Преобразование сигналов оптоэлектронными аппаратами барабанного типа

Критерии проектирования технических средств системы ввода изображений в ИГК РВ

Проблема оперативного ввода данных, налагаемых на картографический фон в настоящий момент стоит достаточно остро и несмотря на ее актуальность нельзя утверждать, что в ближайшем будущем она полностью будет решена. Причин тому несколько. Главной из них является отсутствие необходимой гаммы нестационарных устройств ввода изображений как с носителя, так и непосредственно оператором вручную.

Решение этой проблемы связано с построением системы оперативного взаимодействия, обеспечивающей вывод на экран движущихся символов на фоне цветных картографических изображений. Поэтому при построении системы оперативного ввода и системы оперативного взаимодействия предлагается организовать на единых критериях и едином принципе «ввод отображение».

Исследования показали, что проектирование устройств оперативного ввода и отображения, действующих на этом принципе упрощает задачу их программной совместимости. Требования организовать «электронное кино», т.е. растровую развертку экранов и их малое послесвечение, обусловило необходимость иметь устройство оперативного ввода также растрового типа. Нами приняты следующие основные критерии для выбора устройств считывания: разрешающая способность; формат карты размером не менее А 4; низкая стоимость; простота эксплуатации; небольшие габариты и масса; возможность серийного изготовления СВвИ отечественной промышленностью; возможность нестационарного применения.

Структура системы ввода изображений в ИГК РВ и вывода его на экран на основе факсимильного аппарата «Штрих-М» представлена на рис. 2.7.3. Оптоэлектрический сигнал, несущий информацию об элементах, составляющих изображение подается с выхода фотоэлектронного умножителя ФЭУ через усилитель У и фильтр Ф на аналого-цифровой преобразователь АЦП.

С выхода АЦП в цифровом виде этот сигнал поступает через согласователь интерфейса БИ на вход ЭВМ.

Электроннооптический узел формирования светового пятна, состоит из осветителя 0, собирающей и фокусирующей линз Л1, Л2 и призм П. Механизм развертки изображений представлен приводом М и развертывающим барабаном Б, на котором закрепляется вводимое изображение.

На барабане Б имеется датчик Д синхроимпульсов получаемой от оптоэлектронной пары.

При считывании информации на поверхность изображения проеци­руется сфокусированное яркое световое пятно, перемещающееся вдоль оси барабана. Оно обегает по винтовой линии эту поверхность, осуществляя развертку изображения.

Отраженный световой поток воздействует на ФЭУ, в результате чего в его цепи появляется изменяющийся во времени ток , мгновенное значение которого определяется отражающей спо­собностью элементов изображения. Как правило, уровень электрического сигнала с выхода ФЭУ весьма слаб, поэтому он усиливается усилителем У до необходимого уровня. К тому же усилитель У выполняет функцию буфе­ра-согласователя.

Далее с помощью фильтра Ф из сигнала, рис. 2.7.4а, удаляются не­желательные низкочастотные и высокочастотные составляющие. Отфильтрованный сигнал, рис.2.7.4б, поступает на устройство выборки и хранения, который входит в узел АЦП.

Преобразование оптоэлектрического сигнала, получаемого с выхода ФЭУ, в цифровую форму всегда происходит за некоторый конечный промежуток времени – времени преобразования. В тече­ние этого времени сигнал на входе W должен поддерживаться неизменным. Сигнал на выходе пропорционален сигналу на его входе, пока не последует ко­манда запоминания, после которой сигнал на выходе устройства преобразования остается неиз­менным.

Далее цифровые данные поступают на интерфейсную шину ЭВМ по сигналу, получаемого с датчика Д и сформированно­го узлом формирования синхроимпульсов Фси.

Рассмотрим процессы преобразования оптоэлектронного сигнала, соответствующего изображению, представлен­ного на бумажном носителе, в получаемую цифровую электронную копию.

