RU1803902C - Аналого-цифровой преобразователь изображений - Google Patents

Abstract

Использование: в оптоэлектронных вычислительных машинах. Сущность изобретени : устройство включает в себ  оптически управл емый транспарант с эффектом пам ти и инверсией контраста. Выход транспаранта через пороговый блок с измен емым порогом и электрически управл емые модул торы света св заны с входом транспаранта, который  вл етс  входом устройства . Выходом устройства  вл етс  выход порогового блока. 4 ил. 3 табл.

Description

Изобретение относитс  к оптоэлект- ронной вычислительной технике и может использоватьс  в оптоэлектронных цифровых процессорах дл  параллельного преобразовани  (без сканировани ) полутонового изображени  в набор разр дных срезов (битовых картин).

Цель изобретени  - повышение быстродействи  и упрощение устройства при осуще- ствдении многоразр дных преобразований.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2-обобщенный алгоритм работы устройства; на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства дл  случа  преобразовани  в трехразр дный пр мой двоичный код;, на фиг. 4 - схема возможного варианта реализации электронного блока управлени ,

Устройство (фиг. 1) содержит последовательно оптически св занные блок 1 вычитани  и запоминани  изображений, первый электрически управл емый модул тор2 света , пороговый блок 3, блок 4 формировани  разр дных весовых коэффициентов, выполненный в виде последовательно расположенных второго электрически управл емого модул тора 5 света и оптоэлектронного затвора 6, а также электронный блок 7 управлени . Блок 1 вычитани  и запоминани  изображений выполнен в виде оптически управл емого транспаранта 8 с эффектом пам ти и инверсией контраста изображени  и снабжен источником 9 коллимированного считывающего излучени  и источником 10 стирающего излучени . Оптический вход модул тора 5 св зан через светоделитель 11 с выходом порогового блока 3, второй выход светоделител  11  вл етс  выходом 12 устройства . Выход затвора 6 св зан через отражатель 13 и светообъединитель 14 с оптическим входом блока 1 вычитани  и запоминани  изображений, второй вход светообъ- единител  14  вл етс  входом 15 устройства. К соответствующим выходам электронного блока 7 управлени  подключены: вход 16 сброса порогового блока 3, электрические входы 17 и 18 соответственно первого 2 и второго 5 модул торов света, электрический

Ё

00

о

со

Ю

о ю

вход 19 оптоэлектронного затвора 6, электрические входы 20 и 21 оптически управл емого транспаранта 8, управл ющий вход 22 источника 9 коллимированного считывающего излучени  и управл ющий вход 23 источника 10 стирающего излучени . Входом блока 1 вычитани  и запоминани  изображений  вл етс  первый вход светообъединител  24, второй вход которого оптически св зан с выходом источника 10 стирающего излучени , а выход подан на первый оптический вход второго светообъединител  25, второй вход которого оптически соединен через пол ризатор 26 с выходом источника 9 коллимированного считывающего излучени , а выход подан на управл ющий вход оптически управл емого транспаранта 8, выход которого через анализатор 27 и светофильтр 28 св зан с выходом блока 1 вычитани  и запоминани  изображений,

Оптический пороговый блокЗ содержит источник 29 коллимированного считывающего света, оптический выход которого через пол ризатор 30 оптически св зан с входом светорасщепител  31, первый выход которого оптически соединен с электрооптическим слоем оптически управл емого транспаранта 32, работающего на отражение , а второй выход через анализатор 33 оптически св зан с входом светоделител  34, первый выход которого  вл етс  оптическим выходом порогового блока 3, а второй выход через отражатель 35 оптически соединен с первым входом светообъединител  36, второй вход которого  вл етс  параллельным оптическим входом порогового блока 3, выход светообъединител  36 оптически св зан с фоточувствительным слоем оптически управл емого транспаранта 32, электроды которого подключены к клеммам источника 37 питани , электрический вход источника 29 коллимированного считывающего света  вл етс  входом 16 сброса оптического порогового блока 3.

