGV). The stream encryption system in question is implemented at the level of a software unit, used for control of the robotic system MOROZ-02L. 2026-06-11T00:00:00Z https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9520 Title: Метод адаптивного логування комп'ютерних систем та програм Authors: Супруненко, Ілля Олександрович Abstract: Супруненко І.О. Метод адаптивного логування комп'ютерних систем та програм. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 123 «Комп`ютерна інженерія». – Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2026. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-технічного завдання з підвищення рівня спостережності та оперативності контролю роботи комп'ютерних систем та програм за рахунок розробки та впровадження методу адаптивного логування. У першому розділі за результатами аналізу поточного рівня розвитку та місця комп'ютерів і програмного забезпечення в сучасному житті, а також деяких із найбільш гучних кіберінцидентів останніх років, була встановлена необхідність забезпечення належного рівня інформаційної безпеки розроблюваних систем та програм. Проведений аналіз показав, що деякі напрями кібербезпеки представлені більш повно (як у випадку широкого вибору та доступності антивірусного програмного забезпечення чи можливості використовувати технології віртуальних приватних мереж для конфіденційної роботи із віддалених пристроїв), в той час як аспект спостережності потребує глибшого дослідження. На основі проведеного аналізу сучасного стану програмних засобів забезпечення аспекту спостережності було сформульовано мету і завдання дисертаційного дослідження. У другому розділі на основі формалізації функції логування базового методу, що орієнтований лише на критичність, було представлено базові функції логування та реініціалізації методу адаптивного логування. Відповідно до проведеного порівняння, керуючись міркуваннями створення архітектури, яка матиме змогу бути застосованою в більшій кількості платформ, середовищ та мов програмування, носієм для сигналу реініціалізації було обрано механізм міжпроцесових сигналів операційної системи Linux. Програмну архітектуру імплементації методу адаптивного логування запропоновано здійснювати з використанням патернів програмування Фасад, що дозволить використовувати довільний спосіб безпосередньої взаємодії із системами введення-виведення операційних систем, написаних самостійно чи на основі існуючих перевірених рішень, та Синглтон, завдяки якому досягається єдиність та одночасність функціонування як процесу логування, так і процесу реініціалізації імплементації методу адаптивного логування. В третьому розділі були розширені формальні основи моделей сигнатур логування та реініціалізації з подальшим включенням динамічного варіанту повідомлення, що був створений з використанням можливостей сучасних мов програмування до формування виконуваного коду безпосередньо в процесі роботи програми, що далу більшу гнучкість при роботі з компонентами системи, деталі роботи яких не є фіналізованими і можуть потребувати глибшої відладки вже будучи розгорнутими у відповідному середовищі розробки на віддалених потужностях. Для зменшення ризиків некоректного та зловмисного використання даної можливості було проведено дослідження різних підходів до аналізу поведінки виконуваного коду та обрано механізм аналізу абстрактних синтаксичних дерев вихідного коду за допомогою валідації через JSON-схеми. Обраний механізм валідації було додано до складових конфігураційного словника та передбачено можливість змінювати критерії перевірки не впливаючи на програмні компоненти системи. Оновлені моделі сигнатур методу адаптивного логування, доповнені динамічним варіантом повідомлення, були представлені у вигляді фіналізованої архітектури методу адаптивного логування. В четвертому розділі, використовуючи можливості інфраструктури провайдера хмарних послуг Amazon Web Services, було продемонстровано приклад розгортання методу адаптивного логування та процес взаємодії з системою через адміністративний інтерфейс. Імплементація аспектів аутентифікації, які були винесені за межі формальних основ методу адаптивного логування, була здійснена з використанням можливостей програмного забезпечення Session Manager сервісу Systems Manager. Процедура розгортання з використанням технології контейнеризації очікувано підтвердила простоту та ідентичність розгортання і застосування процедури реініціалізації як на локальній машині розробника, так і на віддаленому сервері. Також було проведено обчислювальний експеримент для безпосереднього порівняння базового підходу до логування з методом адаптивного логування, результати якого підтвердили перевагу методу адаптивного логування над базовим, що спирається лише на критичність. В питанні підвищення рівня спостережності це було досягнуто за рахунок збільшення частки лог-записів після реініціалізації у відповідності до нових вимог, а підвищення оперативності контролю було досягнуто завдяки виключенню необхідності перезапуску системи для застосування оновленої конфігурації логування. Наукова новизна отриманих результатів: - вперше побудовано моделі сигнатур адаптивного логування за рахунок формалізації і вдосконалення сигнатур