2
Оглавление
Введение............................................................. 5
Глава 1. Интегральные методы обработки оптической информации и использование в них многоэлементных
фотоприемников................................................15
§1. Современные методы обработки оптической информации. Краткий
обзор.........................................................15
§2. Многоэлементные фотоприемники в системах обработки
информации....................................................22
§3. Предварительная обработка информации во входных слоях
зрительных систем с помощью многоэлементных фотоприемников.
Возможные пути развития.......................................28
Выводы к главе 1................................................32
Глава 2. Информационные модели интегральных преобразований с
выделением пространственных признаков изображений 33
§1. Принципы интегральной обработки изображений на
многоэлементных фотоприемниках...............................33
§2. Информационные свойства интегрального метода разложения
сигнала......................................................44
§3. Статистические свойства координатных отсчетов при интегральном
методе формирования сигнала..................................54
Выводы к главе 2................................................58
Глава 3. Многоэлементный фотопрнемник мультискан как базовый элемент, реализующий интегральный метод формирования
сигнала с использованием подвижной апертуры..................60
§1. Фотоприемник мультискан в режиме интегрального преобразования
сигнала с подвижной апертурой................................61
1.1« Этапы развития мультискана как фотоприемника с подвижной
апертурой 61 •
1.2. Конструкция и эквивалентная схема мультискана..............1
1.3. Принцип действия мультискана в режиме координатоуказателя....70
§2. Анализ физических процессов в мультискане при работе в режиме
координатоуказателя..............................................75
2.1. Общее уравнение формирования координатного отсчета.............75
2.2. Расчет токов р-п переходов в мультискане ..................‘..78
2.3. Учет влияния продольного поля на распределение токов по р-п-переходам...........................................................87
§3. Анализ погрешностей, определяемых дискретностью структуры
мультискана..................................................... 96
Выводы к главе 3.................................................. 103
Глава 4. Экспериментальное исследование точностных параметров
мультискана.....................................................105
§1. Влияние темнового тока на ошибку координирования одиночного светового пятна....................................................105
1.1. Уравнение баланса токов с учетом пространственного распределения темнового тока.....................................................105
1.2. Экспериментальные исследования распределения темнового тока мультискана........................................................109
1.3. Влияние соотношения темнового и фото- токов мультискана на возникающую ошибку координирования.................................110
§2. Исследование координатной характеристики мультискана...........116
2.1. Исследование нелинейности координатной характеристики мультискана, обусловленной неравноомерностью резистивного
слоя............................................................116
2.2. Экспериментальные исследования микронелинейности координатной характеристики, обусловленной дискретностью структуры мультискана....................................................... 122
§3. Координатная характеристика мультискана при наличии фоновых засветок...........................................................128
3.1. Влияние фоновых засветок на координатную характеристику в
статическом режиме работы.......................................128
3.2. Фильтрация мощных фоновых засветок в режиме регистрации
оптического сигнала с временной модуляцией....................134
Выводы к главе 4.................................................138
Глава 5. Модификации фотоприемника мультискан .........................139
§1. Модификация фотоприемника мультискан, предназначенного для интегрального режима самосканирования......................139
1.1. Конструкция и эквивалентная схема прибора...................139
1.2. Исследование непрерывного и дискретного режимов самосканирования...........................................144
§2. Модификация фотоприемника мультискан, предназначенного для уменьшения периодической составляющей ошибки
координирования...............................................151
§3. Мультискан с кольцевой структурой............................156
Выводы к главе 5.................................................160
Глава 6. Преобразование Уолша-Адамара как метод спектрального
представления входного сигнала................................161
§1. Преобразование Адамара и реализация принципа накопления
энергии.......................................................163
§2. Анализ шумов при двумерном преобразовании.........................168
§3. Двумерная фотодиодная матрица “маскон” как спектроанализатор
изображений в базисе Уолша-Адамара ...........................175
§4. Сдвиговая деструкция сигнала при использовании двумерного
преобразования Уолша-Адамара..................................185
§5. Пространственная фильтрация временного шума..................188
с
Выводы к главе 6.................................................199
Заключение.............................................................201
Литература..............................................................207
Введение.
