Оптоэлектронное модульное устройство для параллельного сложения оптических цифровых картин в системе остаточных классов Советский патент 1992 года по МПК G06E1/04 G06F7/72 

Изобретение относится к области вычислительной техники, преимущественно к оптоэлектронным системам параллельной (картинной) обработки информации.

Известен оптический модуль для сложения и вычитания в системе остаточных классов, содержащий матрицу оптических коммутаторов из М столбцов и М-1 строк (М - значение модуля), М-1 групп по М оптических коммутатора в каждой, фотоприемник, причем входы разрядов первого операнда модуля соединены с оптическими входами оптических коммутаторов первой строки матрицы, входы разрядов второго операнда модуля соединены с управляющими электрическими входами оптических коммутаторов соответствующих строк матрицы, оптические выходы оптических коммутаторов (М-1) - строки матрицы являются выходами разрядов результата модуля

Недостатком этого модуля является сложность, обусловленная как большим количеством элементов, входящих в состав модуля, так и значительным количеством связей между элементами модуля, кроме того операнды, поступающие на входы модуля, представлены в виде разнородных сигналов (оптических и электрических), что вызывает трудности при каскадировании данных модулей, а также известный оптический модуль не позволяет производить операции сложения и вычитания оптических цифровых картин.

Наиболее близким по технической сущности к устройству является пространственно-непрерывный некогерентный сумматор, содержащий первый и второй цифровой картинный вход, нейтральный светофильтр, на вход которого поступает разрядный срез переноса PI, первый и второй светообъе- динители, на входы первогосветообъедини- теля поступают разрядные срезы изображений А и В, входы второго свето- обьединителя соединены с выходом первого светообъединителя тл выходом нейтрального светофильтра, выход второго светообъединителя посредством двух светоделителей и зеркала соединен с входами трех пороговых устройств, на ёыхвдэх которых с помощью инвертора контраста, порогового устройства, зеркала и светообъединителя формируется разрядный срез суммы S, поступающий на цифровой картинный выход и разрядный срез переноса

Pi-и.

Недостатком этого устройства являются также узкие функциональные возможности, так как в нем производится только суммирование цифровых картин, низкое быстродействие за счет работы в двоичной системе счисления и наличие переносов при суммировании, аппаратурная сложность ввиду сложности реализации оптических пороговых устройств с требуемыми величинами порога и с требуемой размерностью по апертуре.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет операции вычитания и повышение быстродействия устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее первый цифровой картинный вход, второй цифровой картинный вход, цифровой картинный выход, введены К операционных блоков, где К - количество модулей в системе остаточных классов, используемых в данном устройстве, каждый из которых содержит первый и второй оптоэлектронные затворы имеющие Mi оптических цифровых картинных входов и выходов, где MI - значение 1-го модуля в системе остаточных классов (I 1,2...К), инвертор, выход которого соединен с управляющим входом второго оптоэлектронно о затвора, а входы инверторов и управляю- щие входы первых оптоэлектронных затворов во всех К операционных блоках объединены и являются входом задйния операции устройства, и матрицу оптически управляемых транспарантов, содержащую

MI строк и MI столбцов, первый и второй цифровые картинные входы устройства состоят из К групп по Mi матричный цифровых оптических входов размером mxn, где mxn

размеры оптических цифровых картин, поступающих на входы устройства, цифровой картинный выход состоит из К групп по MI матричных цифровых оптических выходов размером mxn, причем j-й матричный цифровой оптический вход 1-й группы первого цифрового картинного входа оптически соединен с j-ми оптическими входами первого и второго оптоэлектронного затвора 1-го операционного блока (J 1,2 .Mi), j-й матричный цифровой оптический вход 1-й группы второго цифрового картинного входа оптически соединены с оптически управляемыми транспарантами j-ro столбца матрицы оптически управляемых транспарантов

1-го операционного блока (j 1,2, ..Mi), оптические картинные выходы j-й строки матрицы оптически управляемых транспарантов 1-го операционного блока объединены и соединены с J-м матричным цифровым