базової моделі логування, яка орієнтується лише на критичність, та створення можливості реініціалізації процесів, що забезпечило підвищення рівня точності логування; - вперше побудовано метод адаптивного логування на основі логування повідомлень шляхом застосування моделей сигнатур та динамічного варіанту повідомлень, що забезпечило підвищення рівня спостережності та оперативності сигналювання про непередбачувані та критичні ситуації в роботі систем та програм; - отримали подальший розвиток методи контролю роботи програм для хмарних обчислень за рахунок впровадження методу адаптивного логування з використанням хмарних сервісів. Практична цінність роботи полягає в доведенні розробленного підходу, до алгоритмів, функціональних схем і методики застосування, що в сукупності дозволяють отримати вищий рівень деталізації та інформативності стосовно процесів, які відбуваються під час виконання програмного коду Запропоновані автором для використання модулі програмного забезпечення, були підібрані таким чином, щоб мати можливості для імплементації в якомога більшій кількості платформ, мов програмування та середовищ виконання програмного коду. Для отриманого за результатами дослідження варіанту методу адаптивного логування з динамічними повідомленнями розроблено ескізний зразок модуля впровадження на інфраструктурі провайдера хмарних послуг Amazon Web Services, із врахуванням аспектів належного рівня безпеки при взаємодії користувачів з адміністративним рівнем доступу, а також простоту та прогнозованість переносу артефактів готової системи між різними середовищами розробки. За результатами обчислювального експерименту при порівнянні з базовим алгоритмом логування, що спирається лише на критичність, було отримано збільшення інформативності результуючих лог-записів на 31% у відповідності до виконання задачі відлагодження конкретного компоненту системи. Водночас окрема можливість вказати рівень критичності, вище якого застосування фільтрації є небажаним, дозволило зберегти всі повідомлення про помилки із решти компонентів системи, що не перебували у фокусі уваги. Порівнюючи два аналогічних сценарії реініціалізації було продемонстровано, що зменшення кількості надлишкових повідомлень у випадку адаптивного методу склало 61.3%, що на 0.7% більше, ніж для базового варіанту. Також втрата клієнтських повідомлень, що склала 14% при реініціалізації базового варіанту, була цілком відсутня у випадку з адаптивним методом, оскільки запропонована архітектура більш придатна для сценарію адаптації до змін у вимогах логування при активній роботі системи. Результати дисертаційного дослідження, а саме метод адаптивного логування з динамічним варіантом повідомлень та підсистемою валідації, були використані для контролю коректності розробки програмного забезпечення системи дистанційного управління наземним самохідним роботизованим комплексом виробництва ТОВ “МОРОЗ ТЕХ”.; Suprunenko I.O. Adaptive logging method of computer systems and programs. – Qualification scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 123 "Computer Engineering". – Cherkasy State Technological University, Cherkasy, 2026. The dissertation is dedicated to solving the scientific and technical problem of increasing the level of observability and efficiency of the control of operation of computer systems and programs through the development and implementation of the adaptive logging method. In the first section, based on the analysis of the current level of development and the place of computers and software in modern life, as well as some of the most impactful cyber incidents of recent years, the necessity to ensure the proper level of information security of systems and programs, that are being developed, was established. The analysis showed that some areas of cybersecurity are represented more extensively (as in the case of a wide variety and availability of antivirus software or the ability to use virtual private network technologies for confidential work from remote devices), while the aspect of observability requires deeper research. Based on the analysis of the current state of software tools for ensuring the aspect of observability, the goal and objectives of the dissertation research were formulated. In the second section, based on the formalization of the logging function of the basic method, focused only on severity, the basic logging and reinitialization functions of the adaptive logging method were presented. According to the comparison, in order to design an architecture that wold be applicable in a larger number of platforms, environments and programming languages, the interprocess signaling mechanism of the Linux operating system was chosen as the carrier for the reinitialization signal. The software architecture for implementing the adaptive logging method is proposed to be developed using the Facade programming pattern, which would allow to use any method of interaction with the input-output systems of operating systems, written independently or based on existing tested solutions, and Singleton, which would allow for unified and simultaneous functioning of both the logging process and the reinitialization procedure of the implementation