Проблема регистрации, обработки и передачи оптической информации занимает одно из ведущих мест на пути современного технического прогресса. Развитие телевидения, систем автоматического контроля и слежения, опознавание образов, ввод графической информации в ЭВМ, создание зрительных рецепторов для систем с искусственным интеллектом непосредственно связаны с разработкой высокочувствительных быстродействующих систем технического зрения.
Успехи твердотельной микроэлектроники, переход к большим интегральным схемам (БИС) позволили создать твердотельные многоэлементные фотоприемники, существенным образом обогатившие функциональные возможности оптоэлектронных преобразователей. В настоящее время разработаны твердотельные преобразователи различных типов: приборы с зарядовой связью (ПЗС), приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ), различные типы фотодиодных матриц с накоплением энергии сигнала на барьерных емкостях, сканисторы, мультисканы и др.
Исторически сложилось, что развитие методов обработки изображений и, соответственно, совершенствование многоэлементных фотоприемников происходило на основе телевизионной концепции представления оптической информации, т.е. формирования сигнала, представляющего собой поэлементное разложение входного изображения.
Такое направление подкреплялось развитием компьютерной и микропроцессорной техники, позволяющей за сравнительно короткое время обрабатывать большие объемы информации в соответствии с различными сложными алгоритмами.
Однако существует широкий класс задач, принципиально требующих построения систем технического зрения, работающих в реальном масштабе времени и связанных с выделением ограниченного числа информативных признаков изображений из всего объема оптической информации. К таким задачам относятся задачи непрерывного измерения координат объектов в
пространстве, слежения за некоторым заданным параметром, выделение характерных параметров изображений на фоне помех, задачи автоматического слежения, стыковки, бесконтактный съем телеметрической информации. Во всех этих случаях зрительная система призвана с максимальной точностью и быстродействием формировать сигнал, несущий информацию только о тех конкретных признаках изображений, регистрация и измерение которых является предметом данной задачи.
В соответствии с этим система технического зрения должна строится по принципу максимально полного использования энергий оптического изображения при формировании сигнала, несущего информацию о заданном признаке, что в свою очередь требует пересмотра как способов описания входных сигналов, так и принципов построения элементной базы входных рецепторных устройств.
Противоречия между телевизионным методом обработки оптической информации и требованиями специализированных систем технического зрения, призванных контролировать ограниченный набор информационных признаков в реальном времени, заставляют обратиться к широкому кругу вопросов, включающих новый подход к информационному описанию входных распределений и их признаков, пересмотру физических принципов работы фотоприемных устройств, образующих входные слои систем технического зрения, использованию интегральных методов формирования сигналов с целью полного использования входной энергии для выделения заданного признака, разработке новых подходов к выбору базисных функций, позволяющих производить фильтрацию информативных признаков и опознавание образов, е том числе переход к интегрально-моментному и квантильному представлениям входных распределений.
Исследование этих проблем предполагает:
развитие принципиально нового направления в теории обработки \ регистрации оптической информации с помощью многоэлементных фотоприемников, связанного с применением интегральных преобразований сигнала;
разработку нового класса оптоэлектронных приборов, оптимально согласованных с условиями поставленных задач;
повышение чувствительности и быстродействия зрительных систем по отношению к выделяемому информативному признаку за счет сокращения избыточности передаваемой информации и полного использования энергии входного сигнала.
Теоретическое изучение и практическое решение этих задач определяет актуальность настоящей работы как в научном, так и в практическом отношении.
Целью данной работы является исследование интегральных методов формирования сигнала с помощью многоэлементных фотоприемников, выявление новых функциональных возможностей и границ применимости этих методов, разработка новых типов многоэлементных фотоприемников, удобных для использования в режиме интегрального опроса, и оптоэлектронных систем обработки оптической информации в реальном времени на их основе.
