SU1753447A1 - Аналого-цифровой преобразователь изображений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к оптоэлектро- нике и вычислительной технике и может быть использовано в системах обработки изображений дл  ввода полутоновых изображений в параллельные цифровые оптоэлектронные процессоры. Целью изобретени   вл етс  увеличение быстродействи  и расширение функциональных возможностей преобразовател . Устройство включает в себ  пороговый оптически управл емый инверсный транспарант, на вход которого подаетс  сумма входного изображени  и пространственно однородного коллимированного светового потока от источника с линейно нарастающей интенсивностью . Выход порогового транспаранта через блок формировани  оптического сигнала окончани  измерительного интервала оптически св зан с входными апертурами п оптоэлектронных затворов, выходы которых св заны с оптическими входами п оптически управл емых транспарантов с пам тью . Электронный блок управлени , содержащий посто нное запоминающее устройство, подключен к входу запуска источника коллимированного светового потока, электрическим входам оптоэлектронных затворов и оптически управл емых транспарантов с пам тью. Наличие быстродействи  обусловлено однократностью срабатывани  оптически управл емых транспарантов с пам тью. Расширение функциональных возможностей обусловлено программируемостью вида кода преобразовани . 7 ил., 1 табл. ё

Description

Изобретение относитс  к оптоэлект- ронной вычислительной технике и может использоватьс  в оптоэлектронных параллельных цифровых процессорах дл  преобразовани  полутонового изображени  в набор бинарных срезов.

Целью изобретени   вл етс  увеличение быстродействи , расширение функциональных возможностей за счет аналого-цифрового преобразовани  в любой наперед заданный вид двоичного кода и/или по любой заранее заданной функциональной зависимости, а также использование функционально и конструктивно более простых оптически управл емых транспарантов с пам тью.

На фиг.1 представлена структурна  схема преобразовани ; на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование входной интенсивности в длительность; на фиг.З - временные диаграммы работы устройства; на фиг.4 - управл ющие сигналы и таблица прошивки области ПЗУ дл  преобразовани  по коду Гре ; на фиг.5 и 6 - получение управл ющих сигналов дл  преобразовани  по функциональной зависимоVI

сл

К

VI

сти; на фиг,7 - схема возможной реализации блока формировани  оптического сигнала окончани  измерительного интервала.

Преобразователь состоит из источника 1 коллимированного светового потока с линейно нарастающей интенсивностью, светообьединительного элемента 2, порогового инверсного оптически управл емого транспаранта (ОУТ) 3, блока 4 формировани  оптического сигнала окончани  измерительного интервала, мультипликатора 5 изображений, оптоэлектронных затворов 6i-6n, п ОУТ с пам тью, электронного блока 8 управлени , включающего тактовый генератор 9, двоичный вычитающий счетчик 10, посто т ;е запоминающее устройство (ПЗУ) 11, п формирователей 12i-12n импульсов управлени  оптоэлект- ронными затворами, причем оптический вход 13 устройства св зан с первым входом светообъединительного элемента 2, второй вход которого соединен с выходом источника 1 коллимированного светового потока с линейно нарастающей интенсивностью, выход светообьединительного элемента 2 св зан через пороговый инверсный ОУТ 3 и блок 4 формировани  оптического сигнала окончани  измерительного интервала с входом мультипликатора 5 изображений, каждый из п выходов которого оптически соединен через соответствующий опто- электронный затвор 6i (t 1, п) с входом соответствующего оптически управл емого транспаранта 7 ( - Т, п) с пам тью, электрические входы 14i-14n оптоэлектронных затворов 6i-6n подключены к соответствующим управл ющим выходам электронного блока 8 управлени , m младших адресных входов 15i-15m ПЗУ 11 подключены к выходам разр дов двоичного вычитающего счетчика 10, а р старших адресных входов 15m+i-15m+p ПЗУ 11  вл ютс  адресными входами 16i-16p электронного блока 8 управлени , выход 17 переноса счетчика 10 соответствует выходу синхронизации электронного блока 8 управлени , который под- ключен к электрическому входу 18 порогового инверсного ОУТ 3, к входу 19 запуска источника 1 и к электрическим входам 20i-20n ОУТ 7i-7n с пам тью, счетный вход 21 счетчика 10 соединен с выходом тактового генератора 9, выходы ПЗУ 11 подключены к входам соответствующих формирователей 12i-12n импульсов, выходы которых  вл ютс  управл ющими выходами электронного блока 8 управлени .