of the adaptive logging method. In the third section, the formal foundations of the logging and reinitialization signature models were expanded with the subsequent inclusion of a dynamic message variant, which was created using the capabilities of modern programming languages to generate executable code directly during the program operation, which provided greater flexibility when working with system components, the details of which are not yet finalized and may require deeper debugging while already deployed in the appropriate development environment on remote resources. To reduce the risks of incorrect and malicious use of this feature, a comparison of different approaches to analyzing the behavior of executable code was conducted and a mechanism for analyzing abstract syntax trees of the source code using validation via JSON schemas was selected. The selected validation mechanism was added to the components of the configuration dictionary and provided the ability to change the verification criteria without affecting the software components of the system. Updated signature models of the adaptive logging method, enhanced by the dynamic message variant, were presented as a finalized architecture of the adaptive logging method. In the fourth section, using the capabilities of infrastructure of the cloud service provider Amazon Web Services, an example deployment of the adaptive logging method and the process of interacting with the system through the administrative interface was demonstrated. The implementation of authentication aspects that were extracted out of the formal foundations of the adaptive logging method was accomplished using the capabilities of the Session Manager software of the Systems Manager service. The deployment procedure using containerization technology, as expected, confirmed that both the deployment and invocation of the reinitialization procedure were simple and identical on the developer's local machine and on the remote server. A computational experiment was also conducted to compare the basic logging approach with the adaptive logging method directly, the results of which confirmed that the adaptive logging method is an improvement over the basic, based only on the severity, as it was shown to increase the level of observability, increasing the proportion of log entries after reinitialization in accordance with new requirements, and the efficiency of control, which was achieved by eliminating the need to restart the system to apply the updated logging configuration. Scientific novelty of the obtained results: - for the first time, adaptive logging signature models were developed by formalizing and improving the signatures of the basic logging model, with an orientation only on severity, and creating the possibility of processes reinitialization, which ensured an increase in the level of logging accuracy; - for the first time, an adaptive logging method was developed based on logging of messages utilizing new signature models and a dynamic message variant, which ensured an increase of the observability level and efficiency of signaling about unpredictable and critical situations in the operation of systems and programs; - methods for controlling the operation of cloud-based programs were further developed by implementing the adaptive logging method using cloud services; The practical value of the work lies in development of algorithms, functional schemes and application methodology, which alltogether allow to obtain a higher level of detail and informativeness regarding the processes that occur during the execution of the program code. The software modules proposed by the author for use were developed in such a way so that it is possible to implement those in as many platforms, programming languages and execution environments as possible. For the adaptive logging method with dynamic message variant developed as the result of the study, an example implementation utilizing the infrastructure of the cloud service provider Amazon Web Services was developed, taking into account the aspects of the appropriate level of security during user interaction with the administrative level capabilities, as well as the simplicity and predictability of transferring artifacts of the finished system between different development environments. According to the results of the computational experiment, when compared with the basic logging algorithm, which relies only on severity, an increase in the informativeness of the resulting log records by 31% was observed in accordance with the task of debugging a specific system component. At the same time, a separate capability to specify the severity level above which the application of filtering is undesirable allowed to preserve all error messages from other system components that were not in the focus of attention. Comparing two similar reinitialization scenarios, it was demonstrated that the reduction in the number of redundant messages in the case of the adaptive method was 61.3%, which is 0.7% more than for the basic variant. Also, the loss of client messages, which amounted to 14% when reinitializing the basic variant, was completely