Моделювання методів паралельного кодування оптичної інформації

Мета роботи: набуття практичних навичок з імітаційного моделювання паралельних аналого-цифрових картинних перетворювачів оптичних зображень.

1. Ознайомитись з методами кодування оптичної інформації та принципами роботи аналого-цифрового картинного перетворювача (АЦКП), користуючись рекоме­н­до­­ваною літературою.

2. Задати в матричній формі вхідне напівтонове зображення розмірністю N*N з L рівнями квантування, де параметри N і L обираються відповідно до варіанту з таблиці 6.1.

3. Обрати за своїм варіантом вигляд функції перетворення f енергетичної характеристики сформованого оптичного зображення в часовий інтервал тривалості t.

4. Скласти блок-схему алгоритму обчислень і програмну реалізацію для процесу визначення керуючих сигналів логіко-часового АЦКП розгорнутого перетворення і двійкового кодування з кількістю розрядів log L (2год.).

5. Скласти блок-схему алгоритму роботи і її програмну реалізацію для імітації роботи логіко-часового АЦКП для перетворення вхідного зображення в набір розрядних зрізів. Навести контрольний приклад (4 год.).

6. Роздрукувати тексти програм, початкові та кінцеві результати.

7. Оформити звіт по роботі.

Теоретичні відомості

Візуальна інформація, яка має бути оброблена, вводиться в пристрій пам’яті з спеціального пристрою введення (спеціального датчика) або може бути результатом попередніх обчислень. В любому випадку така інформація порівнюється з деякою картиною, що сприймається людиною за допомогою зору. Це співставлення і є принциповою відмінністю візуальної інформації від числової, символьної або будь-якої іншої, яка може бути представлена в пам’яті ЕОМ.

Зрозуміло, що візуальна інформація має достатньо точно відображати стан яскравості або прозорості кожної точки картини, що сприймається зором. Для того, щоб представити візуальну інформацію в цифровій формі, необхідно дискретизувати простір і проквантувати значення яркості в кожній точці дискретизації. Найпростіше і природніше дискретизація досягається за допомогою координатної сітки, що утворена лініями, які паралельні осям декартової системи координат. В кожному вузлі такої решітки виконується відлік яскравості або прозорості носія інформації, яка сприймається зором, а потім квантується і представляється в пам’яті ЕОМ.

Таке представлення візуальної інформації називається рецепторним, природнім, поелементним або матричним. Таке представлення заслуговує на увагу в першу чергу найбільш зручного способу для описання процесу введення і виведення зображень і дозволяє легко встановити однозначну відповідність між картиною і її представленням в пам’яті ЕОМ.

Визначення 1 Аналого-цифровим картинним перетворювачем (АЦКП) називається пристрій, що має оптичний картинний вхід і один або декілька оптичних картинних виходи і призначене для одночасного перетворення всіх точок вхідного напівтонового зображення в набір бінарних картин (розрядних зрізів).

Визначення 2 Розрядним зрізом (РЗ) – називається двоградаційна (бінарна) картина, що складається із оптичних сигналів, що відповідають однойменним розрядним кодам інтенсивностей відліків вихідного напівтонового зображення.

В розглянутому логіко-часовому (ЛЧ) способі картинного аналого-цифрового перетворення розгортаючого типу використовується перетворення енергетичної характеристики оптичного випромінювання (оптичної потужності, інтенсивності, яркості) точок вхідного напівтонового зображення в тривалості часових інтервалів. Причому перетворення виконується в блоці 1 рис.6.2. одночасно для всіх просторових відліків вхідного напівтонового зображення. Іншими словами, оптичній потужності кожного відліку p_kl з координатами (k,l) в матриці P із M´N дискретних відліків ставиться в відповідність часовий інтервал тривалістю t_kl відповідно до функції перетворення f блоку 1.

t_kl=f(p_kl), (6.1)

Функція f не обов’язково повинна бути лінійною, головне щоб вона була монотонною (неперервною і однозначною).

Рис.6.2. Структурна схема логіко-часового АЦКП розгортаючого перетворення.