оптическим выходом 1-й группы картинного выхода, j-й (j 1,2 ,.М|) оптический выход первого оптоэлектронного затвора 1-го операционного блока оптически соединен с оптически управляемыми трзнспарантами расположенными на пересечении а-й строки и b-го столбца матрицы оптически управляемых транспарантов, причем а 1,2. .М,:

| а- + 1, если а j

b

a-j + 1 + М, если а j где j 1,2 ..М,

j-й оптический выход второго оптоэлект- ронного затвора i-ro операционного блока оптически соединен с оптически управляемыми транспарантами расположенными на пересечении а-й строки и b-го столбца, причем

а 1.2...М| b |j-a + 1, если j a

+ 1 + М,, если j а, где J 1,2 М,

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг,2 - схема возможного варианта реализации i-ro операцион- ноТчэ блока устройства; на фиг 3 - пример выполнения операций сложения (фиг.За) и

вычитания (фиг.36) над конкретными числами.

Устройство (фиг.1) содержит К - операционных оптических блоков 1ь 12 1к,

каждый i-й операционный блок содержит

оптически управляемый транспарант 2, содержащий Mi столбцов и MI строк матриц

3n,3i23iMi3wiMi размерностью mxn,

оптоэлектронные затворы 4 и 5, инвертор 6, К-групп 7i, 27к оптических входов первого цифрового картинного входа, каждая 1-я группа 7| содержит MI матричных цифровых оптических входов 8i, 82, ... 8М| с размерностью матриц mxn, К-групп 9i, 9a9к

оптических входов второго цифрового картинного входа, каждая 1-я группа 9i содержит MI матричных цифровых оптических

входов 10i. 10210м1. К-групп 11i, 112

11к оптических выходов цифрового картинного выхода, каждая 1-я группа 11| содержит MI матричных цифровых оптических

выходов 12i, 122 12м и вход задания

операции 13.

На фиг.2 обозначены: оптически управляемый транспарант 2, на который проецируются изображения Mi матриц Зц, 3i2. .... 3iMi размерностью mxn, оптоэлектронные затворы 4 и 5, инвертор 6, 1-я группа 1 оптических входов первого цифрового картинного входа, содержащая MI матричных

цифровых оптических входов 8i, 82SMI.

1-я группа 91 оптических входов второго цифрового картинного входа, содержащая MI матричных цифровых оптических входов

10i. 102 Юм i-я группа 11i оптических

цифровых картинных выходов 12i, 122, .... 12м1 Вход задания операции 13, объективы 14 и 15, призма 16, полупрозрачные зеркала 17-19, зеркало 20, Мггранные призмы 21- 24, объективы 25-27.

Оптически управляемый транспарант 2 может быть реализован в виде многослойной структуры, содержащей кристалл с сильно выраженными электрооптическими свойствами и светочувствительностью, либо электрооптический кристалл с нанесенным слоем фотополупроводника, находящийся в электрическом поле между двумя прозрачными электродами, заключенной между двумя скрещенными поляризаторами. В предлагаемом устройстве применяется оптически управляемый транспарант непрерывной многослойной структуры, являющийся отдельным неделимым узлом, позволяющим обрабатывать двумерные картины информации с большим числом элементов.

Реализация оптоэлектронных затворов 4 и 5 может быть выполнена на основе электрооптической керамики состава ЦТСЛ.

Устройство работает следующим образом.

На первый (7i, 72,... 7к)(фиг.1)и второй (9i, 929к) цифровые оптические картинные входы поступают информационные

матричные бинарные массивы чисел зако дированные в системе счисления в остаточных классах следующим образом Каждому 1-му модулю MI системы счисления в оста- точных классах соответствует i-я группа 7| оптических матричных цифровых входов

81,8, ..., SMI первого оптического картинного цифрового входа и группа 9i оптических матричных входов 10i, 102 10wi

0 второго оптического матричного цифрового входа. Выполнение арифметических операций сложения или вычитания в зависимости от значения уровня сигнала на входе задания операции 13 осуществляется К

