Аналого-цифровой преобразователь изображений

 

Изобретение относится к оптоэлектронике 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

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 02 F 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ.

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{21) 4719317/25 (22) 14.07.89 (46) 07.08.92..Бюл. hb 29 (71) Винницкий политехнический институт (72) В.П.Кожемяко, В.Г.Красиленко, О.К.Колесницкий и Н.И.Заболотная (56) Авторское свидетельство СССР

М 1029120, кл. G 02 F 7/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР

hb 11667744005511, кл. 6 02 F 7/00, 1989. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЙ (57) Изобретение относится к оптоэлектронике и вычислительной технике и может быть использовано в системах обработки изображений для ввода полутоновых иэображений в параллельные цифровые оптоэлектронные процессоры. Целью изобретения является увеличение быстродействия и расширение функциональных воэможностей преобразователя. Устройство включает в себя пороговый оптически управляемый инверсный транспарант, на

Изобретение относится к оптоэлектронной вычислительной технике и может использоваться в оптоэлектронных параллельных цифровых процессорах для преоб- . разования полутонового изображения в набор бинарных срезов.

Целью изобретения является увеличение быстродействия, расширение функциональных воэможностей за счет аналого-цифрового преобразования в любой наперед заданный вид двоичного кода и/или по любой заранее заданной функциональной зависимости, а также использова„„5Q„„1753447 А1 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 и 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. ние 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.3 — 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 зависимо1753447

5 l0

20

50

< Ф (!1(т))макс = !1(Т) = k Т, (3) 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, светообъединительного элемента 2, порогового инверсного оптически управляемого транспаранта (ОУТ) 3, блока 4 формирования оптического сигнала окончания измерительного интервала, мультипликатора 5 изображений, оптоэлектронных затворов

61-6п, и ОУТ 7г — 7r с памятью, электронного блока 8 управления, включающего тактовый генератор 9; двоичный вычитающий счетчик 10, постоян . е запоминающее устройство (ПЗУ) 11, и формирователей

121 12п импульсов управления оптоэлектронными 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 светообъединительного элемента 2 связан через йороговый инверсный ОУТ 3 и блок 4 формирования оптического сигнала окончания измерительного интервала с входом мультипликатора 5 изображений, каждый иэ и выходов которого оптически соединен через соответствующий оптоэлектронный затвор 6i (l = 1, n) с входом соответствующего оптически уп равляемого транспаранта 7 (i = 1, n) с памятью, элект-" рические вхОды 141 — 14а оптоэлектронных затворов 6 -6ï подключены к соответствующим управляющим выходам электронного блока 8 управления, m младших адресных входов 151-15п ПЗУ 11 подключены к выходам разрядов двоичного вычитающего счетчика 10, а р старших адресных входов

15m+)-15m+p ПЗУ 11 являются адресными входами 16 — 16Р электронного блока 8 управления, выход 17 переноса счетчика .10 соответствует выходу синхронизации электронного блока 8 управления, который подключен к электрическому входу 18 порогового инверсного ОУТ 3, к входу 19 запуска источника 1 и к электрическим входам 201-20 ОУТ 71 — 7 с памятью, счетный вход 21 счетчика 10 соединен с выходом тактового генератора 9, выходы ПЗУ 11 подключены к входам соответствующих формирователей 121-12< 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 нара-. стающую 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 ОУ1 3 появляется световой сигнал. Таким образом, логический световой сигнал 1з на выходе порогового инверсного ОУТ 3 записывается как

Ф

/ l, если 4х+ l>(t) «П; ! з = . „(1)

О, если lax+ lt(t) < П: м где 4х — входная интенсивность (по входу

13);, l>(t) — линейно нарастающая интенсивность света с выхода источника 1.

Величина порога П порогового инверсного ОУТ 3, максимальное значение входной интенсивности вх макс по входу 13, максимальное значение„линейно нарастающей интенсивности (I 1(t))<>«с выхода источника 1 и количество и используемых в устройстве транспарантов 71 — 7л связаны соотношением

П = lax макс = (11(т))макс = 2" Л lax (2) В где Йвх — величина одной градации входной интенсивности, различимой устройством.

ПоСкольку функция fq(t) линейная, возрастающая и периодическая (допустим, что период ееизменения равен величине Т), тогда где k — коэффициент пропорциональности.

Механизм .преобразования входной интенсивности 4х(х,y) произвольной тОчки

1753447

lвх(Х y)+ k t1 = 1вх.макс (4) 15 ответствующего оптоэлектронного затвора, а нулевое значение — непрозрачному состоянию. На фиг.3 показано получение кода для интенсивности произвольной точки

20 входного изображения с координатами

° ° х,у) величиной lex(x,у). Интенсивность

»(x,ó) преобразуется в длительность (Т вЂ” t„) единичног о сигнала !з с выхода порогового инверсного OYT 3, сигнал 14 получают на и равен

1sx макс 1 ex !x,у) k (5) 25 выходе блока 4 формирования оптическо(6) Иэ(5) и(6) следует, что. Т 1 ах макс

1 — 1k

}вх (х, /}}

k (7) входной световой картины с координатами (х,у) во временной интервал показан на фиг.2.

