Аналого-цифровой преобразователь изображений Советский патент 1992 года по МПК G02F7/00 

Изобретение относится к оптоэлект- ронной вычислительной технике и может использоваться в оптоэлектронных параллельных цифровых процессорах для преобразования полутонового изображения в набор бинарных срезов.

Целью изобретения является увеличение быстродействия, расширение функциональных возможностей за счет аналого-цифрового преобразования в любой наперед заданный вид двоичного кода и/или по любой заранее заданной функциональной зависимости, а также использование функционально и конструктивно более простых оптически управляемых транспарантов с памятью.

На фиг.1 представлена структурная схема преобразования; на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование входной интенсивности в длительность; на фиг.З - временные диаграммы работы устройства; на фиг.4 - управляющие сигналы и таблица прошивки области ПЗУ для преобразования по коду Грея; на фиг.5 и 6 - получение управляющих сигналов для преобразования по функциональной зависимоVI

сл

К

VI

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

Преобразователь состоит из источника 1 коллимированного светового потока с линейно нарастающей интенсивностью, светообьединительного элемента 2, порогового инверсного оптически управляемого транспаранта (ОУТ) 3, блока 4 формирования оптического сигнала окончания измерительного интервала, мультипликатора 5 изображений, оптоэлектронных затворов 6i-6n, п ОУТ с памятью, электронного блока 8 управления, включающего тактовый генератор 9, двоичный вычитающий счетчик 10, постоят ;е запоминающее устройство (ПЗУ) 11, п формирователей 12i-12n импульсов управления оптоэлект- ронными затворами, причем оптический вход 13 устройства связан 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 связан через пороговый инверсный ОУТ 3 и блок 4 формирования оптического сигнала окончания 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 управляемого транспаранта 7 ( - Т, п) с памятью, электрические входы 14i-14n оптоэлектронных затворов 6i-6n подключены к соответствующим управляющим выходам электронного блока 8 управления, m младших адресных входов 15i-15m ПЗУ 11 подключены к выходам разрядов двоичного вычитающего счетчика 10, а р старших адресных входов 15m+i-15m+p ПЗУ 11 являются адресными входами 16i-16p электронного блока 8 управления, выход 17 переноса счетчика 10 соответствует выходу синхронизации электронного блока 8 управления, 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 памятью, счетный вход 21 счетчика 10 соединен с выходом тактового генератора 9, выходы ПЗУ 11 подключены к входам соответствующих формирователей 12i-12n импульсов, выходы которых являются управляющими выходами электронного блока 8 управления.

Устройство работает по принципу преобразования интенсивности каждой точки входного изображения в длительность временного интервала, которая затем косвенно измеряется путем фиксации значений разрядных импульсных последовательностей в момент времени, определяемый границей

измеряемого временного интервала. Преобразование интенсивности в длительность производится параллельно, т.е. одновременно для всех точек входного изображения. Это происходит путем суммирования

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

входной световой картины и плоско-параллельного светового потока от источника 1 подается на инверсный ОУТ 3, передаточная 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 появляется световой сигнал. Таким образом, логический

световой сигнал Ь на выходе порогового инверсного ОУТ 3 записывается как

/ 1,если1Вх-Н1(г) П;

з- . ,(1)

( 0, если 1вх + M(t) П;

v

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

H(t) - линейно нарастающая 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 связаны соотношением

П

IBX макс

01(1

макс

2 -А18Х, (2)

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

Поскольку функция h(t) линейная, возрастающая и периодическая (допустим,что период ееизменения равен величине Т), тогда

Oi(t

макс

liCO-k T,(3)

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

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

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

МХ.У) + k t1 IBX макс

И)

и равен

ti

IBX макс IBX (x.y)

(5)

Таким образом, время ti присутствия нулевого сигнала на выходе инверсного ОУТ прямо пропорционально разности IBX макс - Ux(x,y). Длительность единичного сигнала на выходе порогового инверсного ОУТ 3 определяется как разность Т - ti, причем время Т - время, за которое линейно нарастающая 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 прямо пропорциональна величине входной интенсивности. Теперь измерение входной интенсивности сводится к измерению длительности единичного светового сигнала на выходе порогового инверсного ОУТ 3. Производится это путем выделения на блоке 4 передних фронтов единичных импульсов от всех точек изображения, 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- ляемые транспаранты 7-|-7п, которые представляют 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 производится в определенные моменты времени путем модуляции пропускания оптозлектронных затворов 6i-6n. Управление прозрачностью оптоэлектронных затворов 6i-6n производится сигналами с выходов электронного блока 8 управления. Управляющие сигналы для аналого-цифрового преобразования входной интенсивности в обычный двоичный код для случая использования трех транспарантов , 7i -7з представлены на фиг.З (Ii2-i, I12-2, 112-3). Это могут быть сигналы выходов вычитающего счетчика. Единичное значение управляющего сигнала соответствует прозрачному состоянию соответствующего оптоэлектронного затвора, а нулевое значение - непрозрачному состоянию. На фиг.З показано получение кода для интенсивности произвольной точки входного изображения с координатами (х,у) величиной 1Вх(х,у). Интенсивность Ux(x,y) преобразуется длительность (Т - tx) единичного сигнала з с выхода порогового инверсного ОУТ 3, сигнал Ц получают на выходе блока 4 формирования оптического сигнала окончания 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 запишется только в транспарант 7з в точке с координатами (х,у). В транспарантах 7i и 72 в точках с координатами (х,у) остаются нули. Это говорит о том, что двоичный код входной интенсивности в точке (х,у) равен 100, т.е. числу 4.

