Аналого-цифровой преобразователь изображений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51)5 6 02 Р 7/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ АВТОРСКО ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ кии институтленко, О.К,КоСССР983,СССР Овам,О М ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(56) Авторское свидетельствоМ 1029120, кл. 6 02 Е 7/00,Авторское свидетельствоМ 1753447, кл, 6 02 Р 7/00,Изобретение относится к оптоэлектронной вычислительной технике и может использоваться в оптоэлектронных цифровых процессорах для параллельного преобразования (без сканирования) полутонового изображения в набор разрядных срезов (битовых картин).Цель изобретения - повышение быстродействия и упрощение устройства при осуществлении многоразрядных преобразований.На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 - обобщенный алгоритм работы устройства; на фиг, 3 - временные диаграммы работы устройства для случая преобразования в трехразрядный прямой двоичный код; на фиг. 4 - схема возможного варианта реализации электронного блока управления,Устройство(фиг. 1) содержит последовательно оптически связанные блок 1 вычитания и запоминания изображений, первый электрически управляемый модулятор 2 света, пороговый блок 3, блок 4 формирования разрядных весовых коэффициентов, выполЫ, 1803902 А 1(57) Использование: в оптоэлектронных вычислительных машинах. Сущность изобретения; устройство включает в себя оптически управляемый транспарант с эффектом памяти и инверсией контраста, Выход транспаранта через пороговый блок с изменяемым порогом и электрически уп равляемые модуляторы света связаны с входом транспаранта, который является входом устройства, Выходом устройства является выход порогового блока, 4 ил, 3 табл. ненныи в виде последовательно расположенных второго электрически управляемого модулятора 5 света и оптоэлектронного затвора 6, а также электронный блок 7 управления. Блок 1 вычитания и запоминания изображений выполнен в виде оптически управляемого транспаранта 8 с эффектом памяти и инверсией контраста изображения и снабжен источником 9 коллимированного считывающего излучения и источником 10 стирающего излучения, Оптический вход модулятора 5 связан через светоделитель 11 с выходом порогового блока 3, второй выход светоделителя 11 является выходом 12 устройства. Выход затвора 6 связан через отражатель 13 и светообьединитель 14 с оптическим входом блока 1 вычитания и запоминания изображений, второй вход светообьединителя 14 является входом 15 устройства. К соответствующим выходам электронного блока 7 управления подключены; вход 16 сброса порогового блока 3, электрические входы 17 и 18 соответственно первого 2 и второго 5 модуляторов света, электрический1803902 еда ктор ени рректор П. Гереш 1057 Тираж ПодписноеИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Составитель О, КолесницкиТехред М.Моргентал роизводственно-издательский комбинат "Патент". г. Уж ул.Гагарина, 101510 15 20 йг =2 п 25 иМ =1+ Х О/ 30 35 40 45 50 55 вход 19 оптоэлектронного затвора 6, электрические входы 20 и 21 оптически управляемого транспаранта 8, управляющий вход 22 источника 9 коллимированного считывающего излучения и управляющий вход 23 источника 10 стирающего излучения, Входом блока 1 вычитания и запоминания изображений является первый вход светообъединителя 24, второй вход которого оптически связан с выходом источника 10 стирающего излучения, а выход подан на первый оптический вход второго светообъединителя 25, второй вход которого оптически соединен через поляризатор 26 с выходом источника 9 коллимированного считывающего излучения, а выход подан на управляющий вход оптически управляемого транспаранта 8, выход которого через анализатор 27 и светофильтр 28 связан с выходом блока 1 вычитания и запоминания изображений,Оптический пороговый блок 3 содержит источник 29 коллимированного считывающего света, оптический выход которого через поляризатор 30 оптически связан