Устройство работает по принципу преобразовани  интенсивности каждой точки входного изображени  в длительность временного интервала, котора  затем косвенно измер етс  путем фиксации значений разр дных импульсных последовательностей в момент времени, определ емый границей

измер емого временного интервала. Преобразование интенсивности в длительность производитс  параллельно, т.е. одновременно дл  всех точек входного изображени . Это происходит путем суммировани 

на светообъединительном элементе 2 входной световой картины с входа 13 со световой картиной от источника 1, котора  имеет равномерную по плоскости и линейно нарастающую во времени интенсивность. Сумма

входной световой картины и плоско-параллельного светового потока от источника 1 подаетс  на инверсный ОУТ 3, передаточна  характеристика которого имеет резко выраженный порог. На выходе порогового

инверсного ОУТ 3 отсутствует световой сигнал до тех пор, пока интенсивность на его входе не достигнет пороговой величины, после чего на выходе ОУТ 3 по вл етс  световой сигнал. Таким образом, логический

световой сигнал Ь на выходе порогового инверсного ОУТ 3 записываетс  как

/ 1,если1Вх-Н1(г) П;

з- . ,(1)

( 0, если 1вх + M(t) П;

v

где lux - входна  интенсивность (по вхбду 13); f

H(t) - линейно нарастающа  интенсив- ность света с выхода источника 1.

Величина порога П порогового инверсного ОУТ 3, максимальное значение входной интенсивности 1вх макс ПО ВХОДУ 13,

максимальное значение, линейно нараста- ющей интенсивности (Н(т,))макс с выхода источника 1 и количество п используемых в устройстве транспарантов 7i-7n св заны соотношением

П

IBX макс

01(1

макс

2 -А18Х, (2)

где Д(вх - величина одной градации входной интенсивности, различимой устройством .

Поскольку функци  h(t) линейна , возрастающа  и периодическа  (допустим,что период ееизменени  равен величине Т), тогда

Oi(t

макс

liCO-k T, (3)

где к - коэффициент пропорциональности. Механизм .преобразовани  входной интенсивности 1Вх(х,у) произвольной точки

входной световой картины с координатами (х,у) во временной интервал показан на фиг.2.

Дл  светового сигнала любой .точки входного изображени  величиной 1Вх(х,у) при сложении его с линейно нарастающим сигналом h(t) источника 1, интенсивность которого измен етс  во времени по закону h(t) k-t, где k - коэффициент пропорциональности , момент времени ti, когда сумма сигналов достигает порога П i8x макс, определ етс  из услови 

МХ.У) + k t1 IBX макс

И)

и равен

ti

IBX макс IBX (x.y)

(5)

Таким образом, врем  ti присутстви  нулевого сигнала на выходе инверсного ОУТ пр мо пропорционально разности IBX макс - Ux(x,y). Длительность единичного сигнала на выходе порогового инверсного ОУТ 3 определ етс  как разность Т - ti, причем врем  Т - врем , за которое линейно нарастающа  интенсивность достигнет порога П (вх.макс, т.е.

i .. I,. т -А т - lex максtR

IBX макс k Т Т ;.(6)

Из (5) и (6) следует, что

Т - ti вх-макс IBX макс IBX (х, у)

IBX (x, у)

(7)

т.е. длительность единичного сигнала 1з на выходе порогового инверсного ОУТ 3 пр мо пропорциональна величине входной интенсивности . Теперь измерение входной интенсивности сводитс  к измерению длительности единичного светового сигнала на выходе порогового инверсного ОУТ 3. Производитс  это путем выделени  на блоке 4 передних фронтов единичных импульсов от всех точек изображени , подачи их на мультипликатор 5, который размножает данную динамическую картину на п каналов и полученные копии параллельно подает через оптоэлектронные затворы 6i- 6п на соответствующие оптически управ- л емые транспаранты 7-|-7п, которые представл ют собой устройства-защелки картинного типа. Причем подача передних фронтов временных интервалов на защелки.