Аналогичным образом одновременно кодируются остальные точки входного изображения. В результате на транспарантах 7i, 72 и 7з получают двоичные картины, которые являются разрядными плоскостями соответственно от младшей до старшей двоичных кодов точек входного изображения. По истечении периода Т изменения линейно нарастающей интенсивности на выходе 17 переноса счетчика 10 формируется сигнал переноса, который обнуляет пороговый инверсный ОУТЗ, оптически управляемые транспаранты 7i-7n и запускает с нуля источник 1 коллимированного светового потока с линейно нарастающей интенсивностью. После этого цикл преобразования повторяется.

Для преобразования входной интенсивности в другой вид двоичного кода необходимо сформировать соответствующие управляющие сигналы на выходах блока 8 управления (сигналы ii2-i-ii2-n). Вид управляющих сигналов и карта прошивки области ПЗУ 11, например, для кода Грея в случае трех транспарантов 7т-7з показан на фиг,4. Для осуществления двоичного преобразования в любой код применено ПЗУ 11, в котором записаны коды управляющих сигналов для принятых к использованию видов кодов Выбор вида кода преобразования осуществляется определенной комбинацией сигналов на адресных входах 16i-16p блока 8 управления, которые выбирают соответствующую область памяти, в которой записаны управляющие сигналы.

Выбор набора управляющих сигналов по тактам работы АЦП осуществляется внутри выбранной области памяти посредством изменения кода на выходах 15i-15m счетчика 10 путем подачи на него импульсов от тактового генератора 9. Таблица прошивки области памяти ПЗУ 11, соответствующая коду Грея, также показана на фиг.4.

В устройстве возможно также осуществлять аналого-цифровое преобразование по заданной функциональной зависимости, В этом случае также необходимо прошить соответствующим образом определенную область ПЗУ 11. Пример получения вида управляющих сигналов для преобразования в прямой двоичный код по функциональной зависимости показан на фиг.5. В этом случае получаются неравные уровни квантования, поэтому разбиение периода Т повторения светового потока с линейно нарастающей интенсивностью на 8 тактов, как это было для случаев на фиг.З и 4, оказывается недостаточным Для более точной аппроксимации неравных уровней квантования необходимо разбить период Т на интервалы, длительность которых меньше или равна длительности самого короткого управляющего сигнала (Ug импульсы на выходе тактового генератора 9, фиг,б). Всего интервал Т разбит на 48 тактов. Прошивка области ПЗУ 11, соответствующая управляющим сигналам (фиг.6), показана в таблице.

Таким образом, при проектировании конкретного устройства определяется набор необходимых видов преобразований и необходимых функциональных зависимостей. Осуществляется соответствующая прошивка ПЗУ. Затем в процессе работы можно выбрать вид аналого-цифрового преобразования изображения (в какой код и по какой зависимости) путем выбора соответствующей области памяти ПЗУ 11 управляющим кодом на адресных входах блока 8 управления.

Источник 1 коллимированного светового потока может быть выполнен, например,

в виде полупроводникового лазера или све- тоизлучающего диода с коллиматором, управляемого от функционального генератора тока, форма тока на выходе функционального генератора должна изменяться таким образом, чтобы скомпенсировать нелинейную зависимость ампер-ваттной характеристики применяемого светоизлучателя.

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

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

Светообъединительный элемент 2 - это тот же мультипликатор изображений на два выхода, только вход мультипликатора является выходом светообьединителя, а выходы мультипликатора являются входами светообъединителя.

Блок 4 формирования оптических сигналов окончания измерительных интервалов (фиг.7) содержит Светообъединительный блок 22, устройство 23 задержки и инверсный оптически управляемый транспарант 24. Процесс формирования коротких импульсов по передним фронтам оптических сигналов, поступающих на вход светообъе- динительного блока 22, осуществляется на

выходе инверсного транспаранта 24, на сигнальный параллельный оптический вход которого входные оптические сигналы поступают непосредственно, а на управляющий 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-оптическая линия связи.