5 операционными блоками 1i, 12 1к параллельно соответственно для каждого модуля ML M2, ,., MX системы счисления в остаточных классах с выдачей результата арифметических операций на группы 111,

0 112. ... 11к оптических выходов соответственно. Учитывая, что операционные блоки 1i, 121к различаются только значениями модулей Mi, M2, .... Мк, рассмотрим работу одного 1-го операционного блока 1|

5 с модулем счисления в системе остаточных классов Mi Каждому элементу входного массива чисел (картины) размерностью mxn соответствуют соответствующий элемент матричных цифровых оптических

0 входов 8i, 828мк имеющих также размерность mxn для первого оптического картинного цифрового входа и элементы матриц 10i, 102 ..., Юм1 второго входа, а каждому значению остатка элемента мас5 сива (mxn) соответствует одна из матриц 8i,

82,..., SMI, в которой соответствующий элемент находится в состоянии 1 (присутствует световой поток) для первого оптического картинного входа 7| и одна из матриц 10i,

0 102,..., 10м1 для второго входа 91. При сложении чисел разрешающим уровнем сигнала на входе задания операций 13 открывается оптоэлектронный затвор 4, затвор 5 при этом закрывается запрещающим уровнем

5 сигнала подаваемого через инвертор 6. В

этом случае матрицы 8i, 828м группы 7|

первого входа через открытый оптоэлектронный затвор 4 проецируется на оптически управляемый транспарант 2 таким

0 образом, что для каждой Sj-й матрицы (J- m 1,2,...Mi) соответствуют асе матрицы пересечения а-й строчи и Ь-го столбца, причем а 1,2,...Mt,

{a-j , если а Э: | a-J + 1 + Mi, если а J Матрицы 10i, 102,.... Юм1 группы 9i второго картинного цифрового входа проецируются на транспарант 2 таким образом, что каждая 10 матрица оптически совмещается

со всеми матрицами ЗаЬ, у которых b j, & -1.2,...Mi т.е. со всеми 3ij, 32) SMI J-ro

столбца, причем соответствующие элементы матриц 8i, 82SMI и матриц 10i, 102,

.... 10м на матрицах Зп, 3i2 3iMi

SMIMI оптически совмещаются. Оптически управляемый транспарант 2 в местах, соответствующим элементам матриц Зп, 3i2, .... SMIMI, под воздействием излучения второго оптического картинного входа (группа 9i, матриц 10i, 102 10м|) изменяет

свои свойства и становится прозрачным для излучения с первого оптического картинного входа (группа 7| матриц 8i, 82

SMI), либо непрозрачным в случае отсутствия светового потока с второю оптическо- го картинного входа (группа 9i). Так реализуется поэлементная коммутация пучков света, спроецированных элементов матриц 8i, 828м1 на плоскости транспаранта 2, пучками излучения матриц 0i, 102, .... Юм), что равноценно поэлементной логической операции И, так как наличие проходящего пучка света на конкретном

элементе одной из матриц 3ц, 3i2SMIMI

транспаранта 2 возможно только при условии наличия пучка света, падающего на транспарант 2 с входа 1 и наличия разрешающего пучка света с оптического входа 9|, под воздействием которого транспарант 2 становится прозрачным. При этом совпадение пучков света, т.е. И, реализуется на конкретном элементе только той из матриц Зп, 3i2,.... SMIMI. которая принадлежит а-й строке соответствующей суммы по модулю М

чисел, соответствующих матрицам 8i, 82

SMI и матрицам Ют, 102 10м1 соответственно группам 7i и 9i первого и второго картинного оптического входа. Например, (фиг.З) для элемента матрицы 11 число первого входа А 1 и число В 1 для второго входа по модулю М 3 совпадение реализуется в третьей строке транспаранта, что соответствует числу А + В 2, Остальные элементы матрицы складываются аналогично.