absent in the case of the adaptive method, since the proposed architecture is more suitable for the scenario of adapting to changes in logging requirements during active system operation. The results of the dissertation research, namely the adaptive logging method with a dynamic message variant and a validation subsystem, were used to control the correctness of the development of the software for the remote control system of a ground-based self-propelled robotic complex developed by MOROZ TECH LLC. 2026-06-11T00:00:00Z https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9516 Title: Методи та засоби оцінювання дизайну інтерфейсу мобільних додатків на основі використання технології відслідковування погляду Authors: Решетняк, Валентин Валентинович Abstract: Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі підвищення ефективності оцінювання зручності користування мобільними інтерфейсами шляхом розробки методів та програмного засобу мобільного айтрекінгу на основі фронтальної камери смартфона. Стрімке зростання кількості мобільних додатків та користувачів смартфонів висуває підвищені вимоги до якості інтерфейсів та обумовлює потребу в об’єктивних інструментах оцінки їх зручності. Існуючі методи юзабіліті-тестування переважно базуються на суб’єктивних оцінках (опитувальники, інтерв’ю, експертна оцінка) та не завжди відображають реальну поведінку користувачів. Технологія відслідковування погляду (eye-tracking) дозволяє вимірювати когнітивні процеси в режимі реального часу, проте її застосування у дослідженнях мобільних інтерфейсів обмежене високою вартістю спеціалізованого обладнання, необхідністю фіксації положення пристрою та відсутністю цілісної методики оцінювання. У першому розділі дисертації проведено аналіз сучасного стану технологій айтрекінгу. Розглянуто основні типи апаратних комплексів для відслідковування погляду: настільні трекери, мобільні окуляри, а також системи для віртуальної та доповненої реальності. Окремо проаналізовано мобільний та веб-камерний айтрекінг. Досліджено параметри, що впливають на якість відслідковування і алгоритми виявлення фіксацій: роздільність камери, частоту кадрів, точність, кучність, латентність синхронізації, час відновлення погляду та ергономічні характеристики. Проведено класифікацію та аналіз методів локалізації очей. Це охоплює підходи на основі форми, особливостей форми та зовнішнього вигляду. Проаналізовано також методи гейз-трекінгу. Розглянуто алгоритми виявлення фіксацій: I-VT (за порогом швидкості), I-DT (за порогом розсіювання) та I-HMM (на основі прихованих моделей Маркова). Встановлено, що жодне з розглянутих рішень не поєднує мобільну платформу на базі стандартної фронтальної камери з формалізованою методикою аналізу, адаптованою до різних типів екранів. На основі виявлених обмежень сформульовано задачі дослідження. У другому розділі розроблено два методи оцінювання дизайну мобільних інтерфейсів на основі айтрекінгу. Перший метод орієнтований на статичні екрани: визначено систему метрик візуальної уваги, запропоновано класифікацію типів екранів мобільних додатків із визначенням пріоритетних зон інтересу для кожного типу та описано шестиетапний процес проведення дослідження. Методологічну відмінність від існуючих протоколів становить те, що тип екрану і склад AOI визначаються до початку збору даних, а суб’єктивне оцінювання зручності проводиться після кожного окремого завдання, що дає змогу безпосередньо зіставити об’єктивні метрики погляду з враженнями учасника. Другий метод орієнтований на динамічні екрани: екрани з прокручуванням, навігаційними переходами, відеоконтентом та анімованими елементами. Для таких екранів введено поняття часової зони інтересу, прив’язаної до координат повного документа і тайм-кодів; визначено метрики охоплення і залученості; алгоритм обробки даних розширено трьома операціями попередньої обробки. Цей метод описано і теоретично обґрунтовано, його емпірична валідація визначена як напрям подальших досліджень. Формалізовано правило прийняття рішення про якість дизайну, що зводить показники візуальної уваги до єдиного комплексного показника з урахуванням вагомості критеріїв, визначеної експертно для кожного типу екрана. У третьому розділі описано проєктування та реалізацію програмного засобу EyeSense – кросплатформеного мобільного додатка на Flutter/Dart для проведення айтрекінг-досліджень на основі фронтальної камери з використанням Eyedid SDK. Реалізовано алгоритми згладжування координат погляду, виявлення фіксацій методом I-DT, побудови теплових карт і маршрутів погляду. Передбачено п’ятиточкове калібрування та хмарне збереження анонімізованих даних, що дає змогу проводити польові дослідження без прив’язки до лабораторного середовища. Обробка координат погляду реалізована дворівневим конвеєром: EMA-буфер усуває шумові коливання сирих координат і дискретизує сигнал з кроком 150 мс, тоді як модифікований алгоритм I-DT розбиває безперервний потік точок погляду на дискретні фіксації з мінімальною тривалістю 150 мс і порогом розсіювання 30 пікселів. У хмарне сховище Firebase потрапляють лише анонімізовані координати, теплові карти та демографічні метадані (UUID, вік, стать, без імені), що відповідає вимогам