Тривалість часових інтервалів t_kl задається часом затримки коротких оптичних імпульсів відносно часу початку перетворення. Сукупність оптичних імпульсів з виходу блоку перетворення 1 подається на вхід мультиплікатора зображень 2, який розмножує цю сукупність на n однакових зображень, кожне з яких поступає на інформаційний вхід відповідної двовимірної оптичної D-защіпки 3₅ (s=) з стробуванням. На входи стробування 4₅ D-защіпки подаються керуючі сигнали y₁-y_n від блоку управління 5, який також виробляє імпульс запуску перетворювача 1 в момент t₀. D-защіпка працює таким чином, що вхідний оптичний імпульс переведе її комірку в одиничний стан, якщо в момент його приходу на вхід стробування буде одиничний керуючий y=1. Якщо в момент подання оптичного імпульсу y=0, то стан D-защіпки залишається нульовим. Процес квантування і кодування часових інтервалів здійснюється на двовимірних D-защіпках 3₁-3_n шляхом фіксації в моменти їх закінчення логічних розрядних кодових послідовностей y₁-y₂ коду, що використовується. Оскільки кодова послідовність y₁ старшого розряду коду поступає на вхід стробування D-защіпки 3₁, то в ній буде зафіксована бінарна матриця , що є старшим розрядним зрізом В₁ вхідного напівтонового зображення Р, на D-защіпки 3₂ – другий розрядний зріз В₂ і т.д., а на D-защіпки 3_n – молодший розрядний зріз B_n. Для пояснення роботи ЛВ АЦКП на рис.6.3. подані часові діаграми його роботи для прикладу перетворення оптичних потужностей двох точок p_kl=5,4·Dp і p_uv=2,8·Dp в прямий трирозрядний код, розрядні кодові послідовності якого мають вигляд y₁, y₂ і y₃ на рис.6.3. На рис.6.3 видно, що оптичні потужності 5,4·Dp і 2,8·Dp перетворюються в відповідні часові інтервали 5,4·Dt і 2,8·Dt. В момент часу (t₀+5,4·Dt) логічні стани розрядних кодів послідовностей були: y₁=1, y₂=0 і y₃=1. Отже, оптичній потужності точки p_kl=5,4·Dp буде поставлено в відповідність код [101], причому логічний стан y₁=1 буде зафіксовано в комірці (k,l) D-защіпки 3₁, y₂=0 буде зафіксовано в комірці (k,l) D-защіпки 3₂, а y₃=1 буде зафіксовано в комірці (k,l) D-защіпки 3₃. В момент часу (t₀+2,8·Dt) стани розрядних кодових послідовностей: y₁=0, y₂=1 і y₃=0. Отже, оптичній потужності точки p_kl=2,8·Dp буде поставлено в відповідність код [010], а стани y₁=0, y₂=1 і y₃=0 буде зафіксовано відповідно в комірках (u,v) D-защіпок 3₁, 3₂ і 3₃.

Рис.6.3. Часова діаграма роботи ЛЧ АЦКП.

На цьому період перетворення (Т_пр на рис.6.3) закінчується, потім йде інтервал часу Т_ч для зчитування інформації з D-защіпок 3₁-3_n на зовнішні пристрої, після чого за сигналом “Запуск” з виходу блоку управління 5 D-защіпки обнуляються і починається наступний період перетворення. На рис.6.3 в другому періоді перетворення значення точок інтенсивності змінились: p_kl=4,2·Dp і p_uv=7,7·Dp, як видно з рис.6.3. вони будуть закодовані відповідно [100] і [111].

Алгоритм синтезу управляючих сигналів при заданих функції перетворення f і коді перетворення є наступним:

1. Будуємо графік передаточної функції f блоку 1 в координатах (р,t) – рис.6.4, де р – оптична потужність відліку вхідного зображення, t – тривалість відповідного часового інтервалу. Для прикладу на рис.6.4 представлений графік гіперболічного закону перетворення:

, (6.2)

де А і В – постійні величини.

2. На осі абсцис відкладаємо точки p_j (j=) оптичної потужності . Для прикладу на рис.6.4 j= і вибрані однакові кроки квантування Dp_j, рівні Dp.

3. За заданими значеннями оптичних потужностей p_j, що обмежують інтервал квантування, визначаємо граничні значення тривалостей часових інтервалів t_j (j=):

t_j=f(p_j). (6.3)

4. Значення логічних рівнянь керуючих сигналів y_i (i=) (y₁¸y₃ на рис.6.4.) на інтервалі [t_j,t_j-1] (при j=) визначається відповідними цифрами в коді числа (j-1), що використовується. Для функції f що зростає t₀=0, а для спадаючої (як на рис.6.4) t₀=+¥. Наприклад, на рис.6.4 інтервалу [t₁,t₂] відповідають вхідні оптичні потужності пікселів, що відповідають 1 градації оптичної потужності, а прямий двійковий код числа 1 рівний [001], отже на інтервалі [t₁,t₂] і y₁=0, y₂=0, y₃=1 т.д.

ЛЧ спосіб картинного аналого-цифрового перетворення дозволяє без змін конфігурації системи (рис.6.2) здійснювати функціональне перетворення оптичний сигнал – код. Для цього потрібно сформувати визначеним способом керуючі сигнали y_i за описаним вище алгоритмом, але з одним уточненням. В цьому випадку п.2 алгоритму буде наступний: “По осі абсцис відкладаються точки p’_j (j=) з кроками, рівними , де F – функція перетворення (наприклад, логарифмічна, експоненціальна або друга), p_j-p_j-1=Dp_j – кроки квантування оптичної потужності.

Рис.6.4. Приклад отримання керуючих сигналів y₁ – y_n за заданою функцією f блоку перетворення 1

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

int main(){

int i,N,L;

printf("\nVvedite razmernost’ matricu: ");

scanf("%d",&N);

printf("\nVvedite chislo gradatsiy: ");

scanf("%d",&L);

int *A;

for(i=0;i<N*N;i++){

*(A+i)=random(L);}

printf("Ishodnaya matrica\n");

for(i=0;i<N*N;i++){

if(i%N==0) printf("\n");

printf(" %2d ", *(A+i));}

int m,l,n;

m=L;

n=0;

for(i=0;;i++){

l=m%2;

m=m/2;

if(l==1) break;

n++;}

int *B,j;

for(i=0;i<N*N;i++){

m=*(A+i);

for(j=n-1;j>=0;j–){

l=m%2;

m=m/2;

*(B+i+j*N*N)=l;}}

printf("\n Porozryadnye srezu \n");

for(i=0;i<N*N*n;i++){

if(i%N==0) printf("\n");

if((i%(N*N))==0) printf("\n \n");

printf(" %2d ",*(B+i));}

printf("\n");

system("pause");

return 0;

}