По фиг.1 все матрицы 3ij, 32} SMIJ

каждой строки с транспаранта 2, элементы которых несут информацию результата совпадений, проецируются на матрицы 12j,

причем все элементы матриц 3ij, 3zjSMIJ

каждой строки при этом оптически совмещаются, таким образом номер матрицы группы 11i соответствует числу, равному сумме по модулю Mi для каждого конкретного элемента матрицы.

При вычитании чисел i-й операционный блок 11 работает аналогично сложению с тем отличием, что запрещающим уровнем сигнала на входе задания операции 13 оптоэлектронный затвор 4 закрыт, а оптоэлект- ронный затвор 5 бткрыт разрешающим уровнем сигнала с входа 13, подаваемого через инвертор б на затвор 5. В этом случае

матрицы 8i, 82 SMI группы 1 первого

оптического картинного входа через открытый оптоэлектронный затвор 5 проецируются на оптические управляемый транспарант 2 так, что каждая 8 )-я матрица Q 1.2,...Щ

0 оптически поэлементно совмещается с матрицами ЗаЬ причем а 1,2,...Mi fj-a + 1, если j a

н

fj-a + 1 f М; если j a.

5 При этом совпадение пучков света на элементах матриц транспаранта 2 реализуется на тех строках матриц 3n,3i2SMIMI,

которые соответствуют разности чисел, закодированных в матрицах 8i, 82 SMI и

0 матрицах 10i, 102 Юм) для соответствующих элементов. Например, при вычитании двух чисел системе остаточных классов по модулю М 3 для элемента матрицы размерностью 2x2 (см. фиг.З) сов5 падение выполняется во второй строке матрицы 3 транспаранта, что соответствует А-В 2-1 1. Работа остальных операционных оптических блоков 1i, 12 1к (фиг.1)

аналогична.

0 Оптический операционный блок (по фиг.2) работает следующим образом. Объективами 14 и 15 изображение группы 1 матричных оптических входов 81, 82 SMI

проецируется на плоскость оптически уп5 равляемого транспаранта 2. В параллельных пучках объективов 14 и 15 расположены полупрозрачные зеркала 17-19 и зеркало

20,разделяющие параллельный пучок на две части, что позволяет осуществлять

0 проецирование изображения матриц 8i, 82, ..., SMI на транспарант 2 с различными путями прохождения параллельных пучков в зависимости от электрического сигнала на входе выбора операции 13, которым

5 при операции сложении открывается оптоэлектронный затвор 4 и параллельный пучок проходит через Мггранную призму

21,а инверсным значением сигнала с входа 13 через инвертор 6 закрывается

0 затвор 5. При операции вычитания запрещающим значением сигнала с входа 13 закрывается затвор 4, а инверсным значением этого сигнала за счет инвертора 6 открывается затвор 5 и параллельный пу5 чок проходит через Mi-границ призму 22. Количество граней призм 21 и 22, а также углы наклона каждой грани выбраны такими, чтобы реализовать мультипликацию изображения матриц 81, 82SMI на поверхности транспаранта 2«в направлении

главной диагонали при операции сложения призмой 21 и в направлении вспомогательной диагонали призмой 22 при операции вычитания, для чего призма 21 повернута на угол +45° в плоскости, перпендикулярной направлению распространения пучков, а призма 22 - на угол -45° в той же плоскости. Для реализации описанной закономерности распределения изображений матриц 8i,

82SMI на поверхности транспаранта 2 по

матрицам 3ц, 3iaGMIMI возникает необходимость в мультипликации изображения группы 7| в направлении оси у, что выполняется призмой 16, делящей апертуру объективов 14 и 15 на три равные по площади части и реализующую соответственно трехкратную мультипликацию в заданном направлении. Изображения матриц 10i, 102Юм группы 9i второго оптического картинного входа проецируются на поверхность транспаран- та 2 объективами 25 и 15 и объединяются с параллельными пучками с группы 1 матриц

8i, 82SMI полупрозрачным зеркалом 18.