Такое преобразова­ние, представляет собой случайный процесс.

Известно, что случайные процессы характеризуются n-мерными функциями распределения вероятностей, причем тем полнее, чем больше n. Однако, многомерные функции распределе­ния вероятностей практически могут быть получены лишь в результате чрезвычайно сложной, трудоемкой и длительной обработки очень большого числа реа­лизаций случайного процесса.

Вместе с тем ряд сложных за­дач можно решать, разбивая их на более простые.

Среднее значение случайного процесса оп­ределяется выражением

(2.7.17)

где: - одномерная плотность вероятности, а черта над функцией означает усреднение по множеству. Аналогично можно найти среднее значение от квадрата случайного сигнала:

(2.7.18)

Здесь величина имеет физический смысл средней мощности, которую развивает случайный сигнал на резисторе сопротивлением в 1 ом в момент времени t. Положительное значение квадратного кор­ня из этой величины является среднеквадратическим значением слу­чайного процесса:

(2.7.19)

Дисперсия случайного процесса, являющаяся мерой разброса его значений около среднего:

(2.7.20)

Если , то

Связь между значениями и в различные моменты времени оценивается корреляционной функцией

(2.7.21)

где: двумерная плотность вероятности случайного процесса.

Особое место в теории сигналов занимают стационарные эргодические случайные процессы. Стационарным называют такой случайный процесс, для которого одномерная функция распределения не зави­сит от времени, т.е. , а двумерная плотность вероятности зависит от разности

Из формул (2.7.1) и (2.7.2) следует, что среднее и среднеквадратическое значения стационарных процессов не зависят от времени, т.е. они являются постоянными величинами, а из формулы (2.7.21) - что функция корреляции зависит только от . Свойство эргодичности здесь состоит в том, что средние по множеству с вероятностью "единица" равны средним по времени, взятым для любой реализации. Обозначая усреднение по времени волнистой линией сверху, свойство эргодичности можно записать в виде:

(2.7.22)

(2.7.23)

(2.7.24)

Из выражений (2.7.7) и (2.7.8) видно, что при , . По физическому смыслу - постоянная составляющая процесса, - его полная мощность. Если , то как следует из (2.7.20) дисперсия равна или мощности процесса.

В теории случайных процессов вводится важное понятие энергетического спектра случайного процесса, определяемого по формуле

(2.7.25)

т.е. функции, представляющей собой косинус-преобразование Фурье корреляционной функции. Функция представляет собой спектральную плотность средней мощности процесса, т.е. мощность, заключенную в бесконечно малой полосе частот . Мощность, заключенную в конечной полосе частот и , определяют интегрированием функции в соответствующих пределах:

(2.7.26)

На практике приходится иметь дело также с нестационарными процесса­ми. К ним относится ряд сигналов, получаемых с факсимильного аппара­та.

Средние значения нестационарных процессов, полученны усреднением по множеству, являются функциями времени, см. (2.7.17-2.7.21). Для устранения этой зависимости производят повторное усреднение, на этот раз по времени. Полученные таким образом значения характе­ризуют некий среднестатистический сигнал. Эти значения можно рассматривать как характеристики некоего стационарного эргодического случайного процесса лишь «в среднем» соответствующим нестационарному процессу. Так, чтобы найти такое среднестатистическое среднее значение нестационарного процесса, необходимо функцию , полученную по формуле (2.7.17), усреднить по времени

(2.7.27)

Аналогично вычисляется средняя мощность и корреляционная функ­ция нестационарного процесса.

Мгновенная мощность сигналов может принимать различные значения в весьма широких пределах. Чтобы охарактеризовать эти пределы, вводят понятие динамического диапазона и пик-фактора сигналов. Динами­ческий диапазон сигнала в децибелах определяется выражением

(2.7.28)

где: - максимальное и минимальное значения мгновен­ной мощности. Под обычно понимают значение мгновенной мощно­сти сигнала, вероятность превышения которой достаточно мала (напри­мер 0,01). 0 величине этой вероятности уславливаются для каждого конкретного сигнала. За минимальную мощность сигнала можно принять величину, равную допустимой среднеквадратической погрешности.