с входом светорасщепителя 31, первый выход которого оптически соединен с электрооптическим слоем оптически управляемого транспаранта 32, работающего на отражение, а второй выход через анализатор 33 оптически связан с входом светоделителя 34, первый выход которого является оптическим выходом порогового блока 3, а второй выход через отражатель 35 оптически соединен с первым входом светообъединителя 36, второй вход которого является параллельным оптическим входом порогового блока 3, выход светообъединителя 36 оптически связан с фоточувствительным слоем оптически управляемого транспаранта 32, электроды которого подключены к клеммам источника 37 питания, электрический вход источника 29 коллимированного считывающего света является входом 16 сброса оптического порогового блока 3,Устройство работает как параллельный преобразователь мощности каждой точки входного полутонового изображения в любой двоичный код, веса разрядов которого не уменьшаются от младшего к старшим, Это, например, прямой двоичный код с весами 2", 2" 8, 4, 2, 1, код Фибоначчи с весами О/п = Юп+ Оlп-г, О/п, Юп-г, 13, 8, 5, 3, 2, 1 и другие коды,Рассмотрим алгоритм работы устройства, Устройство работает по методу поразрядного уравновешивания преобразуемой аналоговой величины, известного для одномерных (электронных) АЦП, с тем лишь отличием, что в заявляемом устройстве преобразование осуществляется параллельно для всего изображения, т,е. одновременно для всех элементов изображения. Представим входное иэображение в виде матрицыРху, где х, у - координаты произвольнойточки изображения; Р,у - значение удельной мощности (на единицу площади) точки изображения с координатами (х,у), Величина одной градации мощности ЛР (шаг квантования по мощности) будет равен; где Рвах - максимальное значение входной удельной мощности;ч - количество различимых градаций мощности,Для прямого двоичного кода разрядностью и; Для произвольного и-разрядного двоичного кода с весами И( = 1/и): Обобщенный алгоритм работы устройства представлен на фиг, 2, В начале осуществляется стирание информации, оставшейся по каким-либо причинам в блоке 1, и подготовка к работе, заключающаяся, во-первых, в обнулении оптического порогового блока 3, во-вторых, в установлении коэффициентов пропускания модуляторов 2 и 5, Коэффициент пропускания модулятора 2 обратно пропорционален весу старшего разряда (модулятором 2 обеспечивается порог срабатывания оптического порогового блока 3, равный весу старшего разряда), коэффициент пропускания модулятора 5 прямо пропорционален весу старшего разряда (модулятором 5 выставляется величина амплитуды светлых участков бинарного изображения, вычитаемого из блока 1, равная весу старшего разряда), В-третьих, номерувыходного бинарного среза присваивается значение и, где и разрядность используемого кода, Затем, если =и (старший бинарный срез имеет номер и, а младший бинарный срез имеет номер 1), то производится запись входного изображения вершина 4), а если Ф и, то сразу переходит на вершину 5, в которой, во-первых, производится пороговая обработка по выставленному порогу П изображения с выхода блока 1 в пороговом блоке 3, на выходекоторого в результате появляется двухградационное изображениеЬху, являющееся старшей битовой картиной. Здесь ОЯ)и - пороговая функция, определяемая следующим образом1,еслибы П;О(г) и =О,еслибыП;В вершине 5 алгоритма записана пороговая функция от матрицы, результатом которой является бинарная матрицаЬху , соДержащая единицы в тех координатах (х, у), где Р,уП и содержащая нули в тех координатах (х, у), где РхуП. Во-вторых, в вершине 5 значение уменьшается на единицу. Вершина 6 алгоритма - условная, в ней проверяется равенство номера выходного бинарного среза единице, Если равенство не выполняется, то не все битовые каргины еще получены, поэтому производится коррекция изображений в блоке 1 путеь вычитания постоянного уровня, равного велИчине старшего разряда, из тех точек изображения в блоке 1, которые оказались больше веса старшего разряда - вершина 7 алгоритма. Затем осуществляется подготовка разряда - вершина 7 алгоритма, Затем осуЩествляется подготовка к выделению следующего бинарного среза, заключающаясяв сбросе порогового блока 3 и выставлен и новых коэффициентов и ропуска ния модуляторов 2 и 5, соответствующих новой величине порога П, определяемой весом следующего за старшим разряда, Далее осу(цествляется переход на вершину 3 и действия алгоритма повторяются уже для другой величины порога П, Количество циклов работы равно разрядности п используемогр кода.