платформи Prolific щодо конфіденційності учасників. Функція очищення профілю між сесіями робить можливим масштабні польові дослідження на одному пристрої за будь-якого розміру вибірки. У четвертому розділі проведено експериментальне дослідження розподілу візуальної уваги на типових екранах мобільних додатків з використанням розробленого методу та програмного засобу EyeSense. У дослідженні взяли участь 55 осіб віком від 20 до 60 років, рекрутованих через платформу Prolific, що забезпечило різноманітність вибірки за національністю, віком, статтю та цифровим досвідом. Учасники виконували завдання на трьох типових екранах: картці товару (e-commerce), екрані медичних результатів та навігаційній карті. Проведено аналіз за групами: за віком (молодші/старші 40 років) та за рівнем цифрової компетентності. Результати показали, що просторова ієрархія елементів є домінантним чинником розподілу уваги незалежно від характеристик користувача: елементи у верхній та центральній частинах екрану стабільно отримували найвищу увагу. Статистично значущих вікових відмінностей в об’єктивних метриках айтрекінгу (Tff, Tfd, Ff) не виявлено, однак старші учасники систематично гірше оцінювали зручність інтерфейсу в суб’єктивних анкетах, що вказує на недостатність поведінкових показників для повноцінної оцінки когнітивного навантаження. Розрив між суб’єктивними оцінками молодших і старших учасників становив від 0,24 до 0,58 бали за п’ятибальною шкалою, за відсутності будь-яких паралельних відмінностей в об’єктивних айтрекінг-метриках. Цифрова компетентність вплинула на стратегії взаємодії: досвідченіші користувачі спочатку зчитували контекстну інформацію (ціну, характеристики) і лише потім зверталися до елемента дії (CTA-кнопки), що корелювало з кращим розумінням інтерфейсу. Менш досвідчені користувачі частіше фіксувалися безпосередньо на кнопці дії, пропускаючи важливу контекстну інформацію. Виявлені закономірності розкриваються за допомогою ключових метрик. На екрані картки товару зона знижки (AOI 1) не отримала жодної фіксації у 33% учасників; медіанний час до першої фіксації для неї склав 3666 мс проти 1672 мс для блоку ціни, розташованого вище на тому ж екрані. На медичному екрані розрив виявився більшим: показник вітаміну D (нижня зона інтересу) залишився поза увагою у 54,5% учасників із Tff = 6563 мс, проти 3718 мс для глюкози у верхній зоні, попри однакову діагностичну значущість обох відхилень. На навігаційному екрані різниця стосувалася не стільки ієрархії уваги, скільки стратегії сканування: учасники з низькою цифровою компетентністю зверталися до курсора карти при медіанному Tff = 1206 мс, тоді як досвідченіші приймали навігаційне рішення лише після зчитування числових даних панелі (медіана Tff = 4652 мс). На всіх трьох екранах вертикальне розташування елемента виявилося надійнішим фактором ймовірності його фіксації, ніж функціональна пріоритетність. Поєднання об’єктивних метрик із суб’єктивними оцінками виявилося методологічно продуктивним підходом. На основі результатів сформульовано практичні дизайн-рекомендації щодо розташування критичних елементів, візуального контрасту CTA-кнопок, необхідності подвійної валідації для різних вікових груп та підвищеного виділення навігаційних елементів. Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному. Вперше розроблено модель інформаційної взаємодії користувача з мобільним інтерфейсом в умовах айтрекінг-дослідження, яка за рахунок формалізації процесу взаємодії у вигляді чотирифазного циклу (сенсорна реєстрація, візуальне декодування, когнітивне інтерпретування, поведінкова реакція) з трьома паралельними інформаційними каналами (візуальним, когнітивним і суб’єктивним) встановлює відповідність між кожною фазою та вимірюваними показниками айтрекінгу, що дозволяє локалізувати дизайн-проблему в конкретній частині взаємодії. Вперше розроблено метод оцінювання дизайну статичних мобільних інтерфейсів на основі айтрекінгу, який за рахунок використання фронтальної камери смартфона як єдиного апаратного сенсора, набору спеціалізованих метрик візуальної уваги та структурованої послідовності з шести етапів проведення айтрекінг-дослідження: (1) визначення об’єкта та цілей дослідження, (2) налаштування технічного середовища, (3) проведення експериментальної сесії, (4) збір та аналіз метрик погляду, (5) інтерпретація результатів, (6) формування рекомендацій і повторне тестування – дозволяє отримати об’єктивну оцінку дизайну інтерфейсу без використання спеціалізованого обладнання. Вперше розроблено метод оцінювання ефективності дизайну динамічних мобільних екранів, який за рахунок використання часової зони інтересу (T-AOI) з прив'язкою до координат повного документа і тайм-кодів, паралельної реєстрації стану інтерфейсу під час сесії та розширеного набору метрик охоплення і залученості (глибина, швидкість і кількість зупинок прокрутки), що реалізуються у шість послідовних етапів: (1) підготовка та розмітка T-AOI з документуванням динаміки, (2) налаштування середовища з організацією синхронізованого запису, (3) проведення сесії, (4) обробка даних із виключенням переходів та перерахунком координат у простір документа, (5) інтерпретація результатів із аналізом глибини прокрутки, (6) формування