В соответствии с этим в работе были поставлены следующие конкретные задачи:
1 .Исследование интегрального метода формирования сигнала и разработка многоэлементных фотоприемников с подвижной апертурой. Анализ физических процессов в фотоприемниках такого типа и построение их математической модели с точки зрения оптимизации конструкции и получения максимально возможных точностных характеристик.
2.Разработка ' и исследование адаптивных режимов работы многоэлементных фотоприемников с подвижной апертурой как методов самосканирования с поддержанием постоянного отношения сигнал/шум и реализаций функций самоперестраивающегося фильтра.
3. Исследование информационных свойств квантильного описания исходных распределений и методов его реализации на фотоприемниках интегрального типа. Переход от квантильных отсчетов к интегрально-моментным характеристикам изображения.
4.Разработка и исследование многоэлементных фотоприемников с интегральным преобразованием сигнала как базовой модели реализации интегрально-моментного представления оптической информации.
5.Исследование особенностей реализации преобразования Адамара во входных слоях зрительных систем. Анализ сдвиговой деструкции сигнала при использовании двумерного преобразования У о лша-Ад амара и возможности пространственной фильтрации временного шума при секвентивном упорядочивании двумерного базиса.
Научная новизна работы заключается в развитии нового направления в теории и практике многоэлементных фотоприемников, основанного на использовании интегрального принципа формирования сигнала и обработке оптической информации непосредственно на входных слоях систем технического зрения.
Научная новизна определяется следующими положениями, которые выносятся на защиту:
1 .Разработанные многоэлементные фотоприемники с подвижной апертурой и интегральным принципом формирования сигнала представляют собой новый класс оптоэлектронных датчиков, формирующих в реальном времени набор информативных признаков оптических сигналов.
*•*
2.Набор сигналов, получаемый в результате предложенной процедуры адаптивного самосканирования, соответствует набору квантильных отсчетов оптических распределений. Многоапертурная мультисканная структура с последовательным соединением строк позволяет формировать сигналы, пропорциональные различной степени квантильных отсчетов, и вычислять
• -А
текущие значения интегральных моментов распределения с точностью не хуже 1/2К
3.Непрерывность координатной характеристики фотоприемника мультискан, имеющего дискретную структуру />-и-переходов, обеспечивается линейным распределением потенциала вдоль фоточувствительного поля прибора в сочетании с подвижной апертурой, образованной переходной областью вольт-амперной характеристики встречно-включенных /?-я-переходов.
Режим прямого детектирования, в котором работает фотоприемник мультискан, позволяет производить фильтрацию и координатоуказание модулированного сигнала при наличии посторонней засветки в 100 раз превышающей мощность самого сигнала.
4.Информационная характеристика координатного отсчета, соответствует медиане входного распределения, при этом его дисперсия определяется параметром X - величиной смещения эквипотенциали Дхо при попадании на фотоприемник одного фотона.
5.Матричный фотоприемник со встречно включенными р-п переходами позволяет изменять величину чувствительности элементов с +1 на -1 и, тем самым, реализовывать непосредственно на фотоприемнике преобразование Уолша-Адамара.
6.Шумы, возникающие в процессе передачи спектральных коэффициентов, усредняются в полосе, соответствующей времени передачи всех коэффициентов.
7.Реализация преобразования Уолша-Адамара непосредственно на входном слое системы позволяет осуществлять полное использование энергии входного сигнала без ее накопления на элементных емкостях.
8.При обратном преобразовании Адамара восстановленное изображение поражается не временным шумом канала, а его спектром в выбранной базисной системе. Изменение упорядочивания базисных функций позволяет концентрировать энергию шума в различных частях поля изображения и производить пространственную фильтрацию временных шумов.
