Элемент вычислительной среды Советский патент 1975 года по МПК G06F7/00 

(54) ЭЛЕМЕНТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ

1

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для построения вычислительных и распознающих систем.

Иввестен элемент вычислительной ере- ды, содержащий функциональный преобразователь, образованный группой функциональных ячеек, и схему запоминания, вход которой соедине}{ с выходом функционального преобразователя,а входы последнего соединены с выходом схемы запоминания и

с входами элемента.

Этой вычислительной среде, ориентированной на обработку и распознавание изображений, свойственна сложность сопряжения фотоэлектрических преобразователей с функциональными ячейками, с помощью которых осуществляется преобразование изображений на решетке.

Цель изобретения - упрощение элемента и повыщение технологичности его изготовления. Достигается это тем, что предложенный элемент построен по единому физическому принципу - на базе фотоэлект- рооптических логических квантователей,

каждый из которых включает в себя фотоэлектрический преобразователь, модулятор света и накопитель энергии (конденсатор ).

Предложенный элемент вычислительной среды отличается от известных тем, что каждая функциональная ячейка функционального преобразователя элемента содержит модулятор света, к электрическим входам которого подключены фотоэлектрический преобразователь и нагрузочный конденсатор, а оптические выходы модуляторов света первой, второй, третьей и четвертой функциональных ячеек подключены к оптическим входам фотоэлектрических преобразователей второй, третьей, четвертой и первой функциональных ячеек соответственно, оптический вход функционального преобразователя третьей ячейки подключен также к оптическому выходу модулятора света четвертой ячейки. Это упрощает также конструкцию вычислительной среды в целом и повыщает технологичность ее изготовления, так как функции соединитель.ных каналов выполняет диэлектрик, который может быть общим для всех элементов. Последнее обусловлено,нейтральностью фотонов. Применение диэлектрика для выполнения соединений дает возможность эффективно иснользовать третье измерение, что позволяет выполнить вычислительную среду без электрических пересечений.

На фиг. 1 приведена схема элемента вычислительной средьч на фиг. 2 - изображена структура вычислительной среды.

Элемент содержит модуляторы света 1-10, к электрическим входам которых подключены фотоэлектрические преобразователи 11-33. Входы оптические 34-47 фотоэлектрических преобразователей 1124, оптические входы 48-54 модуляторов света , оптические входы 55-61 фотоэлектрических преобразователей 25-31, оптические входы 62-64 модуляторов света 8-10. На входы 36, 38, 40, 42, 44, 46 сигналы поступают с оптических выходов 65 соседних элементов вычислительной среды. входы 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47 предназначены для приема сигналов, с помощью которых осуществляется поиск требуемой геометрической конфигурации, а сигналами, подаваемыми на входы 55-61, осуществляется маскирование требуемых соседних элементов.

Оптические входы 48-54, 62-64 модуляторов света 1-7, 8-10 предназначены для подачч считывающих световых потоков. Полюсы 66-76 соединяются вместе и подключаются к источнику управляющих сигналов, с помощью которого производится управление-зарядом/разрядом нагрузочных конденсаторов 77-9О.

Л одуляторы света 1-7 и фоаоэ ектрйческие преобразователи 11-24 совместно с нагрузочными конденсаторами, связанными с электродами указанных модуляторов, образуют первую функциональную ячейку. Фотоэлектрические преобразователи 25-31, модулятор света 8 и конденсатор 91, подключенный к электроду этого модулятора, образуют вторую функциональную ячейку. Третью функциональную ячейку образует модулятор света 9 и фотоэлектрический преобразователь 32 с конденсатором 92, а четвертую - фотоэлектрический преобразователь 33 и модулятор света 10 с конденсатором 93. Первая и вторая функциональные ячейки образуют функциональный преобразователь элемента вычислительной среды, а третья и четвертая функциональные ячейки - схему запоминания.

Каждая из элементарных схем первой функциональной ячейки, например, схема,

образованная фотоэлектрическими преобразователями 23 ) 24 и модулятором света 7 с нагрузочным конденсатором, реализует функцию логическая равнозначность, т. е. функцию

у-Х -ЛгУЛг г ,

где X - X - логические переменные на

Ессодах 46, 47., а j - сигнал на входе модулятора света 7. При этом функционирование первой функциональной ячейки, складывается из двух этапов.

Пусть в исходном состоянии заряд на нагрузочных конденсаторах отсутствует, а каждый из модуляторов 1-7 пропускает свет тогда, когда разность потенциалов на электродах равна нулю.

