ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 1994 года по МПК G06K9/00 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в различных оптоэлектронных вычислительных системах обработки оптической информации.

Известно арифметико-логическое устройство оптоэлектронного матричного процессора, содержащее оптически управляемые транспаранты, картинные оптические входы, оптический выход, блок оптической памяти картинного типа, позволяющее вычислять основные логические операции [1].

Недостатками такого устройства являются сложность, обусловленная наличием большого числа используемых транспарантов, ограниченные функциональные возможности ввиду жесткой настройки транспарантов устройства на вид выполняемой функции.

Известно устройство для логической обработки изображений, реализующее логико-временной метод вычислений, содержащее n оптических картинных входов, картинный выход, n блоков управляемых временных задержек, каждый из которых имеет оптически управляемый транспарант, светоделитель, вращатель плоскости поляризации светового потока, первый и второй анализаторы, светообъединитель, волоконно-оптический жгут фиксированной длины, кроме того, устройство содержит оптоэлектронный затвор, блок памяти картинного типа (D-триггер-защелка), управляющие входы [2].

Недостатками такого устройства являются сложность, обусловленная наличием большого числа блоков задержки, ограниченные функциональные возможности, связанные с возможностью реализации лишь 2ⁿ⁺¹ возможных логических функций.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее n оптических входов картинного типа, картинный выход, вход-защелка, последовательно расположенные вдоль оптической оси n блоков управляемых временных задержек оптоэлектронный затвор, электрод питания которого соединен с управляющим входом устройства, триггер-защелку картинного типа, органический выход которой соединен с оптическим входом устройства [3].

Недостатками такого устройства являются сложность, обусловленная наличием большого числа используемых блоков управляемых временных задержек, ограниченная область применения, обусловленная низкой достоверностью функционирования за счет влияния разбросов интенсивностей входных переменных и характеристик преобразования блоков временных задержек.

Целью изобретения являются упрощение устройства и повышение точности обработки .

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее n информационных оптических входов картинного типа, блок управляемых временных задержек, имеющее первый и второй оптические входы и оптический выход, причем первый оптический вход соединен с оптическим входом запуска устройства, а оптический выход - с оптическим входом оптоэлектронного затвора, управляющий электрод питания которого связан с управляющим электродом устройства, причем оптический выход оптоэлектронного затвора соединен с оптическим входом триггера-защелки картинного типа, оптический выход которого соединен с оптическим выходом устройства, введены светообъединитель, оптические входы которого посредством ослабителей светового потока соединены с информационными входами устройства, причем интенсивность света на i-м входе светообъединителя (i = 1-n) подает согласно функциональной связи Р_i = =Р_макс/2^n-i, где Р_макс - интенсивность света первого уровня, оптический выход светообъединителя соединен с вторым оптическим входом блока управляемых временных задержек.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 представлен график формирования во времени текущих значений минтермов; на фиг.3 приведен учет разброса параметров преобразования с равномерным выравниванием квантов интенсивностей.

Устройство содержит (фиг. 1) оптические информационные входы 1₁-1_n, соединенные посредством ослабителей 2₁-2_n светового потока с оптическими входами светообъединителя 3, блок управляемых временных задержек (БУВЗ) 4, первый оптический вход которого соединен с источником 5 плоскопараллельного светового потока, содержащим вход 6 "запуск". Второй оптический вход БУВЗ 4 соединен с оптическим выходом светообъединителя 3, а оптический выход БУВЗ 4 - с оптическим входом оптоэлектронного затвора (ОЭЗ) 7, оптический выход которого соединен с оптическим входом триггера-задержки 8 картинного типа. Оптический выход последнего является оптическим выходом устройства, а электрод "сброс" соединен с входом 6 "запуск" устройства. Электрод питания ОЭЗ 7 соединен с управляющим входом устройства, на который подается управляющий строб в виде кода вычисляемой логической функции.

Устройство работает следующим образом.

БУВЗ 4, с помощью которого реализуется принцип обработки оптической информации, заключающийся в преобразовании интенсивности оптического излучения в длительность задержки короткого оптического импульса, однозначно связанного со значением текущего минтерма входных переменных X₁,...,X_n, позволяет выделять разные уровни оптической интенсивности. Поскольку входным переменным Х₁, . . . ,X_n поставлены в соответствие посредством ослабителей 2₁-2_n оптической мощности базисные интенсивности Р₁ = Р_макс/2^n-1, Р₂ = = Р_макс/2^n-2, . ..,Р_n = P_макс, то набор всех возможных интенсивностей, формируемых светообъединителем 3 устройства, определяется как P_j= P_i, где коэффициенты α_jⁱ принимают значение 0 или 1 (j = 0-2ⁿ-1), т.е. α_oⁱ = (0,0,. ..,0), α₁ⁱ = (1,0,...,0),..,α₂n _-1ⁱ = =(1,1,...,1).