Научная и практическая ценность работы определяется разработкой принципиально новых подходов к проблеме обработки оптической информации во входных слоях систем технического зрения и заключается:
в исследовании интегральных методов формирования сигналов с возможностью непосредственного выделения информативных признаков;
С
в разработке принципов формирования сигнала, представляющего собой набор квантильных отсчетов входных распределений, а также сигналов, текущие значения которых пропорциональны величинам интегральных
10 .
моментов входных распределений, при этом исследована сходимость квантильньтх отсчетов к интегральным моментам;
в создании нового типа приборов с интегральным принципом формирования сигнала и подвижной апертурой, обеспечивающих рекордную координатную чувствительность и точность при наличии мощных фоновых засветок;
в исследовании физических процессов, определяющих свойства , многоэлементных фотоприемников с подвижной апертурой, в том числе, анализ факторов, определяющих их точностные характеристики в режиме позиционирования оптических сигналов;
в разработке принципов пространственной фильтрации временных шумов, основаных на секвентивном спектральном анализе с переупорядочиванием базисных функций в двумерном преобразовании Уолша-Адамара.
Апробация работы. Результаты работы, изложенные в диссертации, были представлены на III Международной конференции “Laser applications in microelectronic and optoelectronic manufacturing” (Сан Хосе, Калифорния - 1996); на IV Международной конференции “Ultraprecision in manufacturing engineering” (Брауншвейг, Германия -1997);
на Всесоюзном семинаре "Микроэлектронные датчики" (Ульяновск - 1988); на Международном совещании "Оптоэлектроника -89" (Баку - 1989); на
Всесоюзной конференции "Разработка систем технического зрения и их применение в промышленности" (Уфа - 1992); на Международной
конференции "Нетрадиционные и лазерные технологии" ALT’92 (Москва -1992); на Международной конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления” (Пенза - 1994); на 2-ой Всероссийской конференции РОАИ-2-95 (Ульяновск - 1995); на 7-ом Всесоюзном семинаре по оптическим и электрооптическим методам и средствам передачи и хранения информации (Москва - 1981); на Всесоюзной конференции “Координаточувствительные фотоприемники и оптико-
и
электронные устройства на их основе” (Барнаул - 1982); на V Всесоюзной школе по оптической обработке информации (Киев - 1984); на Всесоюзном семинаре “Оптическая обработка информации и техническое зрение роботов” (Таллинн - 1985) и др.
Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения.
Первая глава носит обзорный характер. Первые два параграфа посвящены анализу роли многоэлементных фотоприемников в современных методах обработки оптической информации, а также определению перспектив перехода к использованию интегральных преобразований во входных слоях зрительных систем. В третьем параграфе главы поставлена задача непосредственного определения координат информативных признаков при переходе к интегрированию пространства сигналов в смысле Лебега с возможностью оптимизации количества получаемой информации в ее Шеноновской формулировке. На основе этого сформулированы требования к многоэлементным фотоприемникам с интегральным принципом преобразования сигнала.
Вторая глава посвящена описанию информационных моделей интегральных преобразований оптического сигнала с выделением пространственных признаков изображений. Рассмотрены примеры использования многоэлементных фотоприемников с интегральным принципом формирования сигнала в порядке усложнения информационных моделей - от координатоуказания медианы одиночного светового пятна до квантильного представления входных распределений и формирования отсчетов в виде интегральных моментов различного порядка. Описаны принципы пространственной фильтрации временного шума при двумерных интегральных преобразованиях типа преобразования Адамара.