В качестве оптически управляемых

транспарантов 7i -7П можно использовать

приборы ПРОМ, ФОТОТИТУС или типа

ФП-ЖК с обратной связью.

Прототип выполняет аналого-цифровое преобразование изображений только в обычный двоичный код, в то время как данное устройство может осуществлять аналого-цифровые преобразования 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

Время преобразования определяется 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 управления).

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

В прототипе можно использовать только те ОУТ, которые имеют режим записи и стирания светом. В качестве таких ОУТ могут использоваться только ОУТ типа ПРОМ или ОУТ ФП-ЖК с двухчастотным управлением и возможностью локального стирания светом. Время 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 для запоминания выходных бинарных картин. Однако повышение быстродействия порогового блока в данном случае не приведет к улучшению быстродействия всего устройства.

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

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

ОЭЗ также могут быть достаточно быстродействующими. Так, ОЭЗ на основе электрически управляемого пространственного модулятора света на ЦТСЛ керамике имеют время цикла включение-выключение .

Время фиксации информации в ОУТ 7,

т.е. минимальная длительность оптического импульса, фиксируемого ОУТ, при использовании, например, ЖК ОУТ может быть порядка с, что значительно меньше времени формирования фотоотклика (10 с). В

предлагаемом устройстве ОУТ, на которых запоминаются выходные бинарные картины, функционально более простые, чем аналогичные в прототипе, т.е. в прототипе ОУТ должны иметь режимы локально управляемой светом записи и стирания, а ОУТ в предлагаемом устройстве являются 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 является время цикла включения-выключения ОЭЗ (10 с), примем длительность такта работы предлагаемого устройства Гзу 10 с. Отношение времени преобразования прототипа Тпр времени преобразования

предлагаемого устройства Тзу

2 Тпр10

i-зу

10

-6

100

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

Формула изобретения Аналого-цифровой преобразователь изображений, содержащий источник колли- мированного светового потока с линейно нарастающей интенсивностью, оптически связанный с первым входом светообъеди- нительного элемента, второй вход которого является входом преобразователя, а выход светообъединительного элемента связан с входом порогового инверсного оптически управляемого транспаранта, мультипликатор изображений, п оптически управляемых транспарантов с памятью, выходы которых являются выходами преобразователя, электронный блок управления, включающий в себя тактовый генератор, подключенный к

счетному входу двоичного вычитающего счетчика, выход переноса которого соответствует выходу синхронизации электронного блока управления, и формирователи импульсов, выходы которых являются управля- ющими выходами электронного блока управления, при этом вход запуска источника кол л ими рова иного светового потока с линейно нарастающей интенсивностью подключен к выходу синхронизации элект- ронного блока управления, отличающий- с я тем, что, с целью увеличения быстродействия и расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введены блок формирования оптического сигнала окончания измерительного интервала, вход которого связан с выходом порогового инверсного оптически управляемого транспаранта, а выход - с входом мультипликатора изображений, а также п оптоэлектронкых затворов, оптические входы которых связаны с соответствующими выходами мультипликатора изображений, а оптические выходы - с оптическими входами соответствующих оптически управляемых транспарантов с памятью, при этом электрические входы оптоэлектронных затворов подключены к соответствующим управляющим выходам электронного блока управления, последний дополнительно снабжен постоянным запоминающим устройством, m младших адресных, входов которого подключены к выходам разрядов двоичного вычитающего счетчика, а р старших адресных входов являются адресными входами электронного блока управления, выходы постоянного запоминающего устройства подключены к входам соответствующих формирователей импульсов, а электрические входы оптически управляемых транспарантов с памятью подключены к выходу синхронизации электронного блока управления.

Изобретение относится к оптоэлектро- нике и вычислительной технике и может быть использовано в системах обработки изображений для ввода полутоновых изображений в параллельные цифровые оптоэлектронные процессоры. Целью изобретения является увеличение быстродействия и расширение функциональных возможностей преобразователя. Устройство включает в себя пороговый оптически управляемый инверсный транспарант, на вход которого подается сумма входного изображения и пространственно однородного коллимированного светового потока от источника с линейно нарастающей интенсивностью. Выход порогового транспаранта через блок формирования оптического сигнала окончания измерительного интервала оптически связан с входными апертурами п оптоэлектронных затворов, выходы которых связаны с оптическими входами п оптически управляемых транспарантов с памятью. Электронный блок управления, содержащий постоянное запоминающее устройство, подключен к входу запуска источника коллимированного светового потока, электрическим входам оптоэлектронных затворов и оптически управляемых транспарантов с памятью. Наличие быстродействия обусловлено однократностью срабатывания оптически управляемых транспарантов с памятью. Расширение функциональных возможностей обусловлено программируемостью вида кода преобразования. 7 ил., 1 табл. ё

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

Содержание ячейки 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-я,

ifrt CSll

Рхг.7

II

Фиг. 6

У