Аналого-цифровой преобразователь изображений Советский патент 1993 года по МПК G02F7/00 

Изобретение относится к оптоэлект- ронной 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 осуще- ствдении 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 модулятор2 света, пороговый блок 3, блок 4 формирования разрядных весовых коэффициентов, выполненный 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 светообъединитель 14 с оптическим входом блока 1 вычитания и запоминания изображений, второй вход светообъ- единителя 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, электрический

Ё

00

о

со

Ю

о ю

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 блокЗ 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 , ,..., 8, 4, 2, 1, код Фибоначчи с весами Wn Wn-i + Wn-2, Wn-i, Wn-2,..., 13, 8, 5, 3, 2, 1 и другие коды,

Рассмотрим алгоритм работы устройст- ва. 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 изображение в виде матрицы I |РХу , где х, у - координаты произвольной точки изображения; РХу-значение удельной мощности (на единицу площади) точки изображения с координатами (х,у). Величина одной градации мощности АР (шаг квантования по мощности) будет равен:

АР Pmax/N,

0)

где Ртах - максимальное значение входной удельной мощности;

N - количество различимых градаций мощности,

Для прямого двоичного кода разрядностью п:

N2 2n .

Для произвольного n-разрядного двоичного кода с весами Wi(l 1 /п):

N 1 + 2 Wi . I 1

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, номеру I выходного бинарного среза присваивается значение п, где п - разрядность используемого кода. Затем,если (старший бинарный срез имеет номер п, а младший бинарный срез имеет номер 1), то производится запись входного изображения (вершина 4), а если I Ф п, 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 выходе

которого в результате появляется двухгра- дационное изображение I Ibxyl I, являюще- eciji старшей битовой картиной. Здесь U(2)ln - пороговая функция, определяемая следующим образом

1, если Z П;

U(Z) |п {

L 0, если2 П;

В вершине 5 алгоритма записана пороговая функция от матрицы, результатом которой является бинарная матрица I Ibxyl I, содержащая единицы в тех координатах (х, у), где РХу П и содержащая нули в тех кофдинатах (х, у), где РХу П. Во-вторых, в вершине 5 значение I уменьшается на единицу. Вершина 6 алгоритма - условная, в ней проверяется равенство номера выход- ноф бинарного среза единице. Если равен- ствр не выполняется, то не все битовые картины ещё получены, поэтому произво- дит|ся коррекция изображений в блоке 1 пу- тем| 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, заключающаяся сбросе порогового блока 3 и выставление новых коэффициентов пропускания модуляторов 2 и 5, соответствующих новой величине порога П, определяемой весом следующего за старшим разряда. Далее осуществляется переход на вершину 3 и действия алгоритма повторяются уже для другой величины порога П. Количество циклов работы равно разрядности п используе- могр кода.

Для подробного рассмотрения работы устройства остановимся вначале на работе его (составных частей.

;Блок 1 вычитания и запоминания изо- бра|кений в качестве оптически управляе- могб транспаранта 8 с инверсией контраста содержать, например, ОУТ типа ПРрМ. В качестве источника 9 коллимиро- считывающего излучения может ис- пол1 зоваться полупроводниковый лазер или гелий-неоновый лазер с 0,63 мкм, так как почти не чувствителен к красному излучению. Для записи изображения в бло(: 1 необходимо входное изображение в синем или ультрафиолетовом свете подать на вход светообьединителя 24, с выхода ко- оно будет воздействовать на кристалл ОУТа 8. При этом между его электродами 20 и 21 должна присутствовать отрицательная разность потенциалов,

Входное изображение запомнится в виде пространственного распределения заряда в кристалле. Для считывания изображения 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 двулучепреломление кристалла приводит благодаря поляризатору 26 и ана0 лизатору 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

5 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 вычита0 емое 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

5 нулевой разности потенциалов между электродами 20 и 21.

Кроме конкретного выполнения блока 1 вычитания и запоминания изображений, представленного на фиг. 1, его можно так0 же выполнить на ОУТ ПРОМ и Фототи- тус, работающих на отражения, а также на жидкокристаллических (ЖК) ОУТ с двухча- стотным питанием и локально управляемым светом стиранием. В последнем

5 случае источник стирающего излучения не нужен, т.к. стирание будет осуществляться ВЧ напряжением. Использование ЖК ОУТ предпочтительнее с точки зрения согласованности длин волн записы0 вающего 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.