Для подробного рассмотрения работы устройства остановимся вначале на работе его составных частей.Блок 1 вычитания и запоминания изобракений в качестве оптически управляемого транспаранта 8 с инверсией контраста может содержать, например, ОУТ типа "ПРОМ". В качестве источника 9 коллимированного считывающего излучения может использоваться полупроводниковый лазер или телий-неоновый лазер с = 0,63 мкм, так как "ПРОМ" почти не чувствителен к красному излучению, Для записи изображения в блок 1 необходимо входное изображение в синЕм или ультрафиолетовом свете подать на вход светообьединителя 24, с выхода которого оно будет воздействовать на кристалл ОУТа 8, При этом между его электродами 20 и 21 должна присутствовать отрицательная разность потенциалов,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Входное изображение запомнится в виде пространственного распределения заряда в кристалле, Для считывания иэображения 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 двулуче преломление кристалла приводит благодаря поляризатору 26 и анализатору 27 к амплитудной модуляции считывающего света, Светофильтр 28 пропускает на выход блока 1 излучение считывающего света (красный) и не пропускает входной ультрафиолетовый или синий свет, который не полностью поглощается ОУТом 8, Для вычитывания изображения из блока 1 необходимо между электродами 20 и 21 приложить положительную разность потенциалов, а на вход блока 1 подавать вычитаемое изображение в УФ или синем свете,Стирание информации с ОУТа 8 блока 1 производится сильной засветкой от источника 10 стирающего излучения синего или УФ спектра (напр., ксеноновая лампа) при нулевой разности потенциалов между электродами 20 и 21.Кроме конкретного выполнения блока 1 вычитания и запоминания изображений, представленного на фиг, 1, его можно также выполнить на ОУТ "ПРОМ" и Фототитус, работающих на отражения, а также на жидкокристаллических (ЖК) ОУТ с двухчастотным питанием и локально управляемым светом стиранием. В последнем случае источник стирающего излучения не нужен, т.к. стирание будет осуществляться ВЧ напряжением. Использование ЖК ОУТ предпочтительнее с точки зрения согласованности длин волн записывающего и считывающего излучений.Оптический пороговый блок 3 с памятью - это не что иное как бистабильное оптическое устройство, которое может быть выполнено любым из известных методов. На фиг, 1 оно показано в виде ОУТа 32 типа фотоприемник-электрооптический кристалл, работающего на отражение, с внешней оптической обратной связью. Фотоприемный слой ОУТа 32 должен быть 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 1= 442 мкм. При высоком потенциале на входе сброса 16 лазер 29 включен, а при низком - выключен, При увеличении оптической мощности на входе светообьединителя 36 пороговый блок 3 остается выключенным, пока не будет достигнут порог, После этого прибор начинает включаться, 1803902появляется свет в цепи ОС (от источника 29 через поляризатор 30, светорасщепитель 31, анализатор 33, светоделитель 34, отражатель 35, светообъединитель 36 на вход ОУТа 32) и развивается лавинообразный процесс включения уже без дальнейшего увеличения входной мощности, Для сброса порогового блока необходимо выключить источник 29, подав нулевой потенциал на вход 16, и убрать входное излучение(выключить источник 9 блока 1),Оптический пороговый блок 3 также может быть выполнен в виде ОУТ с внутренней фотоэлектрической обратной связью или на основе нелинейных оптических кристаллов,Модуляторы 2 и 5 могут быть выполнены в виде пластины электрооптического материала (например ЦТСЛ-керамики), заключенной между двумя прозрачными электродами, к которым прикладывается управляющая разность потенциалов, Коэффициент пропускания ЦТСЛ-керамики практически линейно зависит от приложенного напряжения.