Устройство работает как параллельный преобразователь мощности каждой точки входного полутонового изображени  в любой двоичный код, веса разр дов которого не уменьшаютс  от младшего к старшим. Это, например, пр мой двоичный код с весами 2 , ,..., 8, 4, 2, 1, код Фибоначчи с весами Wn Wn-i + Wn-2, Wn-i, Wn-2,..., 13, 8, 5, 3, 2, 1 и другие коды,

Рассмотрим алгоритм работы устройст- ва. Устройство работает по методу поразр дного уравновешивани  преобразуемой аналоговой величины, известного дл  одномерных (электронных) АЦП, с тем лишь отличием , что в за вл емом устройстве

преобразование осуществл етс  параллельно дл  всего изображени , т.е. одновременно дл  всех элементов изображени . Представим входное изображение в виде матрицы I |РХу , где х, у - координаты произвольной точки изображени ; РХу-значение удельной мощности (на единицу площади ) точки изображени  с координатами (х,у). Величина одной градации мощности АР (шаг квантовани  по мощности) будет равен:

АР Pmax/N,

0)

где Ртах - максимальное значение входной удельной мощности;

N - количество различимых градаций мощности,

Дл  пр мого двоичного кода разр дностью п:

N2 2n .

Дл  произвольного n-разр дного двоичного кода с весами Wi(l 1 /п):

N 1 + 2 Wi . I 1

Обобщенный алгоритм работы устройства представлен на фиг. 2. В начале осуществл етс  стирание информации, оставшейс  по каким-либо причинам в блоке 1, и подготовка к работе, заключающа с , во-первых, в обнулении оптического порогового блока 3, во-вторых, в установлении коэффициентов пропускани  модул торов 2 и 5. Коэффициент пропускани  модул тора 2 обратно пропорционален весу старшего разр да (модул тором 2 обеспечиваетс  порог срабатывани  оптического порогового блока 3, равный весу старшего разр да), коэффициент пропускани  модул тора 5 пр мо пропорционален весу старшего разр да (модул тором 5 выставл етс  величина амплитуды светлых участков бинарного изображени , вычитаемого из блока 1, равна  весу старшего разр да). В-третьих, номеру I выходного бинарного среза присваиваетс  значение п, где п - разр дность используемого кода. Затем,если (старший бинарный срез имеет номер п, а младший бинарный срез имеет номер 1), то производитс  запись входного изображени  (вершина 4), а если I Ф п, то сразу переходит на вершину 5, в которой, во-первых, производитс  порогова  обработка по выставленному порогу П изображени  с выхода блока 1 в пороговом блоке 3, на выходе

которого в результате по вл етс  двухгра- дационное изображение I Ibxyl I,  вл юще- eciji старшей битовой картиной. Здесь U(2)ln - порогова  функци , определ ема  следующим образом

1, если Z П;

U(Z) |п {

L 0, если2 П;

В вершине 5 алгоритма записана порогова  функци  от матрицы, результатом которой  вл етс  бинарна  матрица I Ibxyl I, содержаща  единицы в тех координатах (х, у), где РХу П и содержаща  нули в тех кофдинатах (х, у), где РХу П. Во-вторых, в вершине 5 значение I уменьшаетс  на единицу . Вершина 6 алгоритма - условна , в ней провер етс  равенство номера выход- ноф бинарного среза единице. Если равен- ствр не выполн етс , то не все битовые картины ещё получены, поэтому произво- дит|с  коррекци  изображений в блоке 1 пу- тем| вычитани  посто нного уровн , равного величине старшего разр да, из тех точек изображени  в блоке 1, которые оказались больше веса старшего разр да - вершина 7 алгоритма. Затем осуществл етс  подготовка разр да - вершина 7 алгоритма. Затем осуществл етс  подготовка к выделению следующего бинарного среза, заключающа с  сбросе порогового блока 3 и выставление новых коэффициентов пропускани  модул торов 2 и 5, соответствующих новой величине порога П, определ емой весом следующего за старшим разр да. Далее осуществл етс  переход на вершину 3 и действи  алгоритма повтор ютс  уже дл  другой величины порога П. Количество циклов работы равно разр дности п используе- могр кода.

Дл  подробного рассмотрени  работы устройства остановимс  вначале на работе его (составных частей.