Пик-фактором сигнала Q называется отношение его максимальной мощности к средней. В логарифмических единицах

(2.7.29)

Весьма важным параметром сигнала является также количество информа­ции I, переносимой в единицу времени (информационная содержатель­ность).

Предположим, что цифровые сигналы представляют собой последо­вательности импульсов с детерминированным тактовым интервалом, ампли­туды которых могут принимать некоторое конечное количество разрешенных уровней. Введем следующие обозначения: - число разрешенных уровней; - период импульсной последовательности (тактовый интервал); тактовая частота, численно равная скорости передачи, т.е. числу импульсов в секунду, - вероятность появления сигнала с -м уровнем. Предположим также, что импульсы с различными уровнями статистически независимы. В этом случае

(2.7.30)

где: - количество информации, содержащейся в цифровом сигнале. Если импульсы различных уровней равновероятны, т.е. если то

(2.7.31)

Формула (2.7.31) дает оценку сверху информационной содержательности цифрового сигнала.

При расчете среднего количества информации , переносимой аналоговым сигналом за единицу времени, нужно иметь в виду следующие два принципиально важных обстоятельства.

1. Спектр аналоговых сигналов практически сосредоточен в неко­торой ограниченной полосе частот от 0 до . В соответствии с теоремой Котельникова такие сигналы (т.е. сигналы с ограниченным спектром) могут быть представлены последовательностью своих отсче­тов (мгновенных значений), следующих друг за другом через интервал дискретизации , т.е. с частотой дискретизации .

2.Допустима некоторая погрешность воспроизведения сигнала изображения на видеотерминале, определяемая характером передаваемо­го сообщения и требуемым качеством воспроизведенного изображения, т.е. требуемым критерием верности. Обозначим через сигнал, обеспечивающий заданное качество изображения. Тогда допустимая погрешность , а среднеквадратическое отклонение принятого сигнала от переданного (исходного оптоэлектрического)

(2.7.32)

где: Т - время передачи сигнала изображения. Функцию можно рассматривать как своеобразную помеху, а среднеквадратическое от­клонение - как среднюю за время Т мощность этой помехи , допустимое значение которой может быть определено экспериментально для сообщений различного вида.

Учитывая эти два обстоятельства, аналоговый оптоэлектрический сигнал, не нарушая заданного качества воспроизведенного изображе­ния, можно заменить цифровым сигналом - последовательностью импуль­сов, следующих друг за другом с частотой дискретизации и числом разрешенных уровней сигнала зависящей от отношения средней мощности сигнала к мощности помехи . Из теории передачи сигналов следует, что:

Учитывая выражение (2.7.31) находим и информационную содержательность сигнала:

(2.7.33)

Формула (2.7.17) дает оценку сверху количеству информации, содержащей­ся в аналоговом сигнале.

Теперь попытаемся дать некоторые количественные оценки, характеризующие физиче­ские свойства оптоэлектрического сигнала, получаемого с факсимильно­го аппарата.

Частотный спектр такого сигнала определяется характером передаваемого изображения, скоростью развертки и размерами анализируемого пятна. Обозначим через - максимальную частоту оптоэлектрического сигнала, полагая, что оригинал изображения представляет собой чередующиеся черные и белые полосы, перпендикулярные направлению развертки, причем ширина этих полос равна диамет­ру анализируемого пятна. Тогда

(2.7.34)

где: - диаметр барабана, мм; М - частота вращения барабана, об/мин, -ширина анализируемого пятна, мм. Для М = 240 об/мин и М = 120 об/мин при =70 мм и =0,25 мм получим из (2.7.34): =2930 Гц при М =240 об/мин и =1466 Гц при М =120 об/мин. Оптоэлектрический сигнал получаемый при передаче изображений характеризуется довольно сложной формой, энергетический спектр которого со­держит частоты от 0 до . Вводимые изображения могут быть штриховыми, т.е. содержащие две градации яркости, и полутоновыми. Для полутоновых изображений динамический диапазон сигнала составляет приблизительно 25 дб.