М|-гранной призмой 23, расположенной в параллельных пучках объективов 25 и 15, изображение матриц 10i, 102,..., Юм мультиплексируется на MI в направлении оси Y на поверхности транспаранта 2 так, что они оптически совмещаются поэлементно с матрицами Зц, 3i2, ..., Зм1М1, причем каждая 10 j-я матрица совмещается со всеми 3ij, 32j, .... 3Mij матрицами соответствующего столбца В результате поэлементного логического умножения изображений в оптически управляемом транспаранте 2 проходящие пуч- ки света соответствуют элементам матриц с номером строки, соответствующим численным значениям результата выполняемых операций. Полученное изображение матриц

Зц, 3i2SMiMi проецируется объективами 26

и 27 и построчно мультиплексируется соответственно на матрицах 12i, 12212м1 Фуппы

11i оптического картинного цифрового выхода.

Формула изобретения Оптоэлектронное модульное устройство для параллельного сложения оптических цифровых картин в системе остаточных классов, содержащее первый и второй циф- ровые картинные входы и цифровой картинный выход, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных воз- можностей за счет операции вычитания и повышения быстродействия, в него введе- ны К операционных блоков (К - количество модулей в системе остаточных классов, используемых в данном устройстве), каждый

из которых состоит из первого и второго оптоэлектронных затворов, имеющих MI оптических цифровых матричных входов и выходов, где Mi - значение -го модуля в системе остаточных классов (I 1,К), инвертора, вход которого соединен с управляющим входом первого оптоэлектронного затвора, а выход соедийен с управляющим входом второго оптоэ/гектронного затвора, и матрицы оптически управляемых транспарантов, содержащей MI строк и MI столбцов, первый и второй цифровые картинные входы устройства содержат К групп по Mi матричных цифровых оптических входов размером mxn, где mxn - размеры оптических цифровых картин, поступающих на тэходы устройства, цифровой картинный выход содержит К групп по MI матричных цифровых оптических выходов, причем входы инверторов всех К операционных блоков соединены с входом задания операции устройства, j-й матричный цифровой оптический вход 1-й группы первого цифрового картинного входа оптически соединен с j-ми оптическими входами первого и второго оптоэлектронных затворов 1-го операционного блока О И,М|), j-й матричный цифровой оптический вход 1-й группы второго цифрового картинного входа оптически соединен с оптически управляемыми транспарантами j-ro столбца матрицы оптически управляемых транспарантов 1-го операционного блока, оптические выходы J-й строки матрицы оптически управляемых транспарантов 1-го операционного блока соединены с j-м матричным цифровым оптическим выходом 1-й группы цифрового картинного выхода, J-й оптический выход первого оптоэлектронного затвора 1-го операционного блока оптически соединен с оптически управляемыми транспарантами, расположенными на пересечении а-й строки и b-го столбца матрицы оптически управляемых транспарантов, где а 1,Mi.

(

a-J + 1, если а J;

.а-j + 1 + Mi, если а J, J-й оптический выход второго оптоэлектронного затвора 1-го операционного блока оптически соединен с оптически управляемыми транспарантами, расположенными на пересечении а-й строки и b-ro столбца, где а- рй|,

j-a+ 1, если} Ја;

j-a + 1 + Mt, если J a.

Изобретение относится к области вычислительной техники, преимущественно к оптоэлектронным системам параллельной (картинной) обработки информации. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет операции вычитания и повышение быстродействия. Оптоэлектронное модульное устройство для параллельного сложения оптических цифровых картин в системе остаточных классов содержит К операционных блоков 1, состоящих из оптически управляющих транспарантов 2, включающих в себя М столбцов и М строк матриц 3, двух оптоэлектронных затворов 4, 5 и инвертора 6, К групп оптических входов 7 первого цифрового картинного входа, содержащих по М матричных цифровых оптических входов 8, К групп оптических входов 9 второго цифрового картинного входа, содержащих по М матричных цифровых оптических входов 10, К групп оптических выходов 11 цифрового картинного выхода, содержащих no M матричных цифровых оптических выходов 12, и входа 13 задания операции 3 ил. з &

ИЙs-

13

1к

s f

C8IISII