5 На фиг. 1 оно показано в виде ОУТа 32 типа фото п р иемн и к-э л ектро оптический кристалл, работающего на отражение, с внешней оптической обратной связью. Фотоприемный слой ОУТа 32 должен быть

0 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 Я 442 мкм. При высоком потен5 циале 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,

появляется 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(выклю- чить 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 также 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. алго- ритм на фиг. 2) производится стирание информации в блоке 1 (источник 10 включен высоким потенциалом V23 (см, фиг. 3) на своем электроде), а разность потенциалов между электродами 20 и 21 ОУТа 8 V (20, 21) 0) и подготовка к работе:

1) сброс порогового блока 3 (источники 9 и 29 выключены низкими потенциалами соответственно на входе 22 (V22) и входе 16 (V16));

2) выставление коэффициентов пропуска- ния модуляторов 2 и 5. Порог срабатывания порогового блока 3 выбирается равным ДР. Порог срабатывания системы, состоящей из модулятора 2 и порогового блока 3, равен П &P/rjM2, где rjM2 коэффициент пропу- скания модулятора 2. Следовательно, для получения порога П| Wi ДР в 1-м цикле необходимо выбрать /M2 из равенства Wi 1/W|. Модулятор 6 пропускает 1/4 часть входного излучения, так как вес старшего разряда равен 4, т.е. потенциал V17 на входе 17 равен (1/4Vmax), где Vmax - потенциал, при котором модулятор 2 полностью прозрачен, Модулятор 5

определяет удельную мощность единичных уровней бинарного изображения, его коэффициент пропускания Г}м2 прямо пропорци:

Wi онален весу 1-го разряда: /15 -гг.

Поэтому в данном примере в первом такте

л коэффициент tjM5 0,5, т.к. вес старшего

разряда 4, а N 8. В этом случае V18 0,5Vmax.

Затем в такте Запись входное полутоновое изображение в синем или УФ свете подается на параллельный оптический вход 15 преобразователя. При этом ОЭЗ 6 закрыт (низкий потенциал V19 на входе 19),источни- ки 9, 10 и 29 выключены (низкие потенциалы V22, V23 и V16), разность потенциалов между входами 20 и 21V(20, 21) - отрицательная. Состояния модуляторов 2 и 5 без изменений. Такое распределение сигналов на управляющих входах определяет запись входного изображения в ОУТ 8 в виде пространственного распределения зарядов.

Для правильного функционирования устройства необходимо, чтобы входное полутоновое изображение воздействовало на вход 15 устройства только в течение такта Запись, Для этого источник 38 входного изображения может быть снабжен оптоэ- лектронным затвором 39, который открывается высоким потенциалом от блока 11 управления только в течение такта Запись (сигнал V39 на фиг. 3).

В следующем такте (выделение среза) ОЭЗ 6 закрыт (V19 - низкий, источник 10 выключен (низкий V23), V(20, 21) О, V17 и V18 без изменений, источники 9 и 29 выключены (V22 и V16 высокие). При этом излучение лазера 9, пройдя через ОУТ 8, считывает записанное 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 11 поступает на выход 12 преобразователя.

В следующем такте (вычитание) ОЭЗ 6 открыт (высокий V19), разность потенциалов V(20, 21) положительная, V16 без изменений, источник 9 отключен (низкий V22), При открывании ОЭЗ 6 бинарный срез с выхода светоделителя 11 через модулятор 5, задающий удельную мощность его светлых участков, ОЭЗ 6, отражатель 13, светообъе- динители 14, 24, 25,поступает на вход ОУТа 8 и вычитается из него, т.к. разность потенциалов (20, 21) отрицательная.

Во втором цикле описанные действия повторяются, с тем лишь отличием, что нет

такта Запись, а вместо такта Стирание и подготовка производится такт Подготовка, в котором выставляется коэффициент пропускания модулятора 2 равным 1/2(т.к. ве;с среднего разряда равен 2), а коэффициент пропускания модулятора 5 равным 1/4. 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 4г+(п-2) Зт+2г 3пт

(2)

где т- длительность такта работы данного устройства.

Следует отметить, что после второго такта последнего цикла (т.е. в конце преоб- ра ования) в ОУТе 8 останется нескомпенси- рованный зарядовый рельеф, максимальные значения локальных зарядов в котором (при считывании) в случае правильного функционирования устройства не должны превышать величины двух градаций оптической мощности. Т.о.,в данном устройстве имеется : возможность контроля правильности ан лого-цифрового преобразования (кон т- ролеспособность).