Во втором параграфе проведен анализ информативности интегрального метода разложения сигнала. Сформулирован переход к концептуально новой методике регистрации сигнала, использующей для описания входных распределений не набор значений исходной функции, а набор координат, найденных в соответствии с определенными условиями. Проанализирована
12
сходимость данного метода разложения к исходной функции, показана максимальная информативность такого разложения с точки зрения Шеноновского определения количества информации. Доказана возможность перехода от набора квантильных отсчетов входного распределения к интегральным моментам. Показано, что текущее значение интегральных моментов порядка Р может быть вычислено из N квантильных отсчетов с ошибкой не превышающей Предложена простая техническая процедура,
позволяющая с помощью многоэлементных координато-чувствителъных фотоприемников вычислять текущие значения интегральных моментов. Показано, что естественность перехода от формирования квантилей к формированию интегральных моментов доказывает широкие новые возможности использования многоапертурного синтеза при работе с интегральными функциями распределения.
Третий параграф второй главы посвящен анализу статистических свойств координатных отсчетов при интегральном методе формирования сигнала. При этом исследовался процесс перемещения координаты эквипотенциали фотоприемника мультискан при определении медианы входного сигнала в условиях Пуассоновского распределения фотонов излучения. Определены предельные свойства дисперсии медианного отсчета входного распределения при его измерении в соответствии с квантильной процедурой, определенной на фотоприемнике мультискан. Показано, что при предложенной процедуре дисперсия отсчетов не зависит от мощности падающего света, а определяется шагом смещения эквипотенциали при попадании на фотоприемник одного фотона, как неотъемлимым параметром фотоприемника в режиме фильтра с переменной частотой среза.
Третья глава диссертационной работы посвящена описанию и анализу многоэлементного фотоприемника мультискан - базовой модели фотоприемника с подвижной апертурой и интегральным принципом формирования сигнала.
В параграфе один рассмотрены конструкция и эквивалентная схемы прибора, его принцип действия в режиме координатоуказания. Выведено
13
уравнение, описывающее работу мультискана в режиме координатоуказания и определяющее связь между выходным напряжением прибора и положением центра тяжести светового сигнала. Второй параграф посвящен разработке математической модели работы мультискана: выведено общее уравнение формирования координатного отсчета, произведен расчет токов /»-«-переходов в мультискане с учетом диффузионно-дрейфовых процессов в рамках дискретно-непрерывной модели. Определено влияние электрического ПОЛЯ в одном из изолированных слоев мультискана на симметричность распределения фототоков по /»-«-переходам. Результатом анализа математической модели, проведенного в данном параграфе, явилось определение источников и величин погрешностей, вызванных дискретностью структуры мультискана. Выделено три вида периодической погрешности, обусловленные соотношением апертуры и технологического шага прибора, наличием /»"^-перемычек; разбалансом темновых токов двух соседних р-п- переходов, находящихся в области апертуры.
Четвертая глава работы посвящена экспериментальному исследованию точностных параметров мультискана. В первом параграфе на основе анализа уравнения баланса токов с учетом пространственного распределения темнового тока определено влияние темнового тока на ошибку координирования. Проведены экспериментальные исследования пространственного распределения темнового тока мультискана. Экспериментально показано, что величиной, определяющей ошибку координирования является соотношение темнового и фото- токов мультискана. Определены предельные значения этих соотношений для обепечения заданной точности координатоуказания.
Второй параграф посвящен экспериментальному исследованию координатной характеристики мультискана и факторов, нарушающих ее линейность. При этом исследовались влияние неравномерности резистивного слоя и дискретности мультискана в зависимости от параметров режима и размеров оптического пятна.
Третий параграф посвящен экспериментальному исследованию влияния фоновых засветок на координатную характеристику прибора, как в
14
потенциальном (статическом), так и в токовом (динамическом) режимах работы.
Пятая глава диссертации посвящена исследованию различных модификаций фотоприемника мультискан и возможных режимов их работы. В первом параграфе описана модификация фотоприемника мулътискан, позволяющая формировать квантильные отсчеты входного оптического распределения, исследуются свойства непрерывного и дискретного режимов адаптивного самосканирования.
Во втором параграфе описана новая технологическая модификация мультискана с уменьшенной периодической составляющей ошибки, основанная на неполном вскрытии разделяющей границы «-областей.