5 10

15

0

5

0

5

0

5 0 5

7i-7n производитс  в определенные моменты времени путем модул ции пропускани  оптозлектронных затворов 6i-6n. Управление прозрачностью оптоэлектронных затворов 6i-6n производитс  сигналами с выходов электронного блока 8 управлени . Управл ющие сигналы дл  аналого-цифрового преобразовани  входной интенсивности в обычный двоичный код дл  случа  использовани  трех транспарантов , 7i -7з представлены на фиг.З (Ii2-i, I12-2, 112-3). Это могут быть сигналы выходов вычитающего счетчика. Единичное значение управл ющего сигнала соответствует прозрачному состо нию соответствующего оптоэлектронного затвора, а нулевое значение - непрозрачному состо нию . На фиг.З показано получение кода дл  интенсивности произвольной точки входного изображени  с координатами (х,у) величиной 1Вх(х,у). Интенсивность Ux(x,y) преобразуетс  длительность (Т - tx) единичного сигнала з с выхода порогового инверсного ОУТ 3, сигнал Ц получают на выходе блока 4 формировани  оптического сигнала окончани  измерительного интервала. Поскольку в момент времени tx единичный сигнал присутствует только на оптоэлектронном затворе б| (сигнал iia-з). фиг.З), а на затворах 6i и 62 - нулевые сигналы (сигналы 112-1 и 112-2, фиг.З), то затвор 6з открыт, а затворы 6i и 62 закрыты. Поэтому выделенный старт-импульс запишетс  только в транспарант 7з в точке с координатами (х,у). В транспарантах 7i и 72 в точках с координатами (х,у) остаютс  нули. Это говорит о том, что двоичный код входной интенсивности в точке (х,у) равен 100, т.е. числу 4.

Аналогичным образом одновременно кодируютс  остальные точки входного изображени . В результате на транспарантах 7i, 72 и 7з получают двоичные картины, которые  вл ютс  разр дными плоскост ми соответственно от младшей до старшей двоичных кодов точек входного изображени . По истечении периода Т изменени  линейно нарастающей интенсивности на выходе 17 переноса счетчика 10 формируетс  сигнал переноса, который обнул ет пороговый инверсный ОУТЗ, оптически управл емые транспаранты 7i-7n и запускает с нул  источник 1 коллимированного светового потока с линейно нарастающей интенсивностью . После этого цикл преобразовани  повтор етс .

Дл  преобразовани  входной интенсивности в другой вид двоичного кода необходимо сформировать соответствующие управл ющие сигналы на выходах блока 8 управлени  (сигналы ii2-i-ii2-n). Вид управл ющих сигналов и карта прошивки области ПЗУ 11, например, дл  кода Гре  в случае трех транспарантов 7т-7з показан на фиг,4. Дл  осуществлени  двоичного преобразовани  в любой код применено ПЗУ 11, в котором записаны коды управл ющих сигналов дл  прин тых к использованию видов кодов Выбор вида кода преобразовани  осуществл етс  определенной комбинацией сигналов на адресных входах 16i-16p блока 8 управлени , которые выбирают соответствующую область пам ти , в которой записаны управл ющие сигналы .

Выбор набора управл ющих сигналов по тактам работы АЦП осуществл етс  внутри выбранной области пам ти посредством изменени  кода на выходах 15i-15m счетчика 10 путем подачи на него импульсов от тактового генератора 9. Таблица прошивки области пам ти ПЗУ 11, соответствующа  коду Гре , также показана на фиг.4.

В устройстве возможно также осуществл ть аналого-цифровое преобразование по заданной функциональной зависимости, В этом случае также необходимо прошить соответствующим образом определенную область ПЗУ 11. Пример получени  вида управл ющих сигналов дл  преобразовани  в пр мой двоичный код по функциональной зависимости показан на фиг.5. В этом случае получаютс  неравные уровни квантовани , поэтому разбиение периода Т повторени  светового потока с линейно нарастающей интенсивностью на 8 тактов, как это было дл  случаев на фиг.З и 4, оказываетс  недостаточным Дл  более точной аппроксимации неравных уровней квантовани  необходимо разбить период Т на интервалы , длительность которых меньше или равна длительности самого короткого управл ющего сигнала (Ug импульсы на выходе тактового генератора 9, фиг,б). Всего интервал Т разбит на 48 тактов. Прошивка области ПЗУ 11, соответствующа  управл ющим сигналам (фиг.6), показана в таблице.

Таким образом, при проектировании конкретного устройства определ етс  набор необходимых видов преобразований и необходимых функциональных зависимостей . Осуществл етс  соответствующа  прошивка ПЗУ. Затем в процессе работы можно выбрать вид аналого-цифрового преобразовани  изображени  (в какой код и по какой зависимости) путем выбора соответствующей области пам ти ПЗУ 11 управл ющим кодом на адресных входах блока 8 управлени .