;Блок 1 вычитани  и запоминани  изо- бра|кений в качестве оптически управл е- могб транспаранта 8 с инверсией контраста содержать, например, ОУТ типа ПРрМ. В качестве источника 9 коллимиро- считывающего излучени  может ис- пол1 зоватьс  полупроводниковый лазер или гелий-неоновый лазер с 0,63 мкм, так как почти не чувствителен к красному излучению. Дл  записи изображени  в бло(: 1 необходимо входное изображение в синем или ультрафиолетовом свете подать на вход светообьединител  24, с выхода ко- оно будет воздействовать на кристалл ОУТа 8. При этом между его электродами 20 и 21 должна присутствовать отрицательна  разность потенциалов,

Входное изображение запомнитс  в виде пространственного распределени  зар да в кристалле. Дл  считывани  изображени  с блока 1 необходимо включить источник 9,

подав высокий уровень на вход 22, и подать нулевую разность потенциалов между электродами 20 и 21. При этом наведенное полем двулучепреломление кристалла приводит благодар  пол ризатору 26 и ана0 лизатору 27 к амплитудной модул ции считывающего света. Светофильтр 28 пропускает на выход блока 1 излучение считывающего света (красный) и не пропускает входной ультрафиолетовый или синий свет, который

5 не полностью поглощаетс  ОУТом 8. Дл  вычитывани  изображени  из блока 1 необходимо между электродами 20 и 21 приложить положительную разность потенциалов , а на вход блока 1 подавать вычита0 емое изображение в УФ или синем свете

Стирание информации с ОУТа 8 блока 1 производитс  сильной засветкой от источника 10 стирающего излучени  синего или УФ спектра (напр., ксенонова  лампа) при

5 нулевой разности потенциалов между электродами 20 и 21.

Кроме конкретного выполнени  блока 1 вычитани  и запоминани  изображений, представленного на фиг. 1, его можно так0 же выполнить на ОУТ ПРОМ и Фототи- тус, работающих на отражени , а также на жидкокристаллических (ЖК) ОУТ с двухча- стотным питанием и локально управл емым светом стиранием. В последнем

5 случае источник стирающего излучени  не нужен, т.к. стирание будет осуществл тьс  ВЧ напр жением. Использование ЖК ОУТ предпочтительнее с точки зрени  согласованности длин волн записы0 вающего и считывающего излучений.

Оптический пороговый блок 3 с пам тью - это не что иное как бистабильное оптическое устройство, которое может быть выполнено любым из известных методов.

5 На фиг. 1 оно показано в виде ОУТа 32 типа фото п р иемн и к-э л ектро оптический кристалл , работающего на отражение, с внешней оптической обратной св зью. Фотоприемный слой ОУТа 32 должен быть

0 чувствителен к красной и синей (УФ) области спектра (например, селен). Источник 29 считывающего света должен иметь синий (УФ) спектр. Это может быть гелий-кадмиевый лазер с Я 442 мкм. При высоком потен5 циале на входе сброса 16 лазер 29 включен, а при низком - выключен. При увеличении оптической мощности на входе светообьединител  36 пороговый блок 3 остаетс  выключенным , пока не будет достигнут порог. После этого прибор начинает включатьс ,

по вл етс  свет в цепи ОС (от источника 29 через пол ризатор 30, светорасщепитель 31, анализатор 33, светоделитель 34, отражатель 35, светообъединитель 36 на вход ОУТа 32) и развиваетс  лавинообразный процесс включени  уже без дальнейшего увеличени  входной мощности. Дл  сброса порогового блока необходимо выключить источник 29, подав нулевой потенциал на вход 16, и убрать входное излучение(выклю- чить источник 9 блока 1),

Оптический пороговый блок 3 также может быть выполнен в виде ОУТ с внутренней фотоэлектрической обратной св зью или на основе нелинейных оптических кристаллов,

Модул торы 2 и 5 могут быть выполнены в виде пластины электрооптического материала (например ЦТСЛ-керамики), заключенной между двум  прозрачными электродами, к которым прикладываетс  управл юща  разность потенциалов. Коэффициент пропускани  ЦТСЛ-керамики практически линейно зависит от приложенного напр жени .

