ГЛАВА 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОВ СРАВНЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
В рамках теоретических исследований необходимо разработать математические
модели двух устройств сравнения изображений на биспин-приборах. А именно:
во-первых, математическую модель ячейки матрицы для сравнения-вычитания
изображений на основе биспин-прибора, а во-вторых, математическую модель ячейки
компаратора изображений на основе биспин-приборов. Также теоретически важным
является вопрос о возможности использования метрики, вычисляемой на основе
предложенного устройства сравнения-вычитания изображений в нейронной сети
Кохонена.
Математическая модель ячейки матрицы для сравнения-вычитания изображений на
основе биспин-прибора
Разработаем математическую модель для ячейки устройства сравнения-вычитания
изображений [73] на основе биспин-прибора [64-71] (см. рис. 2.1). Принципы
работы ячейки подробно описаны в п.3.1.2.
Как известно [74], математическая модель – это абстрактная модель,
представленная на языке математических соотношений. Рассматриваемое устройство
сравнения-вычитания изображений определяет величину, пропорциональную разности
двух изображений, которая представляется частотой импульсов на выходе
устройства. Поскольку выходным сигналом данного устройства для сравнения
изображений является частота выходных импульсов (fвых), которая для каждой пары
пикселей сравниваемых изображений зависит от разности оптической мощности
пикселя изображения A (РA) и оптической мощности пикселя изображения B (РВ), то
выберем для моделирования функциональную зависимость.
(2.1)
Рис. 2.1 Схема ячейки матрицы сравнения-вычитания изображений на основе
биспин–прибора: VD1-VD4 – фотодиоды, VE – биспин-прибор.
Как следует из описания принципов работы устройства (см. п.3.2.1), если РA<РВ,
то ток заряда емкости С равен нулю и на выходах ячейки импульсы отсутствуют.
Поэтому можем записать:
(2.2)
Частота fвых является обратной величиной к периоду Т генерируемых устройством
сравнения-вычитания выходных импульсов и этот период Т генерируемых устройством
сравнения-вычитания выходных импульсов состоит из длительности импульса tи и
длительности паузы tп (рис.2.2):
(2.3)
Рис.2.2. Форма выходных импульсов БИСПИНа.
Кроме того, математическая модель устройства сравнения-вычитания изображений
должна содержать формулы для определения диапазона оптических мощностей
пикселей сравниваемых изображений PminчPmax.
Математическую модель ячейки предложенного устройства сравнения-вычитания
изображений будем строить на основе математической модели биспин-прибора,
разработанной в работе [67]. Там рассматривается так называемый транзисторный
вариант БИСПИН-структуры, конструкция которой приведена на рис.2.3.
Прибор состоит из распределенного p+-n-перехода, образованного эпитаксиалькой
пленкой кремния n-типа, выращенной на p+-подложке, и контактов, два из которых
("А" и "В") расположены одностосторонне относительно этого перехода на
слаболегированном n-слое, а третий ("С") – на сильнолегированной p+-области. В
рассматриваемом случае контакт "А" выполнен в виде локального
n+-p-n-транзистора, а контакты "В" и "С" - омические.
Если к контактам «А» и «В» БИСПИН-структуры приложить разность потенциалов
таким образом, чтобы эмиттерный переход транзистора был включен в прямом
направлении (минус на контакт “A”), а затем ее осветить, то в ней (при
определенных комбинациях напряжения питания и освещенности) возникает
неустойчивость, которая проявляется в виде импульсов тока, имеющих ярко
выраженную релаксационную форму со ступенькой на заднем фронте (рис.2.2 и
4.3а). Частота наблюдаемых пульсаций тока в общем случае зависит от падающего
на структуру светового потока и напряжения питания. Кроме того, контакт «С»
может служить дополнительным каналом управления частотой генерации.
Рис. 2.3 Транзисторная БИСПИН-структура.
Пульсации тока через БИСПИН можно наблюдать только в ограниченной области
значений напряжения питания и освещенности. БИСПИН может находиться в трех
состояниях:
в стационарно закрытом состоянии (ток между контактами А и В значительно меньше
1 мкА),
стационарно открытом состоянии (ток между контактами А и В единицы-десятки мА),
в состоянии пульсаций (ток между контактами А и В пульсирует).
Период пульсаций и амплитуда импульсов тока являются немонотонными функциями
напряжения питания структуры. Диаграмма состояний БИСПИН-структуры при разных
значениях напряжения питания (UAB) и фототока (Iф) или эквивалентного ему по
действию тока, втекающего в подложку БИСПИНА (IС), показана на рис.2.4.
До некоторого минимального напряжения Vmin БИСПИН может находится только в
закрытом состоянии (режим пульсаций не возникает при любых уровнях засветки
структуры и тока в подложку). Начиная с Vmin наблюдается режим пульсаций,
причем, чем больше напряжение питания UAB, тем шире диапазон фототоков Iф
minчIф max (или токов в подложку IС minчIС max ), при которых наблюдаются
пульсации. При некотором характеристическом напряжения Vпрг,, названном
пороговым, происходит смена режимов пульсаций тока. Это напряжение связано с
напряжением перекрытия Vпер, при котором происходит смыкание объемных зарядов
коллекторного перехода локального транзистора и распределенного p+-n-перехода
под действием напряжения питания. В [67] показано, что пороговое напряжение
несколько превышает напряжение перекрытия.
Рис.2.4. Диаграмма состояний БИСПИН-структуры
Напряжение Vmax ,начиная с которого БИСПИН не имеет стационарно закрытого
состояния, связано с тем, что реальный обратный ток распределенного p+-n
-перехода начиная с этого напряжении пита
- Київ+380960830922