Источник 1 коллимированного светового потока может быть выполнен, например,

в виде полупроводникового лазера или све- тоизлучающего диода с коллиматором, управл емого от функционального генератора тока, форма тока на выходе функционального генератора должна измен тьс  таким образом , чтобы скомпенсировать нелинейную зависимость ампер-ваттной характеристики примен емого светоизлучател .

Пороговый инверсный ОУТ 3 может быть выполнен, например, на основе жидкокристаллического пространственно временного модул тора света.

Мультипликатор 5 изображений может быть выполнен из световолокон либо на све- тор аздел ющих блоках.

Светообъединительный элемент 2 - это тот же мультипликатор изображений на два выхода, только вход мультипликатора  вл етс  выходом светообьединител , а выходы мультипликатора  вл ютс  входами светообъединител .

Блок 4 формировани  оптических сигналов окончани  измерительных интервалов (фиг.7) содержит Светообъединительный блок 22, устройство 23 задержки и инверсный оптически управл емый транспарант 24. Процесс формировани  коротких импульсов по передним фронтам оптических сигналов, поступающих на вход светообъе- динительного блока 22, осуществл етс  на

выходе инверсного транспаранта 24, на сигнальный параллельный оптический вход которого входные оптические сигналы поступают непосредственно, а на управл ющий параллельный оптический вход сигналы поступают с задержкой, вносимой устройством 23 задержки. Длительность коротких импульсов на выходе равна времени задержки устройства 23. Оптическим устройством 23 задержки может служить, например , волоконно-оптическа  лини  св зи.

В качестве оптически управл емых

транспарантов 7i -7П можно использовать

приборы ПРОМ, ФОТОТИТУС или типа

ФП-ЖК с обратной св зью.

Прототип выполн ет аналого-цифровое преобразование изображений только в обычный двоичный код, в то врем  как данное устройство может осуществл ть аналого-цифровые преобразовани  изображений

в любой наперед заданный вид двоичного кода и по любой заранее заданной функциональной зависимости (экспоненциальной, логарифмической, квадратичной и др.). Таким образом, функциональные возможности предлагаемого устройства расширены по сравнению с прототипом

Врем  преобразовани  определ етс  по формуле

Т 2П -т,

где п - количество ОУТ;

г- длительность такта работы соответственно прототипа или предлагаемого устройства (период тактовых импульсов на выходе генератора тактовых импульсов электронного блока управлени ).

Длительность такта прототипа гпр определ етс  предельным быстродействием ОУТ (т.е. длительностью цикла запись-стирание на ОУТ).

В прототипе можно использовать только те ОУТ, которые имеют режим записи и стирани  светом. В качестве таких ОУТ могут использоватьс  только ОУТ типа ПРОМ или ОУТ ФП-ЖК с двухчастотным управлением и возможностью локального стирани  светом. Врем  цикла запись-стирание указанных ОУТ не может быть меньше с, т.е. примем гпр с. В пороговом блоке прототипа можно использовать более функционально простые ОУТ либо оптические бистабильные элементы, которые также могут иметь и большее быстродействие, чем ОУТ, используемые дл  запоминани  выходных бинарных картин. Однако повышение быстродействи  порогового блока в данном случае не приведет к улучшению быстродействи  всего устройства.

В отличие от прототипа, где ОУТ с пам тью младшего разр дного среза претерпевает 2 циклов запись-стирание, в данном устройстве каждый ОУТ с пам тью за 2П тактов работы включаетс  только 1 раз под воздействием короткого оптического импульса , а перед новым циклом преобразовани  ОУТ обнул ютс . Поэтому в данном устройстве длительность такта ограничиваетс  не временем цикла запись-стирание, а временем фиксации информации в ОУТ. Кроме времени фиксации следует еще учитывать быстродействие порогового блока и врем  цикла включение-выключение оптоэ- лектронных затворов. Таким образом, длительность такта работы данного устройства ограничиваетс  максимальным из трех указанных времен.

Быстродействие порогового блока определ етс  временем отклика используемого в нем ОУТ с пороговой характеристикой. В качестве такого порогового ОУТ можно использовать чисто оптические бистабильные устройства с весьма малым временем переключени  (10 с).