Оптоэлектронный затвор 6 выполнен также как модул торы 2 и 5, но управл етс  двум  уровн ми сигналов. При нулевом потенциале на входе 19 ОЭЗ 6 полностью непрозрачен (закрыт), а при высоком потенциале на входе 19 - максимально прозрачен (открыт).

Временные диаграммы работы преобразовател  в случае преобразовани  в трех- разр дный пр мой двоичный код представлены на фиг. 3. Вначале (см. алго- ритм на фиг. 2) производитс  стирание информации в блоке 1 (источник 10 включен высоким потенциалом V23 (см, фиг. 3) на своем электроде), а разность потенциалов между электродами 20 и 21 ОУТа 8 V (20, 21) 0) и подготовка к работе:

1) сброс порогового блока 3 (источники 9 и 29 выключены низкими потенциалами соответственно на входе 22 (V22) и входе 16 (V16));

2) выставление коэффициентов пропуска- ни  модул торов 2 и 5. Порог срабатывани  порогового блока 3 выбираетс  равным ДР. Порог срабатывани  системы, состо щей из модул тора 2 и порогового блока 3, равен П &P/rjM2, где rjM2 коэффициент пропу- скани  модул тора 2. Следовательно, дл  получени  порога П| Wi ДР в 1-м цикле необходимо выбрать /M2 из равенства Wi 1/W|. Модул тор 6 пропускает 1/4 часть входного излучени , так как вес старшего разр да равен 4, т.е. потенциал V17 на входе 17 равен (1/4Vmax), где Vmax - потенциал, при котором модул тор 2 полностью прозрачен, Модул тор 5

определ ет удельную мощность единичных уровней бинарного изображени , его коэффициент пропускани  Г}м2 пр мо пропорци:

Wi онален весу 1-го разр да: /15 -гг.

Поэтому в данном примере в первом такте

л коэффициент tjM5 0,5, т.к. вес старшего

разр да 4, а N 8. В этом случае V18 0,5Vmax.

Затем в такте Запись входное полутоновое изображение в синем или УФ свете подаетс  на параллельный оптический вход 15 преобразовател . При этом ОЭЗ 6 закрыт (низкий потенциал V19 на входе 19),источни- ки 9, 10 и 29 выключены (низкие потенциалы V22, V23 и V16), разность потенциалов между входами 20 и 21V(20, 21) - отрицательна . Состо ни  модул торов 2 и 5 без изменений. Такое распределение сигналов на управл ющих входах определ ет запись входного изображени  в ОУТ 8 в виде пространственного распределени  зар дов.

Дл  правильного функционировани  устройства необходимо, чтобы входное полутоновое изображение воздействовало на вход 15 устройства только в течение такта Запись, Дл  этого источник 38 входного изображени  может быть снабжен оптоэ- лектронным затвором 39, который открываетс  высоким потенциалом от блока 11 управлени  только в течение такта Запись (сигнал V39 на фиг. 3).

В следующем такте (выделение среза) ОЭЗ 6 закрыт (V19 - низкий, источник 10 выключен (низкий V23), V(20, 21) О, V17 и V18 без изменений, источники 9 и 29 выключены (V22 и V16 высокие). При этом излучение лазера 9, пройд  через ОУТ 8, считывает записанное в нем изображение, которое поступает через модул тор 2 на вход порогового блока 3, обрабатываетс  по выставленному модул тором 2 порогу и запоминаетс  в блоке 3 в виде бинарного изображени , которое через светоделить 11 поступает на выход 12 преобразовател .

В следующем такте (вычитание) ОЭЗ 6 открыт (высокий V19), разность потенциалов V(20, 21) положительна , V16 без изменений , источник 9 отключен (низкий V22), При открывании ОЭЗ 6 бинарный срез с выхода светоделител  11 через модул тор 5, задающий удельную мощность его светлых участков, ОЭЗ 6, отражатель 13, светообъе- динители 14, 24, 25,поступает на вход ОУТа 8 и вычитаетс  из него, т.к. разность потенциалов (20, 21) отрицательна .