Оптоэлектронный затвор 6 выполнен так же как модуляторы 2 и 5, но управляется двумя уровнями 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 преобразователя в случае преобразования в трех- разрядный прямой двоичный код представлены на фиг, 3, Вначале (см. алгоритм на фиг, 2) производится стирание информации в блоке 1 (источник 10 включен высоким потенциалом Ч 23 (см, фиг, 3) на своем электроде), а разность потенциалов между электродами 20 и 21 ОУТа 8 Ч (20, 21) = О) и подготовка к работе:1) сброс порогового блока 3 (источники 9 и 29 выключены низкими потенциалами соответственно на входе 22 (Ч 22) и входе 16 (Ч 16) );2) выставление коэффициентов пропускания модуляторов 2 и 5. Порог срабатывания порогового блока 3 выбирается равным ЬР, Порог срабатывания системы, состоящей из модулятора 2 и порогового блока 3; равен П =АР/дю где мг - коэффициент пропускания модулятора 2. Следовательно, для получения порога П = В/ ЬР в 1-м цикле необходимо выбрать м 2 из равенства ЬР/м 2 = Ю ЬРФм 2 = 1/В/ь Модулятор 6 пропускает 1/4 часть входного излучения, так как вес старшего разряда равен 4, т,е, потенциал Ч 17 на входе 17 равен (1/4 Чпх), где Чпах - потенциал, при котором модулятор 2 полностью прозрачен, Модулятор 55 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 определяет удельную мощность единичныхуровней бинарного изображения, его коэффициент пропускания м 2 прямо пропорциЧЧ 1онален весу 1-го разряда: дм 5 =йПоэтому в данном примере в первом такте4коэффициент м 5= - =0,5, т,к. вес старшегоразряда 4, а й = 8. В этом случае И 8 ==0,5 Чвах,Затем в такте "Запись" входное полутоновое изображение в синем или Уф светеподается на параллельный оптический вход15 преобразователя, При этом ОЭЗ 6 закрыт(низкий потенциал Ч 19 на входе 19),источники 9, 10 и 29 выключены (низкие потенциалы Ч 22, Ч 23 и Ч 16), разность потенциаловмежду входами 20 и 21 Ч(20, 21) - отрицательная. Состояния модуляторов 2 и 5 безизменений, Такое распределение сигналовна управляющих входах определяет записьвходного изображения в ОУТ 8 в виде пространственного распределения зарядов.Для правильного функционирования устройства необходимо, чтобы входное полутоновое изображение воздействовало навход 15 устройства только в течение такта"Запись", Для этого источник 38 входногоизображения может быть снабжен оптоэлектронным затвором 39, который открывается высоким потенциалом от блока 11управления только в течение такта "Запись"(сигнал Ч 39 на фиг. 3),В следующем такте (выделение среза)ОЭЗ 6 закрыт (Ч 19 - низкий, источник 10выключен (низкий Ч 23), Ч(20, 21) = О, Ч 17 и .Ч 18 без изменений, источники 9 и 29 выключены (Ч 22 и Ч 16 высокие), При этом излучение лазера 9, пройдя через ОУТ 8, считываетзаписанное в нем изображение, которое поступает через модулятор 2 на вход порогового блока 3, обрабатывается по .выставленному модулятором 2 порогу и запоминается в блоке 3 в виде бинарного изображения, которое через светоделить 11поступает на выход 12 преобразователя,В следующем такте (вычитание) ОЭЗ 6открыт (высокий Ч 19), разность потенциалов Ч(20, 21) положительная, И 6 без изменений, источник 9 отключен (низкий Ч 22),При открывании ОЭЗ 6 бинарный срез свыхода светоделителя 11 через модулятор 5,задающий удельную мощность его светлыхучастков, ОЭЗ 6, отражатель 13, светообъединители 14, 24, 25,поступает на вход ОУТа8 и вычитается из него, т,к. разность потенциалов (20, 21) отрицательная.Во втором цикле описанные действияповторяются, с тем лишь отличием, что нет45 50 55 такта "Запись", а вместо такта "Стирание и подготовка" производится такт "Подготовка", в котором выставляется коэффициент пропускания модулятора 2 равным 1/2(т.