ОЭЗ также могут быть достаточно быстродействующими . Так, ОЭЗ на основе электрически управл емого пространственного модул тора света на ЦТСЛ керамике имеют врем  цикла включение-выключение .

Врем  фиксации информации в ОУТ 7,

т.е. минимальна  длительность оптического импульса, фиксируемого ОУТ, при использовании , например, ЖК ОУТ может быть пор дка с, что значительно меньше времени формировани  фотоотклика (10 с). В

предлагаемом устройстве ОУТ, на которых запоминаютс  выходные бинарные картины , функционально более простые, чем аналогичные в прототипе, т.е. в прототипе ОУТ должны иметь режимы локально управл емой светом записи и стирани , а ОУТ в предлагаемом устройстве  вл ютс  D-защелками картинного типа с входом сброса в ноль сразу всей картины. В качестве D-защелок картинного типа можно

также использовать оптические бистабильные устройства с гистерезисом, имеющие высокое быстродействие - с.

Следовательно, поскольку максимальным из перечисленных трех времен  вл етс  врем  цикла включени -выключени  ОЭЗ (10 с), примем длительность такта работы предлагаемого устройства Гзу 10 с. Отношение времени преобразовани  прототипа Тпр времени преобразовани 

предлагаемого устройства Тзу

2 Тпр10

i-зу

10

-6

100

т.е быстродействие предлагаемого устройства в 100 раз выше быстродействи  прототипа .

Claims (1)

1. Формула изобретени  Аналого-цифровой преобразователь изображений, содержащий источник колли- мированного светового потока с линейно нарастающей интенсивностью, оптически св занный с первым входом светообъеди- нительного элемента, второй вход которого  вл етс  входом преобразовател , а выход светообъединительного элемента св зан с входом порогового инверсного оптически управл емого транспаранта, мультипликатор изображений, п оптически управл емых транспарантов с пам тью, выходы которых  вл ютс  выходами преобразовател , электронный блок управлени , включающий в себ  тактовый генератор, подключенный к

   счетному входу двоичного вычитающего счетчика, выход переноса которого соответствует выходу синхронизации электронного блока управлени , и формирователи импульсов , выходы которых  вл ютс  управл - ющими выходами электронного блока управлени , при этом вход запуска источника кол л ими рова иного светового потока с линейно нарастающей интенсивностью подключен к выходу синхронизации элект- ронного блока управлени , отличающий- с   тем, что, с целью увеличени  быстродействи  и расширени  функциональных возможностей , в него дополнительно введены блок формировани  оптического сигнала окончани  измерительного интервала, вход которого св зан с выходом порогового инверсного оптически управл емого транспаранта , а выход - с входом мультипликатора изображений, а также п оптоэлектронкых затворов, оптические входы которых св заны с соответствующими выходами мультипликатора изображений, а оптические выходы - с оптическими входами соответствующих оптически управл емых транспарантов с пам тью, при этом электрические входы оптоэлектронных затворов подключены к соответствующим управл ющим выходам электронного блока управлени , последний дополнительно снабжен посто нным запоминающим устройством, m младших адресных, входов которого подключены к выходам разр дов двоичного вычитающего счетчика, а р старших адресных входов  вл ютс  адресными входами электронного блока управлени , выходы посто нного запоминающего устройства подключены к входам соответствующих формирователей импульсов, а электрические входы оптически управл емых транспарантов с пам тью подключены к выходу синхронизации электронного блока управлени .

   Адрес  чейки выбранной области ПЗУ 11 (код на выходах 15/-15 счетчика 10)

   Содержание  чейки ПЗУ 11 соответствую- нее 1«-

   in-ь

   101010101010101010101010101010101010101010101010 110011001100110011001100110011001100110011001100 111100001111000011110000111100001111000011110000 1111111100000000111111110000000011П111100000000 000000000000000011111111111111110000000000000000 111111111111111100000000000000000000000000000000

   111111111111111111110000000011111110000111000110 111111111111111111111111111100000000000111111000 111111111111111111111111111111111111111000000000

   11Я1Н-П

   Ыу)

   о

   /3

   У/гЧ / Ду)

   а

   и.

   V С- i/)

   Фиг.З

   Ј 271&

   x + . 9 . s . h ft) о

   ()J-t

   ft) о

   1t Mcb

   г- ,

   ifrt CSll

   Рхг.7

   II

   Фиг. 6

   У