Для светового сигнала любой, точки входного изображения величиной 1вх(х,y) при сложении его с линейно нарастающим сигналом 11(т) источника 1, интенсивность которого изменяется во времени по закону

11(t) = Ь1, где k — коэффициент пропорциональности, момент времени t1, когда сумма сигналов достигает порога П = tsx.Msxc, определяется иэ условия

Таким образом, время t1 присутствия нулевого сигнала на выходе инверсного

ОУТ прямо пропорционально разности .!вх,макс — !вх(х,у). Длительность единичного сигнала на выходе порогового инверсного

ОУТ 3 определяется как разность Т вЂ” t1, причем время Т вЂ” время, за которое линейно нарастающая интенсивность достигнет порога П =!ах.МВКс т.е. lex.макс

1вх.макс = k Т Q Т =

I 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 и каналов и полученные копии параллельно подает через оптоэлектронные затворы 616п на соответствующие оптически управляемые транспаранты 71 7п которые представляют собой устройства-защелки картинного типа. Причем подача передних фронтов временных интервалов на защелкц

71 — 7п производится в определенные моменты времени путем модуляции пропускания оптоэлектронных затворов 61 — 6п. Управление прозрачностью оптоэлектронных эатворов 61 — 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, 71-,7з представлены на фиг.3 (1 12-1, 112-2, 112- 3). Это могут быть сигналы выходов вычйтающего счетчика.

Единичное значение управляющего сигнала соответствует прозрачному состоянию сого сигнала окончания измерительного интервала. Поскольку в момент времени tx единичный сигнал присутствует только на оптоэлектронном затворе 64 (сигнал !12-з), фиг,3), а на затворах 61 и 62 — нулевые сигналы (сигналы 112-1 и 112-2, фиг.З), то затвор

63 открыт, а затворы 61 и 62 закрыты, Поэтому выделенный старт-импульс запишется только в транспарант 7з в точке с координатами (х,у). В транспарантах 71 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 кодяруются остальные точки входного изображения. В результате на транспарантах

71, 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 выхбде 17 переноса счетчика 10 формируется сигнал переноса, который обнуляет пороговый инверсный ОУТ 3, оптически управляемые транспаранты 71-7п 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 соответствую1753447

10 щие управляющие сигналы на выходах блока 8 управления (сигналы !и-1-112-n). Вид управляющих сигналов и карта прошивки области ПЗУ 11, например, для кода Грея в случае трех транспарантов 71-7з показан на фиг,4, Для осуществления двоичного преобразования в любой код применено ПЗУ

-11, в котором записаны коды управляющих сигналов для принятых к использованию ви.дов кодов. Выбор вида кода преобразования о .уществляется определенной комбинацией сигналов на адресных входах

161-16р 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 151 — 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.3 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,6), Всего интервал Т разбит на 48 тактов. Прошивка области ПЗУ 11, соответствующая управляющим сигналам (фиг.б), 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 иэображения (в какой код и по какой зависимости) путем "выбора" соответствующей области памяти ПЗУ 11 управля15

55 ющим кодом на адресных входах 161-16> блока 8 управления.

Источник 1 коллимированного светового потока может быть выполнен, например, в виде полупроводникового лазера или светоизлучающего диода с коллиматором, управляемого QT функционального генератора тока, форма тока на выходе функционального генератора должна изменяться таким образом, чтобы скомпенсировать нелинейную зависимость ампер-ваттной характеристики применяемого светоизлучэтеля.

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 светоразделяющих блоках.

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

Блок 4 формирования оптических сигналов окончания измерительных интервалов (фиг.7} содержит светообьединительн ый блок 22, устройство 23 задержки и инверсный оптически управляемый транспарант

24, Процесс формирования коротких импульсов по передним фронтам оптических сигналов, поступающих на вход светообъединительного 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 7> -7n можно испольэовать приборы "ПРОМ", "ФОТОТИТУС" или типа

ФП-ЖК с обратной связ ью.

Прототип выполняет аналого-цифровое преобразование изображений только в обычный двоичный код, в то время как данное устройство может осуществлять анало-. го-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 возможно1753447

10 сти предлагаемого устройства расширены по сравнению с прототипом.

Время преобразования определяется по формуле

Т= 2" r, где n — количество ОУТ; к — длительность такта работы соответственно прототипа или предлагаемого устройства (период тактовых импульсов на выходе генератора тактовых импульсов электронного блока управления).

Длительность такта прототипа tnt определяется предельным быстродействием

0УТ (т,е. длительностью цикла запись-стирание н а 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 OYT не может быть меньше 10 — 10 с, т.е. примем Гпр = 10 с. В пороговом блоке — 4 прототипа можно использовать более функционально простые OYT либо оптические бистабильные элементы, которые также могут иметь и большее быстродействие, чем

ОУТ, используемые для запоминания "вы ходных бинарных картин. Однако повышение быстродействия порогового блока в данном случае не приведет к улучшению быстродействия всего устройства.