Дадим оценку пик-фактора и информационной содержательности оптоэлектрического сигнала. Пик-фактор определяется из выражения

(2.7.35)

где: - максимальное и среднеквадратическое значение сигнала, предположим, что все градации яркости равновероятны, т.е. вероятность появления градации , где - количество градаций, обеспечивающих заданное качество.

Перенумеруем в порядке возрастания уровни сигналов, соответствующие различным градациям яркости, тогда амплитуда -го уровня будет а среднеквадратическое значение сигнала

(2.7.36)

Известно, что

(2.7.37)

Тогда

(2.7.38)

Подставляя (2.7.38) в (2.7.35) окончательно получим значение пик-фак­тора Q.

(2.7.39)

При пик-фактор Q =4,5 дб.

Информационную содержательность оптоэлектрического сигнала, оп­ределим по формуле (2.7.30), полагая, что для штрихового изоб­ражения, для полутонового изображения и . В результате расчетов получим:

бит/с для штрихового изображения,

бит/с для полутонового изображения при М =120 об/мин.

Согласно рекомендации международного консультативного комитета МККТТ защищенность телевизионного сигнала от взвешенной флуктуационной помехи должна быть не хуже 57 дб. Для невзвешенной помехи с равномерным спектром защищенность должна быть не хуже 48 дб. При таком отношении сигнал-помеха глаз различает на экране кинескопа около 100 градаций яркости от белого до черного. Очевидно, что для качественной передачи полутонов целесообразно использовать разряд­ность АЦП равную разрядов. Однако динами­ческий диапазон оптоэлектрического сигнала уже и примерно равен 25 дб. Поэтому число градаций яркости здесь будет меньше (около 16).

Качество изображения, выводимого на экран видеотерминала, в значительной степени зависит от качества самого носителя информации. Известно, что бумага низкого качества обладает непосто­янством уровня отраженного от нее светового потока, что связано с неоднородностью ее структуры (шероховатость, изломы, загрязне­ния). Непостоянство расстояния между бумагой и фотосчитывающим элементом ФЭУ создает дополнительную паразитную амплитудную модуляцию. Бумага может в процессе работа изнашиваться, загрязняться, что приводит при вводе изображений в ЭВМ к значительным помехам различного рода. В результате этого возникают ложные импульсы на экране, появляются светлые и темные штрихи и пятна, а это ведет к выпадению фрагментов изображения и даже к искажениям изображения в це­лом. Наличие шероховатостей бумаги приводит к появлению в спектре оптоэлектрического сигнала высокочастотных шумовых составляющих. Попытка ограничения спектра этого сигнала наряду с уменьшением уровня шумов снижает и уровень полезных информационных импульсов (рис 2.7.4, б), а также приводит к затягиванию передних и задних фронтов этих им­пульсов. Предположим, что оптоэлектрический сигнал нормируется от черно-белого (штрихового) изображения, т.е. сигнал двухуровневый. Главным информационным параметром такого сигнала является амплитуда импуль­са. Вследствие того, что на выходе ФЭУ формируется сигнал, равный сумме полезного сигнала и помехи, вероятность правильного преобра­зования сигнала в видеоизображение будет определяться отношением полезного сигнала к помехе. Для повышения вероятности правильного приема изображения должна быть произведена предварительная обра­ботка оптоэлектрического сигнала, обеспечивающая увеличение отношения сигнал/помеха. Устройствами, осуществляющими такую обработку, являются: фильтр, обеспечивающий улучшение отношения сигнал/помеха, разрешающее устройство РУ, выполняющее главные функции различения и восстановления сигналов. Одним из таких разрешающих устройств для двухуровневых сигналов является компаратор, основная функция которого заключается в сравнении двух сигналов. В этом случае АЦП-преобразование сводится к квантованию на два уровня рис. 2.7.5.