Во втором цикле описанные действи  повтор ютс , с тем лишь отличием, что нет

такта Запись, а вместо такта Стирание и подготовка производитс  такт Подготовка , в котором выставл етс  коэффициент пропускани  модул тора 2 равным 1/2(т.к. ве;с среднего разр да равен 2), а коэффициент пропускани  модул тора 5 равным 1/4. В третьем цикле (аналогичен второму) модул тор 2 полностью прозрачен, а коэффициент пропускани  модул тора 5 равен 1 /8. Третий цикл имеет два такта, т.к. третий такт (Вычитание) не выполн етс  (см. алгоритм на фиг. 2). Как видно из фиг. 3, первый цикл работы устройства имеет 4 такта, а последний цикл - 2 такта, а все промежуточные циклы - по 3 такта, т.е. структурное быстродействие данного устройства (врем  преобразовани ) равно:

Т 4г+(п-2) Зт+2г 3пт

(2)

где т- длительность такта работы данного устройства.

Следует отметить, что после второго такта последнего цикла (т.е. в конце преоб- ра овани ) в ОУТе 8 останетс  нескомпенси- рованный зар довый рельеф, максимальные значени  локальных зар дов в котором (при считывании) в случае правильного функционировани  устройства не должны превышать величины двух градаций оптической мощности. Т.о.,в данном устройстве имеетс  : возможность контрол  правильности ан лого-цифрового преобразовани  (кон т- ролеспособность).

Если же необходимо организовать непрерывный режим работы преобразовател  с автоматическим преобразованием посту- пайэщих на вход изображений, то в алгоритме вместо перехода с истинного выхода условной вершины 6 на вершину 9, необхо- ди(о осуществить переход на вершину 3 (показан пунктиром на фиг. 2).

Дл  правильного функционировани  преобразовател  необходимо выбрать соответствующим образом величины мощностей излучени  источников 9 и 29. Так, мощность Рд источника 9 выбираетс  из ус- лов;и , что при полностью открытом модул торе 2 и максимально прозрачном ОУТе 8 удельна  мощность света на входе ОУТа 32, с учетом затухани  в оптическом тракте от источника 9 к ОУТу 32, должна быть равна Ртах (см. формулу (1)). При этом порог срабатывани  порогового блока 3 должен быть равен ДР. Итак, мощность источника 9 при площади S рабочей апертуры устройства, равна:

Ртах S

Рэ

1J26 1J25 Г}8 ф.7 1J2 фб

где rjm - коэффициент пропускани  света элементом оптического тракта с номером m (j;m 11), причем //в и д - коэффициенты пропускани  максимально прозрачных соответственно ОУТа 8 и модул тора 2 света. Мощность Р29 источника 29 света выбираетс  из услови , что при полностью открытом модул торе 5 и максимально отражающем ОУТе 32 удельна  мощность

света на входе ОУТа 8 должна быть равна Ртах N ДР. С учетом затухани  оптического тракта и при площади S рабочей апертуры устройства:

р - Pmax-S.

У32 34 In S ,i rt &4 tf7

где ip,2 и tj5 коэффициенты пропускани  соответственно максимально отр ажающе- го ОУТа 32 и максимально прозрачного

модул тора 5, /з1 беретс  дважды, т.к. свет источника 29 дважды проходит через свето- расщепитель 31.

Выходные битовые картины в данном устройстве получают с разделением во времени . Битовые картины с выхода 12 преобразовател  можно подавать непосредственно на вход обрабатывающей части оптоэлект- ронного процессора, либо накапливать в страничном запоминающем устройстве.

Электронный блок 7 управлени  представл ет собой конечный автомат с необхо- димыми формировател ми уровней сигналов управлени  ОЭЗ, модул торами, ОУТами и источниками света. Он может

быть синтезирован по алгоритму (фиг. 2) известными методами в виде автомата с жесткой логикой, автомата с программируемой логикой, либо по схеме, представленной на фиг. 4. Схема управлени  преобразователем дл  случа  трехразр дного пр мого двоичного кода (см, диаграмму на фиг. 3) содержит генератор 40 тактовых импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика 41 по модулю 9 (т.к. имеетс  9

тактов), посто нное запоминающее устройство (ПЗУ) 42, формирователи 43-50 уровней сигналов управлени .