рекомендацій та верифікація змін, – що дозволяє коректно аналізувати розподіл візуальної уваги в сценаріях з динамічним контентом, де стандартна AOI, прив'язана до статичних координат екрану, не забезпечує повної картини взаємодії. Достовірність отриманих результатів забезпечена такими чинниками. По-перше вибірка з 55 учасників перевищує мінімальний поріг, обґрунтований у методологічній літературі з айтрекінгу, і має достатню статистичну потужність для виявлення міжгрупових ефектів. По-друге залучення через Prolific дало географічно та демографічно неоднорідну групу, що суттєво для методу, розрахованого на широке практичне застосування. По-треттє проведення експерименту з учасниками, які тримали власні пристрої на природній відстані перегляду, зберегло екологічну валідність; те, що дані залишилися придатними для стандартизованої постобробки, підтверджує: конвеєр стабільно працює в реальних умовах, а не лише в контрольованому середовищі. Практичне значення результатів полягає у створенні доступного інструментарію для оцінювання мобільних інтерфейсів, що не потребує спеціалізованого обладнання. Розроблені методи та програмний засіб EyeSense можуть використовуватися UX-дослідниками, розробниками мобільних додатків і викладачами дисциплін з проєктування інтерфейсів.; The dissertation addresses the problem of improving the efficiency of mobile interface usability evaluation by developing methods and a software tool for mobile eye-tracking using the smartphone’s front-facing camera. The rapid growth of mobile applications and smartphone users is placing increasing demands on UI quality and highlighting the need for objective usability assessment tools. Existing usability testing methods rely predominantly on subjective judgments – questionnaires, interviews, expert evaluation – and do not consistently capture actual user behavior. Eye-tracking technology records mental activities in real time, yet its application in mobile interface research remains limited by the high cost of specialized hardware, the need to fix the device’s position, and the lack of an extensive evaluation methodology. The first chapter analyses the current state of eye-tracking technologies. The main hardware categories are reviewed: desktop trackers, mobile glasses, and systems for virtual and augmented reality environments. Mobile and webcam-based eye-tracking are examined separately. Parameters affecting tracking quality are investigated, including camera resolution, frame rate, accuracy, precision, synchronization latency, gaze recovery time, and ergonomic characteristics, as well as algorithms for fixation detection. Eye localization methods are classified, covering shape-based, feature-based, and appearance-based approaches, as well as gaze-tracking techniques. Fixation detection algorithms are reviewed: I-VT (velocity threshold), I-DT (dispersion threshold), and I-HMM (hidden Markov model). The analysis shows that none of the reviewed solutions combines a mobile platform built on a standard front-facing camera with a formalized evaluation methodology adapted to different screen types. Research objectives are formulated based on the identified limitations. The second chapter presents two eye-tracking-based methods for evaluating mobile interface design. The first method targets static screens: a visual attention metric system is defined, a classification of mobile application screen types with prioritized areas of interest for each type is proposed, and a six-stage research process is described. The key methodological distinction from present protocols is that the screen type and AOI composition are fixed before data collection begins, and subjective usability ratings are collected after each task – thereby supporting direct comparison of objective gaze metrics with participant experience. The second method targets dynamic screens: screens with scrolling, navigational transitions, video content, and animated elements. For such screens, the concept of Temporal Area of Interest (T-AOI) anchored to full-document coordinates and timecodes is introduced; coverage and engagement metrics are defined (scroll depth, scroll velocity, scroll stops); and the data processing pipeline is extended with three mandatory pre-processing operations. This method is presented as a conceptual framework, and its experimental assessment is identified as a direction for further research. A decision rule for design quality assessment is formalized, aggregating visual-attention metrics into a single composite index with criteria weights determined by experts for each screen type. The third chapter describes the design and implementation of EyeSense – a cross-platform mobile application built on Flutter/Dart for conducting eye-tracking research using the front-facing camera with the Eyedid SDK. Algorithms for gaze coordinate smoothing, fixation detection via I-DT, and heatmap and scan-path generation are implemented. Five-point calibration and cloud storage of anonymized data are provided, enabling field research outside laboratory settings. Gaze signal processing is realized through a two-level pipeline in which raw coordinate noise is