БУВЗ 4, техническая реализация которого может быть выполнена аналогично приведенной в описании устройства-прототипа, позволяет выполнять задержки оптических сигналов разного уровня интенсивности, каждого со своим временем задержки, поскольку одной из основных характеристик используемого БУВЗ является чувствительность к интенсивности оптического излучения. Зависимость интенсивности оптического излучения и времени задержки, реализуемая с помощью БУВЗ, приведена на фиг. 2. Согласно приведенной зависимости времена τ_jформирования значений текущих минтермов определяют состояние ОЭЗ 7 устройства (затвор пропускает свет или нет) путем подачи или отключения питания в моменты времени, определяемые из соотношения τ_j= . Поскольку каждому значению интенсивности оптического излучения соответствует свой минтерм входных переменных, т.е. P_o_→ X₂... , P₁_→X..., PX..., . . . , PX₂X₃...X_n, PX₁X₂X₃...X_n, то состояния ОЭЗ 7 в моменты времени τ_j определяют вид логической функции с использованием дизъюнктивной нормальной формы. Значения текущих интенсивностей P_j, а также параметры гиперболического закона А и В, определяющие значения параметров преобразования, могут изменяться в указанных пределах: A ∈ [A(1- ζ), A(1+ ζ )], B ∈ [B(1-x), B(1+x)], P_j ∈ [P_j(1- η ), P_j(1+ η )], где ζ , х и η - безразмерные параметры, характеризующие степень разброса. Число оптических входов при реально существующих значениях разбросов определяется из соотношения
n= log1+ (В = 0 - оптимальный случай, т.е. достигается максимум n), где ]...[ - операция выделения целой части.

Зависимость числа оптических входов от реальных параметров разбросов может быть описана таблично. На фиг. 3 приведена графически область разброса параметров (заштрихованные участки) с учетом используемого закона преобразования в виде убывающей ветви гиперболы. Неравномерное начальное квантование текущих интенсивностей заменяется равномерным с учетом выбранного постоянного шага, определяемого как максимальная разность |Р_j^нач - Р_j-1^нач |= Δ Р, j= = 1-2ⁿ с учетом параметров разбросов. Число градаций в связи с этим определяется как (Р_макс - Р_о)/ Δ P = 2^n'-1, где n' - реальное число оптических входов устройства с учетом разброса параметров (n' ≅n).

Докажем, что цель достигнута. Поскольку в заявляемом устройстве используется всего один БУВЗ вместо n аналогичных БУВЗ устройства-прототипа, то очевидно, достигнуто значительное упрощение конструкции устройства. При этом сохраняются все функциональные возможности за счет способности работы БУВЗ с разными уровнями оптических интенсивностей.

Сокращение числа используемых БУВЗ позволило, как следствие, повысить быстродействие устройства, поскольку выбор временного интервала в заявляемом устройстве фиксирован значением τ₂n _-1 = τ_макс , тогда как в прототипе общее время пропорционально числу используемых БУВЗ и определяется как T= , где τ_i - задержка оптического сигнала i-м БУВЗ.

Что касается конкретных параметров, характеризующих быстродействие предложенного устройства, то современные достижения в области сборки матриц дискретных ячеек позволяют утверждать о возможности создания структур, содержащих до 2 ˙ 10³ ячеек и более и при частоте ввода кадров порядка 1 МГц скорость ввода информации достигает 2 ˙ 10¹⁰ б/с, что на 1-2 порядка выше по сравнению с электронными вариантами.

Учет влияния реальных разбросов интенсивностей оптического излучения, параметров и характеристик преобразования позволил повысить достоверность функционирования устройства, что расширяет область его применения, определить максимально возможное число входных переменных в зависимости от параметров разбросов.

Возможность технической конструкции устройства, заключающаяся в использовании светоделителя светового потока на m выходов, оптический вход которого соединен с выходами БУВЗ, позволяет проводить параллельные вычисления m разных логических функций в каждом из выходных каналов обработки, в частности реализовать функции коммутации цифровых картин.

Конструкция предложенного устройства легко обобщается на выполнение других важных преобразовательных операций, таких как реализация аналого-цифровых преобразований. В этом случае светообьединитель 3 вообще не нужен, при этом на второй оптический вход БУВЗ и следует подать синкретное (непрерывное) изображение, подлежащее преобразованию, подбором соответствующих управляющих сигналов на выходе устройства возможно достичь получение набора бинарных срезов, образующего цифровой код исходного изображения.

Устройство относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в различных оптоэлектронных схемах параллельной обработки изображений при построении матричных процессоров для вычисления логических функций. Использование в устройстве одного блока управляемых временных задержек (БУВЗ), различающего разные уровни оптической интенсивности, с учетом введения ослабителей светового потока и светообъединителя позволило упростить устройство, а учет разбросов параметров входных характеристик - повысить точность обработки. Указанные преимущества достигаются тем, что устройство, содержащее БУВЗ, блок 5 формирования плоскопараллельного оптического излучения с входом 6 "запуск", оптоэлектронный затвор 7, триггер 8 картинного типа, оптические входы 1₁-1_n информационных операндов, введены ослабители 2₁-2_n светового потока, коллимирующие линзы, светообъединитель 3. 3 ил.

ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ, содержащее источник плоскопараллельного светового потока, вход запуска которого соединен с входом запуска устройства, а оптический выход связан с первым оптическим входом блока управляемых временных задержек, оптический выход которого связан с оптическим входом оптоэлектронного затвора, управляющий электрод питания которого соединен с управляющим входом устройства, а оптический выход связан с оптическим входом блока памяти картинного типа, оптический выход которого является оптическим выходом устройства, а электрод сброса подключен к входу запуска устройства, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и повышения точности обработки, в него введены блок суммирования интенсивности света, оптический выход которого связан с вторым оптическим входом блока управляемых временных задержек, и ослабители светового потока, входы которых являются информационными оптическими входами устройства, а оптические выходы связаны с соответствующими оптическими входами блока суммирования интенсивностей света, при этом интенсивность света на его i-м оптическом входе равна
P = P_max / 2 ^n-i,
где P_max - величина интенсивности света первого уровня;
i = 1,2,..., n;
n - число информационных оптических входов устройства.