Такт 1. Подача напряжения на полюсы 66-73, логических сигналов на входы 34-47 и вслед за ними считьюающих световых потоков на входы 48-54. Высокий уровень светового потока на входе, например, модулятора 7 будет иметь место только в том случае, когда X Х .

Такт 2. Разряд конденсаторов первой функциональной ячейки. Это осуществляется путем освещения фотоэлектрических преобразователей 11-24. При этом полюсы 6673 должны быть подключены к щине земля.

При перестановке тактов каждая из элементарных схем первой функциональной ячейки реализует функцию сумма по mod

vx -х .

Вторая функциональная ячейка выполняет логическую функцию

Z.A (

где X -X - сигналы на выходах модуля.торов света 1-7 соответственно, ., - У

сигналы на входах 55-61, а 2 - сигнал на выходе модулятора света 8.

Функционирование второй функциональной ячейки также складывается из двух этапов.

Такт. 1. Подача напряжения на полюс 74, логических сигналов на входы фентоэлектрических преобразователей 25-31 и вслед за ними считывающего светового потока на вход 62. Высокий уровень светового потока на выходе модулятора света 8 будет иметь место только в том случае, когда хотя бы на один из входов каждого фотоэлектрического преобразователя 25-31 действовал световой поток высокой интенсивности.

Такт 2. Разряд конденсатора путем подачи светового потока на входы 53-61 При этом поЛюс 74 нужно подключить к шине земля.

При перестановке тактов вторая функциональная реализует функцию

(X,vyt) , bl,2,... ,7.

Отметим, что конденсаторы в первой и второй функциональных ячейках можно заменить на активные сопротивления. При этом реализация описанных функций будет осуществляться в один такт.

Совместная работа первой и второй функциональных ячеек может быть описана следующим образом.

Обозначим через и состояние схемы

запоминания (сигнал на выходе 65, т. е. на входе 34), через fl - Q - переменные, поступающие на входы 36, 38, 40, 42, 44, 46, соответственно через Ь- - Ь„ - переменны, поступающие на

входы 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47 соответственно, через С -С - переменные,

поступающие на входы 55-61 соответственно, через у на выходе модулятора света 8. При таких обозначениях

Ч-л а--ъ-уа..: .

Третья и четвертая функциональные ячейки выполняют функции инвертора и повторителя.

Работа ячейки (например, третьей), как инвертора, состоит в следующем.

Такт 1. Заряд конденсатора. Это осуществляется путем подачи напряжения на полюс 75 и светового потока на вход фотоэлектрического преобразователя 32. После заряда конденсатора полюс 75 подключается к щине земля.

Такт 2. Подача логической переменной на вход преобразователя 32 и вслед за ней светового потока на вход 63 Очевидно, что если X 1, то У f О, а при X О, Ц 1, т. е. У X, где X - сигнал на выходе модулятора света 8 .а У - сигнал на выходе модулятора света 9.

При перестановке тактов ячейка работает как повторитель, т. е. у X.

Аналогично работает и четвертая функ- циональ;шя ячейка.

Участок вычислительной среды из элементов 94-1 ОС изображен на фиг. 2. Алгоритм функционирования вычислительной

среды состоит в следующем: .

а.Запись исходной информации в схемы запоминания элементов вычислительной среды. Для этого схемы запоминания устанавливают в состояние нуль путем подачи световых сигналов на входы фотоэлектрических преобразователей 32, 33 и соответствующего потенциала на полюсы 75, 76. После этого вводят информацию, подлежащую обработке, в вычислительную среду (по входам 64).

б.Ввод управляющей и обрабатываемой информации в первые функциональные ячейки элементов вычислительной среды. Управляющая .информация вводится по входам 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, а считывание обрабатьтаемой информации, хранящейся В схемах запоминания, осущестъляется путем подачи управляющих сигналсв на входы 64.

в.Маскирование требуемых элементов окрестности. Это осуществляется путем подачи управляющей информации на входы 55-61. При этом на входы 48-54 подается считывающий световой поток.

г.Перепись информации со вторых функциональных ячеек в третьи функциональные ячейки. Для этого на входы 62 подается считывающий световой поток. Установку третьей функциональной ячейки в состоянии единица осуществляют путем подачи на полюс 75 высокого потенциала,

а установку в нуль производят путем подачи на полюс 75 низкого потенциала.

д.Перепись информ. с третьих функциональных ячеек в четвертые функциональные ячейки (предварительно четвертые ячейки устанавливают в состояние нуль).

е . Повторение пп. б-д и т. д. в соответствии с программой обработки информации.