В третьем параграфе описаны характеристики, разработанного датчика углового перемещения светового пятна на основе мультискана с кольцевой структурой.
Шестая глава работы посвящена исследованию двумерных интегральных фотоприемников, осуществляющих преобразование Адамара. Предлагается вариант реализации такого фотоприемника с управляемой по полю формой чувствительности.
Во втором параграфе показано, что использовании преобразования Адамара непосредственно на фотоприемной матрице происходит режимное накопление энергии входного сигнала.
Третий параграф посвящен разработке моделей фотоприемных матриц, предназначенных для преобразования Адамара.
В четвертом параграфе исследована сдвиговая деструкция сигнала, возникающая при нарушении ортогональности базиса.
В пятом параграфе описаны принципы пространственной фильтрации временного шума с помощью перестановки системы базисных функций и изменения положения пространственного отображения спектрального распределения шума при двумерных интегральных преобразованиях типа преобразования Адамара.
15
ГЛАВА 1.
Интегральные методы обработки оптической информации и использование в них многоэлементных фотоприемников.
§ 1 .Современные методы обработки оптической информации. Краткий обзор.
В соответствии с поставленными во введении целями рассмотрим кратко исторический путь развития интегральных методов обработки оптической информации и многоэлементных фотоприемников, используемых во входных слоях систем технического зрения.
Задача обработки оптической информации на ее современном уровне фундаментально сформулирована и развита в ряде монографий, охватывающих широкий круг вопросов, касающихся фильтрации изображений, их реставрации, опознавания образов, анализа сцен [1-5].
Практически во всех случаях в явной или неявной формах задачи обработки изображений трактуются как обобщенные интегральные операции, представленные, как правило, в виде уравнений вида интегральной свертки независимо от того, где происходит обработка сигналов - в пространстве изображений или в пространстве спектров [6, 7]. Такая постановка задачи выдвигает на первый план проблему технической реализации ядра интегрального преобразования во всей области задания функции изображения или набора одномерных или двумерных базисных функций, по которым производится обобщенное спектральное преобразование входного сигнала [8, 9]. Трудности технической реализации интегральных ядер большой размерности привели к тому, что интегральные преобразования с интегрированием изображений сразу по всему полю оказались прерогативой чисто оптических методов обработки информации, например, в голографии, где когерентность используемых пучков позволяет сделать преобразования устойчивыми при сверхбольшой размерности [10-12].
Оптоэлектронные системы обработки оптической информации были вынуждены использовать альтернативные пути, основным из которых является
16
применение современных быстродействующих электронных вычислительных машин [13,14].
Большой объем электронной памяти и высокое быстродействие современных компьютеров позволяют производить сложные интегральные операции над изображениями большой размерности с выделением информативных признаков, сопоставление изображений с эталоном, опознавание образов и т.п. [15].
То, что в настоящее время компьютерные методы занимают значительное место в практике обработки изображений, видно из материалов Второй Международной конференции по оптической обработке информации 1996 года
[16]. При этом целый ряд аспектов этой проблемы выделились в отдельные направления. Отметим из них главные. Большое внимание уделяется исследованиям архитектуры вычислительных систем и алгоритмов их работы
[17]. В русле этих же проблем идет разработка специализированных процессоров параллельного действия для анализа оптических изображений, процессоров систолического и конвейерного типа, трансверсальных фильтров, позволяющих существенно снизить объем информации за счет оконтуривания, выделения характерных деталей и других операций для проведения опознавания образов в компьютерах высокого уровня. Видно, что наибольшее внимание здесь уделяется параллельным системам и быстрым алгоритмам [18].
Показательно, что при этом идет поиск интегральных операторов, упрощающих процедуру обработки информации и опознавания образов. Из последних работ в этой области следует обратить внимание на [19], где рассмотрен оператор, удобный для проведения процедуры распознавания, как в предметной, так и в спектральной областях для одномерных сигналов. В работе [20] анализируются возможности применения “частичного” преобразования Гильберта, как альтернатива преобразования Фурье.