Если же необходимо организовать непрерывный режим работы преобразователя с автоматическим преобразованием посту- пайэщих на вход изображений, то в алгоритме вместо перехода с истинного выхода условной вершины 6 на вершину 9, необхо- ди(о 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 Рд источника 9 выбирается из ус- лов;ия, 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 Ртах (см. формулу (1)). При этом порог срабатывания порогового блока 3 должен быть равен ДР. Итак, мощность источника 9 при площади S рабочей апертуры устройства, равна:

Ртах S

Рэ

1J26 1J25 Г}8 ф.7 1J2 фб

где rjm - коэффициент пропускания света элементом оптического тракта с номером m (j;m 11), причем //в и д - коэффициенты пропускания максимально прозрачных соответственно ОУТа 8 и модулятора 2 света. Мощность Р29 источника 29 света выбирается из условия, что при полностью открытом модуляторе 5 и максимально отражающем ОУТе 32 удельная мощность

света на входе ОУТа 8 должна быть равна Ртах N ДР. С учетом затухания оптического тракта и при площади S рабочей апертуры устройства:

р - Pmax-S.

У32 34 In S ,i rt &4 tf7

где ip,2 и tj5 коэффициенты пропускания соответственно максимально отр ажающе- го ОУТа 32 и максимально прозрачного

модулятора 5, /з1 берется дважды, т.к. свет источника 29 дважды проходит через свето- расщепитель 31.

Выходные битовые картины в данном устройстве получают с разделением во времени. Битовые картины с выхода 12 преобразователя можно подавать непосредственно на вход обрабатывающей части оптоэлект- ронного процессора, либо накапливать в страничном запоминающем устройстве.

Электронный блок 7 управления представляет собой конечный автомат с необхо- димыми формирователями уровней сигналов управления ОЭЗ, модуляторами, ОУТами и источниками света. Он может

быть синтезирован по алгоритму (фиг. 2) известными методами в виде автомата с жесткой логикой, автомата с программируемой логикой, либо по схеме, представленной на фиг. 4. Схема управления преобразователем для случая трехразрядного прямого двоичного 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

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 V(20, 21), V17 и V18 отведено по два разряда. Соответствие кодовых комбинаций в этих двух разрядах кодируемым

значениям сигналов V(20, 21), V17 и V18 представлено в табл.2.

При поступлении импульсов генератора 40 на вход счетчика 41 код на его выходах увеличивается циклически от 0 до 8 (9 тактов). 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 V39, V19, V22, V(20, 21), V17, V16, V18nV23.

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 прототипа

Тпр 2 Тпр,

где тпр - длительность такта работы прототипа.

Время преобразования данного устройства (см. формулу (2))

Т 3пт.

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 оптоэ- лектронные затворы и D-защелки в прототипе могут быть выполнены, например, на ЖК пространственно-временных модуляторах света с использованием сегнетоэ- лектрических хиральных смектиков, для которых t3n tcinp 5 с. В связи с этим можно принять Тпр т 5 с. Отношение времен преобразования прототипа и данного устройства

ТПр/Т 2п/(Зп).

Из этой формулы видно, что Т ТПр при п 3, т.е. данное устройство обладает более высоким быстродействием при многоразрядных преобразованиях (при п 3).

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. Ф о рмула изобретения Аналого-цифровой преобразователь изображений, содержащий последовательно

оптически связанные блок изменения интенсивности изображений, 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, от л и ч а ю- щ и и 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 оптоэлектронно- го 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, оптоэлект- ронного затвора, оптически управляемого транспаранта, управляющим входам источника коллимированного считывающего света и источника стирающего света.

Таблица 1

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 управляемые модуляторы света связаны с входом транспаранта, который является входом устройства. Выходом устройства является выход порогового блока. 4 ил. 3 табл.

Таблица 2

Таблица 3

CN О

3 П О

со

/. - J

ra -----

Стирание ипопготовка к работе А стирание информации в блоке I

1Л,Г-о

д сброс порогового устройства 3

||Ц1|: 0 з) выставление величину порога

Я-и Р

Ь) /:-/&Ј

начало

J

%г.

Vut.S

ФигЛ