к, вес среднего разряда равен 2), а коэффициент пропускания модулятора 5 равным 14,В третьем цикле (аналогичен второму) модулятор 2 полностью прозрачен, а коэффициент пропускания модулятора 5 равен 1/8, Третий цикл имеет два такта, т.к, третий такт (" Вычитание" ) не выполняется (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 (время преобразования) равно; Т = 4 х+ (и - 2) Зг+ 2 т = Зпг, (2) гдЕ т - длительность такта работы данного устройства.Следует отметить, что после второго такта последнего цикла (т,е. в конце преобраЗования) в ОУТе 8 останется нескомпенсированный зарядовый рельеф, максимальные значения локальных зарядов в котором (при сч)тывании) в случае правильного функционирования устройства не должны превышаТь величины двух градаций оптической мощности. Т.о.,в данном устройстве имеется возможность контроля правильности аналого-цифрового преобразования (контролеспособность).Если же необходимо организовать непрерывный режим работы преобразователя с автоматическим преобразованием поступающих на вход изображений, то в алгоритме вместо перехода с истинного выхода условной вершины 6 на вершину 9, необходимо осуществить переход на вершину 3 (поКазан пунктиром на фиг. 2).Для правильного функционирования преобразователя необходимо выбрать соответствующим образом величины мощностей излучения источников 9 и 29, Так, моЩность Р 9 источника 9 выбирается из условия, что при полностью открытом модуляторе 2 и максимально прозрачном ОУТе 8 удельная мощность света на входе ОУТа 32, с учетом затухания в оптическом тракте от источника 9 к ОУТу 32, должна быть равна Рвах (см. формулу (1. При этом порог срабатывания порогового блока 3 должен быть равен ЛР, Итак, мощность источника 9 при площади Я рабочей апертуры устройства, равна:РвахЯ26т 25827283/2736 где д, - коэффициент пропускания светаэлементом оптического тракта с номером в(дп11), причем )8 и р - коэффициентыпропускания максимально прозрачных соответственно ОУТа 8 и модулятора 2 света,Мощность Р 2 д источника 29 света выбирается из условия, что при полностью открытом модуляторе 5 и максимальноотражающем ОУТе 32 удельная мощностьсвета на входе ОУТа 8 должна быть равнаРвах = М ЛР, С учетом затухания оптического тракта и при площади Я рабочей апертуры устройства:р ръьх30т Л 3 Я л 6 16Д 4 Угде дз 2 и 5 - коэффициенты пропусканиясоответственно максимально отражающего ОУТа 32 и максимально прозрачногомодулятора 5, уз 1 берется дважды, т,к. светисточника 29 дважды проходит через светорасщепитель 31,Выходные битовые картины в данномустройстве получают с разделением во времени, Битовые картины с выхода 12 преобразователя можно подавать непосредственнона вход обрабатывающей части оптоэлектронного процессора, либо накапливать встраничном запоминающем устройстве.Электронный блок 7 управления представляет собой конечный автомат с необходимыми формирователями уровнейсигналов управления ОЭЗ, модуляторами,ОУТами и источниками света, Он можетбыть синтезирован по алгоритму (фиг, 2) известными методами в виде автомата с жесткой логикой, автомата с программируемойлогикой, либо по схеме, представленной нафиг, 4. Схема управления преобразователем для случая трехразрядного прямогодвоичного кода (см, диаграмму на фиг, 3)содержит генератор 40 тактовых импульсов,выход которого соединен со счетным входом счетчика 41 по модулю 9 (т.