removed and sampled at 150 ms intervals in an EMA buffer (effective 6-7 Hz), while a modified I-DT algorithm has divided the continuous CP stream into discrete fixations with a minimum duration of 150 ms and at a threshold of 30 pixels. Firebase Cloud Storage only has anonymized coordinates, heatmaps, as well as demographical metadata (UUID, age, gender without names), and is complying with the requirements of Prolific's platform privacy. The fourth chapter reports an experimental study of the distribution of visual attention across representative mobile application screens, using the developed method and the EyeSense software tool. The study involved 55 participants aged 20 to 60, recruited via the Prolific platform, ensuring a diverse sample across nationalities, ages, genders, and levels of digital experience. Participants completed tasks on three screen types: a product card (e-commerce), a medical results screen, and a navigation map. Group-level analysis was performed by age (below/above 40) and digital competence level. Results showed that the spatial hierarchy of elements is the dominant factor in attention distribution, regardless of user characteristics: elements in the upper and central screen areas consistently attracted the most attention. No statistically significant age-related differences were found in objective eye-tracking metrics (Tff, Tfd, Ff); however, older participants systematically gave lower usability ratings in subjective questionnaires, indicating that behavioral measures alone are insufficient for assessing mental workload. The gap between the subjective ratings of younger and older participants ranged from 0.24 to 0.58 points on a five-point scale, with no parallel differences in objective eye-tracking metrics. Digital competence level shaped interaction strategies: more experienced users scanned contextual information (price, specifications) before engaging with the call-to-action element, which correlated with better interface comprehension, while less experienced users fixated on the action button directly, bypassing appropriate context. The session-clearing function allows for large-scale field research in one device with high participant pool sizes. Key figures for the quantitative profile of the patterns found are: Discount zone (AOI 1) was not fixed on 33% of patients on the product card screen; median Tff was 3666 ms in the discount zone, versus 1672 ms for the price block. On the screen for medical results, the vitamin D indicator (lower AOI) failed to achieve fixation in 54.5% of participants at a Tff of 6563 ms, versus 3718 ms for glucose, in the upper zone, with both deviations having equal diagnostic significance. Participants with low digital competence on navigation screen presented directing attention on map cursor at a median Tff of 1206 ms compared to more experienced users that made navigational decisions only after reading numeric data panel (median Tff = 4652 ms), which implies that vertical screen position is a more accurate predictor of fixation probability than functional priority. The combination of objective metrics and subjective ratings proved methodologically productive. Practical design recommendations are formulated for the placement of critical elements, the visual contrast of CTA buttons, dual validation throughout age groups, and enhanced highlighting of navigational elements. Three aspects help establish the credibility of the results. First, the total of 55 respondents is higher than the minimum number for eye-tracking experiments and gives substantial statistical power to report between-group differences. Second, recruitment methods based on Prolific allowed the distribution of the data across countries of residence, gender and digital literacy levels, which improves the external validity of the results. Third, the combination of a naturalistic collection format with centralized cloud storage facilitated standardized post-processing of raw gaze data, avoiding the need for laboratory infrastructure. Scientific novelty. For the first time, a model of user-interface information interaction under eye-tracking conditions is proposed, describing the interaction as a four-phase cycle with three information channels and formalizing the correspondence within interaction phases and gaze metrics. For the first time, a method for evaluating static mobile screen design using eye-tracking is developed, combining a specialized visual attention metric system, a screen-type classification, and a six-stage research process, validated with a sample of 55 participants. For the first time, a method for evaluating the design effectiveness of dynamic mobile screens is developed, introducing the concept of Temporal AOI (T-AOI) and synchronized interface-state recording for scrolling, navigational transition, and video content scenarios. Practical significance. The results deliver an accessible toolkit for mobile interface evaluation that requires no specialized hardware. The developed methods and the EyeSense software tool can be applied by UX researchers, mobile application developers, and educators in interface design disciplines. 2026-06-09T00:00:00Z