ПЗУ 42 имеет 4 адресных входа и 11 разр дных выходов (емкость ПЗУ должна

быть не менее 9 х 11 99 бит). Таблица прошивки ПЗУ 42 представлена в табл. 1. Дл  сигналов V(20, 21), V17 и V18 отведено по два разр да. Соответствие кодовых комбинаций в этих двух разр дах кодируемым

значени м сигналов V(20, 21), V17 и V18 представлено в табл.2.

При поступлении импульсов генератора 40 на вход счетчика 41 код на его выходах увеличиваетс  циклически от 0 до 8 (9 тактов ). По адресу, определ емому кодом на выходе счетчика 41, в ПЗУ 42 хранитс  управл ющее слово, которое считываетс  с ПЗУ 42, подаетс  на формирователи 43-50, которые выдают нужные в данном такте управл ющие сигналы V39, V19, V22, V(20, 21), V17, V16, V18nV23.

Дл  преобразовани  в какой-либо другой вид кода в блоке 7 управлени  вместо двоичного счетчика 41 необходимо использовать генератор разр дных последовательностей этого кода и соответствующим образом закодированное ПЗУ 42.

Врем  преобразовани  прототипа

Тпр 2 Тпр,

где тпр - длительность такта работы прототипа .

Врем  преобразовани  данного устройства (см. формулу (2))

Т 3пт.

В конкретном случае длительности различных тактов данного устройства могут быть разными в зависимости от используемых элементов. В общем случае можно прин ть травным максимальному из времен: записи в ОУТ 8, стирани  из ОУТ 8, срабатывани  порогового блока 3, срабатывани  модул тора 2 или 5. ОУТ 8, пороговый блок 3 и модул торы 2 и 5, а также оптоэ- лектронные затворы и D-защелки в прототипе могут быть выполнены, например, на ЖК пространственно-временных модул торах света с использованием сегнетоэ- лектрических хиральных смектиков, дл  которых t3n tcinp 5 с. В св зи с этим можно прин ть Тпр т 5 с. Отношение времен преобразовани  прототипа и данного устройства

ТПр/Т 2п/(Зп).

Из этой формулы видно, что Т ТПр при п 3, т.е. данное устройство обладает более высоким быстродействием при многоразр дных преобразовани х (при п 3).

Аппаратурные затраты по основным узлам дл  прототипа и данного устройства сведены в табл. 3.

Из таблицы видно, что данное устройство проще прототипа при п 3, т.е. при многоразр дных преобразовани х. Ф о рмула изобретени  Аналого-цифровой преобразователь изображений , содержащий последовательно

оптически св занные блок изменени  интенсивности изображений, пороговый блок, блок формировани  разр дных весовых коэффициентов и блок запоминани  изображений , а также электронный блок управлени , к

соответствующему выходу которого подключен вход сброса порогового блока, от л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью повышени  быстродействи  и упрощени  преобразовател  при осуществлении многоразр дных преобразований , блок изменени  интенсивности изображени  и блок запоминани  изображений выполнены совместно в виде оптически управл емого транспаранта с эффектом пам ти и эффектом вычитани 

изображений, который снабжен источником коллимированного считывающего излучени  и источником стирающего излучени , в преобразователь дополнительно введен первый электрически управл емый

модул тор света, расположенный между выходом оптически управл емого транспаранта и оптическим входом порогового блока, блок формировани  разр дных весовых коэффициентов выполнен в виде последовательно

расположенных второго электрически управл емого модул тора света и оптоэлектронно- го затвора, оптический вход первого из которых св зан с выходом порогового блока,  вл ющимс  выходом преобразовател , выход второго из которых св зан с оптическим входом оптически управл емого транспаранта ,  вл ющимс  входом преобразовател , а соответствующие выходы электронного блока управлени  подключены к электрическим

входам первого и второго электрически управл емых модул торов света, оптоэлект- ронного затвора, оптически управл емого транспаранта, управл ющим входам источника коллимированного считывающего света и источника стирающего света.

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

CN О

3 П О

со

/. - J

ra -----

Стирание ипопготовка к работе А стирание информации в блоке I

1Л,Г-о

д сброс порогового устройства 3

||Ц1|: 0 з) выставление величину порога

Я-и Р

Ь) /:-/&Ј

начало

J

%г.

Vut.S

ФигЛ