Ранее в технике цифровой обработки был известен метод преобразования изображений с помощью дискретного суммирования в пространственной области, охватывающей несколько точек отсчета (3x3, 5x5, 7x7) [13]. В этих точках в выбранном пространстве сигналы умножаются на различные
17
положительные и отрицательные весовые коэффициенты, а после суммирования интегральное значение интенсивности фрагмента изображения приписывается центральной точке данной области. Указанным методом проводились операции выделения контуров при наличии шума (оператор Собел) [13] и операции сопоставления с эталоном (оператор Кирш) [21].
Такой способ может использоваться для подчеркивания контуров изображений с помощью дискретного импульсного отклика из 3x3 элементов, что соответствует значению центрального максимума лапласиана:
О -1/4 О йд= -1/4 1 -1/4
О -1/4 О
Такой оператор хорошо согласуется с особенностями зрительного восприятия,
„ <?В(х,у) д1В(х,у) „
поскольку полный лапласиан &В(х,у)=— -г +—~т~ является двумерной
ас ду
характеристикой изменения яркости.
Однако наряду с компьютерной обработкой сигналов идет постоянный поиск приборных способов реализации конкретных операций над видеосигналом. Здесь следует подчеркнуть, что использование видеосигнала оставляет эти методы в рамках поэлементного представления сигнала и, тем самым, предопределяет использование последовательных систем и методов.
Так, например, в технике электронной аналоговой обработки широко известен метод горизонтальной и вертикальной коррекции с использованием линий задержки [22]. Свертку телевизионного видеосигнала с некоторой весовой функцией осуществляют на четырех линиях задержки: двух - строчных и двух - элементных; задержанным сигналам придают соответствующие веса. Таким способом удается синтезировать двуполярный импульсный отклик /ц.
Пока в составе линий задержки использовались дискретные пассивные элементы - ЯС- и ЬС- цепи, а также дискретные активные элементы -операционные усилители, рассчитывать на синтез достаточно сложных импульных характеристик не приходилось, так как параметры всех компонентов фильтров должны быть выдержаны с высокой точностью,
исключены возможности температурного дрейфа и других временных изменений.
Новые возможности реализации биполярных функций импульсного отклика появились с разработкой приборов с зарядовой связью (ПЗС) [23]. В работе [24] описывается принцип действия, так называемых, трансверсальных фильтров, в которых линейный набор весовых коэффициентов вводится путем разрезания электродов накопительных емкостей и адресации участков разрезанных электродов на инвертирующий и неинвертирующий входы сумматора. Эффективность задержки в этих фильтрах не зависит от спектра анализируемого сигнала, а длительность обрабатываемых сигналов лимитируется временем хранения информации - долями секунд.
Если &-тый электрод разрезан так, что его часть с площадью 1/2(1 +Л*) присоединена к шине, связанной с одним входом сумматора, а часть площадью 1/2(1-А*) - с другим входом сумматора, то электрический заряд,
г к г
регистрируемый на выходе, равен ? = £1/2(1+ А*}?* -£1/2(1- А*)?* = £а*?* » гДе
к*\ Ь.1 *.!
Ик - нормализованная безразмерная величина, равная Ахгому весовому коэффициенту, которая может принимать, как положительные, так и отрицательные значения, - заряд к- той емкости, введенный в нее в момент времени /, характеризующий освещенность &-того элемента фотопреобразующего устройства, с которого поступает сигнал в трансверсальный фильтр.
Последовательность электрических сигналов ДрЛ/), связанная однозначно с пространственным распределением освещенности 1\х\ подвергается преобразованию:
з(рЫ)='£и'/к\{р-кЩ,
где з(рД/) - реакция фильтра в момент времени £=рА/.