В отличие от прототипа, где OYT с памятью младшего разрядного среза претерпевает 2" циклов запись-стирание, в данном устройстве каждый OYT с памятью за 2" 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 OYT.

Кроме времени фиксации следует еще учитывать быстродействие порогового блока и время цикла включение-выключение оптоэлектронных затворов. Таким образом, длйтельность такта работы данного устройства ограничивается максимальным из трех указанн н ых времен.

Быстродействие порогового блока определяется временем отклика используемого в нем ОУТ с пороговой характеристикой, В качестве такого порогового ОУТ можно испольэовать чисто оптические бистабильные устройства с весьма малым временем переключения (10 -10 с), ОЭЗ также могут быть достаточно быстродействующими. Так, ОЭЗ на основе элек5 трически управляемого пространственного модулятора света на ЦТСЛ керамике имеют время цикла включение-выключение 10 — 10 с.

Время фиксации информации в ОУТ 7, .

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

15 предлагаемом устройстве ОУТ, на которых запомийаются выходнИе бинарные картины, функционально более простые, чем аналогичные в прототипе; т.е. в прототипе

ОУТ должны иметь режимы локально уп20 равляемой светом записи и стирания, а

ОУТ в предлагаемом устройстве являются

О-защелками картинного типа с входом сброса в ноль сразу всей картины. В качестве . D-эащелок картинного типа можно

25 также использовать оптические бистабильные устройства с гистерезисом, имеющие высокое быстродействие — 10 — 10 с.

Следовательно, поскольку максимальным из перечисленных трех времен являет30 ся в емя цикла включения-выключения ОЭЗ (10 -10 с), примем длительность такта Работы предлагаемого устройства гзу = 10 с, Отношение времени преобразования прототипа Тпр времени преобразования

35 предлагаемого устройства Тзу ÒTïnð 2 п 10 1ОО

Т 22 . х 10-6

40 т.е., быстродействие и редлагаемого устройства в 100 раз выше быстродействия прототипа.

Формула изобретения

45 Аналого-цифровой преобразователь изображений, содержащий источник коллимированного светового 11отока с линейно нарастающей интенсивностью, оптически связанный с первым входом светообьеди50 нительного элемента, второй вход которого является входом преобразователя, а выход светообъединительного элемента связан с входом порогового .инверсного оптически управляемого транспаранта, мультиплика55 тор изображений, и оптически управляемых транспарантов с памятью, выходы которых являются выходами преобразователя, электронный блок управления, включающий в себя тактовый генератор, подключенный к

1753447 счетному входу двоичного вычитающего счетчика, выход переноса которого соответствует выходу синхронизации электронного блока управления, и формирователи имnynbc0s, выходы которых являются управляющими выходами электронного блока управлейия, при этом вход запуска источника коллимированного светового потока с линейно нарастающей интенсивностью подключен к выходу синхронизации электронного блока управления, о т л и ч а ю щ и йс 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 ойтически управляемого транспаранта, а выход — с входом мультипликатора изображений, а также и оптоэлектронных затворов, оптические входы которых связа1010101010101010101010101010101010! 0101010101010

» 00» 001 001100» 00110011001100» 00» 0011001100

»» 00001» 1 0000»110000»» 0000»11000011» 000О

1»1»1100000000»»»» 00000000»»»» О0000000

O00OO0000O0OOOOO1»»»»»»»10О00000000000О00

»»»»»»»100000000000000000000000000000000

»»»»»»»1111»00000000»»»10000!»000»0

»»»»»»»»»1111»»1100000000000»» 31О00

111»111»11111111»»11111111111111111000000000

Адрес ячейки выбранной области ПЗУ» (код на выходах 15i 15а счетчика !О) Содержание ячейки ПЗУ », соответствуют!ее Фи-r

I»-а

1» а ны с соответствующими выходами мультипликатора изображений, а оптические выходы — с оптическими входами соответствующих оптически управляемых транспа5 рантов с памятью, при этом электрические входы оптоэлектронных затворов подключены к соответствующим управляющим выходам электронного блока управления, последний дополнительно снабжен посто10 янным запоминающим устройством, m младших адресных, входов которого подключены к выходам разрядов двоичного вычитающего счетчика, а р старших адресных входов являются адресными входами элек15 тронного блока управления, выходы постоянного запоминающего устройства подключены к входам соответствующих формирователей импульсов, а электрические входы оптически-управляемых транспарантов с па20 мятью подключены к выходу синхронизации электронного блока управления.

1753447 г (т- ЕД

Фиг.2

Фиг.З

1753447 (2 3 Q 5 6

Фиг. 5

1753447

Составитель О.Колесницкий

Техред М,Моргентал Корректор М.Максимишинец

Редактор И.Шмакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2767 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5