Для более ясного представления о функционировании элемента вычислительной среды рассмотрим преобразование изображений на вычислительной среде.

Преобразование фигур на вычислительной среде производится путем изменения состояний ее запоминающих элементов, в зависимости от состояний соседних элементов.

Любое преобразование можно представить в виде последовательности элементарных преобразований (ЭП). Каждое ЭП состоит в изменении состояния одного или нескольких элементов вычислительной среды и определяется окрестностью элемента

и его состоянием.

Для рещетки с щестью соседями ЭП задается булевым вектором длины 7; дер- вая координата вектора соответствует со стоянию элемента (наличию или отсутств кванта графической информации), остальные - состоянием соседних элементов. Н пример, преобразование 1000110 изменяет единичное состояние элемента, имею щего двух соседей с единичным состояни ем, на нулевое состояние, т. е. производится преобразование: 100011О 0000110. Число различных элементарных преобразований, заключающихся в изменении состояния только центрального элемента окрестности, равно 2. Все преобразования, имеющие единственную группу связных единиц в окрестности элемента, разделим на две гру пы. Преобразование стирание имеет в первом разряде булева вектора Преобразование расширение имеет в первом разряде О.j Каждое ЭП обозначим С- или Р. где С- обозначает, что центральный элементг (например, элемент 94 на фиг. находится в состоянии I, причем перва единица этой группы соответствует J + компоненте булева вектора, представл5по- шего это преобразование. Р. определяется аналогично и обозначает, что цен ральный элемент имеет состояние О. Например С обозначает комбинацию Р - 0100011. Индек 1ОО0110, а t изменяется от О до б по числу -соседних элементов с состоянием 1, а индекс J - от 1 до 6 по числу сосе них элементов на решетке. Из-за симме г-О г-0 рии имеем С- --; ЛJ2 J XJ для всех -1 J То же справедли во и для Р . и Р . . JJ Любое преобразование F можно представить в виде -п,-,. где П есть С или Р; О .$ t | 1 j(j 6. 1, Приведение фигуры к линейной и фильтрация помех. iT-rV rVV с fi-SVSi 2-SSS-6- 1 1 Применяя преобразование у Г ( п max J |/з-Г где символ 4 X L обозначает целую часть X, Г - радиус элемента решетки, д - ширина линии), получим линейную фигуру. 2. Расширение линейной фигуры к выделение контуров. F рЗ . рЗ 44 55 2 1-- 6 1-- 6 1-- 6Применяя преобразование Fg tn раз, м окно увеличить ширину .линии, составляющих фигуру, на 2(f , где 3. Сглёживание фигуры и заполнение дыр. F Р р Р 3 1 2 2 6 6Это преобразование можно применять неограниченное число раз, так как после некоторого числа применений фигура перестает изменяться. 4.Стирание концов отрезков: F. С с;; С С С С . Неогранил енное Ч:1 3456 применение преобразования F превращает отрезок в точку. 5. Расширение фигуры. . 5 Р для всех i и J 5 J Следует отметить, что наибольшая эффективность вычислительной среды достигается при фильтрации помех на изображении, сглаживании контура, приведение фигуры к единичной толщине, а также при вычислении эйлеровой характеристики фигуры и составлении ее описания, инвариантного относительно вращения, переноса и изменения масштаба. Вычислительная среда может быть использована и для выполнения арифметических операций, а также в качестве ассоциативного запоминающего устройства. Вычислительная среда может бьсть выполнена в двух плоскостях,причем оптические соединения между элементами могут быть реализованы путем проекции одной плоскости на другую. Предмет изобретения Элемент вычислительной среды, содержащий функциональный преобразователь, образованный группой функциональных ячеек, и схему запоминания, вход которой соединен с выходом функци;онального пре9

образойателя, а входы последнего соединены с выходом схемы запоминания и с входами элемента, отличающий- с я , что, г целью упрощения элемента :( повышения технологичности его изготов::ения, каждая функциональная ячейка функционального преобразователя элемента 1;одер;хит модулятор , к электрическим входам которого подключены фотоэлоктричоский преобразователь и нагру10

зонный конденсатор, а оптические выходы модуляторов света первой, второй, третьей и четвертой функциональных ячеек подК.ПЮЧ9НЫ к оптическим входам фотоэлектрических преобразователей второй, третьей, четвертой и первой функциональных ячеек соответственно, оптический вход фотоэлектрического преобразователя третьей ячейки подключен к оптическому выходу модулятора света четвертой ячейки.