Известны следующие методы фильтрации, обеспечивающие улучше­ние соотношения сигнал/помеха: частотная фильтрация; метод накопления;

согласованная фильтрация; корреляционный метод.

Все эти методы основаны на использовании различий свойств полезного сигнала и помехи.

Процесс отделения сигнала от помехи и восстановления его формы, называемой регенерацией, выполним с помощью компаратора, рис. 2.7.5.

На выходе компаратора формируется прямоугольный импульс тогда, когда уровень входного сигнала оказывается больше некоторого порогового значения (рис. 2.7.5). Если же окажется меньше, чем , то на выходе компаратора вырабатывается уровень логического нуля, т.е. помеха оказывается подавленной. Вероятность ошибки при регенерации двухуровневых сигналов в большой степени зависит от значения порогового уровня (рис. 2.7.4,а). Рас­смотрим вопрос о его оптимальном выборе. Обозначим плотность вероятности распределения помехи на входе регенератора как . Если сигнал представляет собой прямоугольный импульс с амплитудой А, график плотности вероятности суммы сигнала и помехи по форме не отличаются от , но имеет среднее значение, равное А, и описывается выражением . Можно показать, что минимум вероятности ошибки обеспечивается в том случае, если пороговое значение выбрано в точке пересечения ,, рис 2.7.6. Действительно, при регенерации могут возникать ошибки двух видов: ложный импульс и потеря импульса. Ложный импульс появляется, если уровень помехи превышает пороговый уровень. Потеря импульса также происхо дит в том случае, если сумма сигнала и помехи окажется меньше порогового значения .

Из анализа графиков плотности вероятности и следует, что оптимальное пороговое значение равно половине амплитуды сигнала.

Исследование формы оптоэлектрического сигнала на ос­циллографе показал, что в нем присутствуют значительней уровень фона, зависящий от сорта бумаги, а также зависящий от характера изображения на носителе (цвет, дефекты изображения, излома, загрязнения). Максимальный уровень помехи проявляется на носителе, близком к бумаге, используемой для газет. К тому же амплитуды импульсов, формируемых при вводе черно-белых изображений

(рис 2.7.5.а) различны и зависят от оптической плотности фрагментов изображе­ния (низкое качество рисунков, текстов). Все эти перечисленные обстоятельства затрудняют возможность регенерации сигнала изображения на компараторе с постоянным пороговым уровнем. Очевидно, что изменение уров­ня импульсов и фона в процессе считывания черно-белых изображений требует изменения порогового напряжения в процессе считывания. Поэтому для снижения вероятности появления помех (ложный импульс, потеря импульса) нами предложен способ выделения полез­ного сигнала, суть которого заключается в следующем: оптоэлектрический сигнал подвергается НЧ-фильтрации для выделения из него уровня фона (рис. 2.7.5.г) с постоянной времени интегрирования большей чем длительность информационных импульсов. Затем исходный сигнал с ФЭУ и отфильтрованной сравни­вается на компараторе. Чтобы уменьшить вероятность возникновения ложных импульсов, как было показано выше, необходимо задать поро­говое напряжение смещения . Для этого в устройстве ввода применен регенеративный компаратор, учитывающий .

Эксперименты на его макете с функциональной схемой, показанной на рис. 2.7.5.д, подтвердили, что такая схема позволяет гораздо эффективней отстраиваться от фона и отмеченных шумов не только для черно-белых изображений, но и для контрастных цветных изображений типа географических карт.

При этом происходит эффективная фильтрация цветного фона, а также выделение контуров и надписей в исходном изображении при его вводе в ЭВМ.

Дата добавления: 2014-01-07