Картина расположения разрезов электродов трансверсального фильтра полностью совпадает с видом импульсного отклика этого фильтра. Синтезируется аналоговая функция Щх), в которой выделены к дискретных
19
значений. Число разрезанных электродов определяется общим числом элементов и может варьироваться от 100 до 1000, точность проведения разреза, однородность накопительной емкости по площади лимитируют динамический диапазон амплитуды весовой функции 10 дБ [25].
Существенным недостатком такого устройства является необходимость в выделении дискретных во времени, но теперь аналоговых, значений входного сигнала. Таким образом, шумы дискретизации поражают сигнал до его обработки. Кроме того, производится только одномерная фильтрация. Двумерный импульсный отклик формируется только на наборе ПЗС-линеек, каждая из которых должна отдельно программироваться, а сигналы с выходов -поэлементно суммироваться. Оперативная перестройка импульсного отклика в таких фильтрах исключена.
К системам, в которых осуществляется сканирование многокомпонентной апертурой, можно отнести телевизионные устройства с анизотропией электронного считывающего луча [26]. Исследования возможности использования электронного луча с пространственной анизотропией в качестве фильтра пространственных частот и углов проведены автором данной работы [27, 28]. Штриховая апертура использовалась для уничтожения строчной структуры растра или для подчеркивания элементов контура, имеющих заданное направление, совпадающее с направлением анизотропии луча. Однако наиболее существенные с практической точки зрения искажения, такие, как дефокусировка, смаз при линейном сдвиге, размытие из-за турбулентности среды и пр., приводящие к ухудшению передачи высоких частот, одним измением формы апертуры устранены быть не могут. Так, например, изображения при смазе передаются со сдвигом фазы сигнала на 180°, то есть регистрируется с обращением контраста. Эго означает, что светлым участкам в предмете соответствуют темные участки в изображении и наоборот. Этот эффект приводит к существенному ухудшению распознаваемости, так как с обращением контраста передается только часть пространственных частот. Чтобы скорректировать такого рода искажения, должен быть синтезирован импульсный отклик сложной протяженной структуры, обязательно -
. 20
знакопеременный. Это означает, что если производится свертка изображения Ире,у) с апертурой р(х,у):
С(х,у)= |/ Р(х',у')р(х'-х,у'-у)сЬ'ф',
О
то р=р -р, а тогда
<Н*>У) = ЯР(х'У)Р¥ (*' ~ - У)<**'& ~ Я*(х',У)У (х' - х,У - у)сЬ'с!у'.
о о
Отсюда следует, что коррекция изображения при сканировании апертурой р = р -р должна производиться не менее чем в два этапа, либо в двух каналах с последующим комбинированием неотрицательных вещественных функций, соответствующих отрицательной и положительной части апертуры. Трудности реализации такой системы при большом количестве компонентов очевидны.
Большую свободу в синтезе апертуры произвольной знакопеременной формы дает управление сканирующим лучом [29]. Важнейшим элементом такой системы является мультипликатор, который размножает сканирующий луч на Р пучков, каждый из которых модулирован своей функцией рр. Анализируемое изображение также мультиплицировано, повторено Р раз. Роль интеграторов выполняют Р фотодетекторов, сигналы которых комбинируются с учетом знаков рр.
Преимуществом обеих рассмотренных систем является отсутствие дискретизации изображения и возможность нелинейного комбинирования компонентов. Операция свертки обеспечивается за счет электронного или механического перемещения сканирующего луча. Например, свертка изображения с весовой функцией, синтезированной на многоэлементном мозаичном фотоприемнике в работе [30], осуществляется в сканирующей системе фототелеграфного типа.
В работе [31] перед каждым элементом мозаики помещают оптический фильтр, плотность которого соответствует амплитуде синтезируемого дискретного коэффициента весовой функции. Знак коэффициента кодируется разводкой выходов элементов мозаики на инвертирующий либо неинвертирующий вход сумматора. В работе [32] дискретные фильтры
- Київ+380960830922