к, имеется 9 5 10 15 20 25 30 35 40 тактов), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 42, формирователи 43 - 50 уровней сигналов управления,ПЗУ 42 имеет 4 адресных входа и 11 разрядных выходов (емкость ПЗУ должна быть не менее 9 х 11 = 99 бит). Таблица прошивки ПЗУ 42 представлена в табл, 1. Для сигналов Ч(20, 21), И 7 и Ч 18 отведено по два разряда. Соответствие кодовых комбинаций в этих двух разрядах кодируемым значениям сигналов Ч(20, 21), Ч 17 и Ч 18 представлено в табл, 2,При поступлении импульсов генератора 40 на вход счетчика 41 код на его выходах увеличивается циклически от 0 до 8 (9 так 1803902 12тов), По адресу, определяемому кодом на выходе счетчика 41, в ПЗУ 42 хранится управляющее слово, которое считывается с ПЗУ 42, подается на формирователи 43 - 50, которые выдают нужные в данном такте управляющие сигналы Ч 39, Ч 19, Ч 22, Ч(20, 21), Ч 17, Ч 16, Ч 18 и Ч 23,Для преобразования в какой-либо другой вид кода в блоке 7 управления вместо двоичного счетчика 41 необходимо использовать генератор разрядных последовательностей этого кода и соответствующим образом закодированное ПЗУ 42,Время преобразования прототипаТ.,=г". Хпр,где напр - длительность такта работы прототипа.Время преобразования данного устройства (см, формулу (2Т = Зпт.В конкретном случае длительности различных тактов данного устройства могут быть разными в зависимости от используемых элементов, В общем случае можно принять травным максимальному из времен: записи в ОУТ 8, стирания из ОУТ 8, срабатывания порогового блока 3, срабатывания модулятора 2 или 5, ОУТ 8, пороговый блок 3 и модуляторы 2 и 5, а также оптоэлектронные затворы и О-защелки в прототипе могут быть выполнены, например, на ЖК пространственно-временных модуляторах света с использованием сегнетоэлектрических хиральных смектиков, для которых ь = тстир = 5 10 с. В связи с этим можно принять напр = г= 5 10 с, Отношение времен преобразования прототипа и данного устройстваТп рТ = 2" /(Зп),Из этой формулы видно, что ТТпр при и3, т.е, данное устройство обладает более высоким быстродействием при многоразрядных преобразованиях (при и3), 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Аппаратурные затраты по основным узлам для прототипа и данного устройства сведены в табл, 3,Из таблицы видно, что данное устройство проще прототипа при п 3, т,е, при многоразрядных преобразованиях.Формула изобретения Аналого-цифровой преобразователь изображений, содержащий последовательно оптически связанные блок изменения интенсивности иэображений, пороговый блок, блок формирования разрядных весовых коэффициентов и блок запоминания изображений, а также электронный блок управления, к соответствующему выходу которого подключен вход сброса порогового блока, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия и упрощения преобразователя при осуществлении многоразрядных преобразований, блок изменения интенсивности изображения и блок запоминания изображений выполнены совместно в виде оптически управляемого транспаранта с эффектом памяти и эффектом вычитания изображений, который снабжен источником коллимированного считывающего излучения и источником стирающего излучения, в преобразователь дополнительно введен первый электрически управляемый модулятор света, расположенный между выходом оптически управляемого транспаранта и оптическим входом порогового блока, блок формирования разрядных весовых коэффициентов выполнен в виде последовательно расположенных второго электрически управляемого модулятора света и оптоэлектронного затвора, оптический вход первого из которых связан с выходом порогового блока, являющимся выходом преобразователя, выход второго из которых связан с оптическим входом оптически управляемого транспаранта, являющимся входом преобразователя, а соответствующие выходы электронного блока управления подключены к электрическим входам первого и второго электрически управляемых модуляторов света, оптоэлектронного затвора, оптически управляемого транспаранта, управляющим входам источника коллимированного считывающего света и источника стирающего света,1803902 начало Стирание иподготовка к работестирание инфориации в блоке 1Р,Бот 1 сбРос поРогового УстРолства 316 иу =О3) выставление велицины порогаО. -- Дг к Р1-и Запись вхопно Попготовка;:рр кдО конец сброс пороговогоустройства 3 111(/: = о2)выставление вел чины порога У Выпеление бинарног Вычитание из изобрааения в блоке 1 бнарного среза с ув. иощн, светлых участков,равной весу Г-го