Устройство формирования и обработки изображения

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано в оптико-электронных системах обработки информации и распознавания. Техническим результатом изобретения является устранение искажений формируемого изображения в результате предварительной обработки путем замены в пространственных фильтрах взаимосвязанных волоконных оптических ответвителей на независимые, соединенные с помощью оптических сумматоров, что позволяет обеспечить симметричность коэффициентов фильтра и соответственно линейную ФЧХ пространственных фильтров. Сущность изобретения состоит в том, что за счет взвешенного суммирования оптического сигнала от соседних элементов изображения с помощью Y-образных оптических разветвителей, независимых электрически управляемых волоконных оптических ответвителей и оптических сумматоров осуществляется пространственная фильтрация. 3 ил.

 

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано в оптико-электронных системах обработки изображений.

Известно устройство формирования сигналов изображения / Телевизионная камера высокой четкости на матрице ПЗС с фоконом // Техника средств связи. Сер. Техника телевидения, - 1987 г. - Вып.4. - С.18-21/, состоящее из матрицы ПЗС и фоконной сборки, состыкованной узкими торцами фоконов со светочувствительными ячейками секции накопления матрицы ПЗС. Недостатком данного устройства является невозможность осуществления предварительной обработки изображения до поступления оптического сигнала на фотоприемник.

Известно также устройство, принятое за прототип /Патент №2254688, Н04N 5/30, 20.06.2005, Бюллетень №17/, состоящее из фоконной сборки, матрицы разветвителей, пространственных фильтров по координатам X и Y, устройства управления и матрицы ПЗС. Недостатком данного устройства является искажение формируемого изображения в результате предварительной обработки из-за нелинейности ФЧХ пространственных фильтров на взаимозависимых оптических волоконных ответвителях (ОВО).

Техническим результатом изобретения является устранение искажений формируемого изображения в результате предварительной обработки.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве формирования и обработки изображения, содержащем пространственные фильтры по координатам X и Y, введены ОВО 2×1 и оптические сумматоры, входы которых подключены к выходам ОВО, входы разветвителей подключены к узким торцам фоконов, центральные выходы разветвителей подключены к входам ОВО, выходы которых соединены с центральными входами соответствующих ОС, расположенных на одной оси с фоконом, боковые выходы по координате X разветвителей подключены через соответствующие ОВО к боковым входам соседних ОС по координате X, боковые выходы по координате Y разветвителей подключены через соответствующие ОВО к боковым входам соседних ОС по координате Y, входы ответвителей пространственного фильтра (ПрФ) Y подключены к выходу соосных ОС ПрФ X, выходы ОС ПрФ Y оптически связаны с ячейками ПЗС, причем на электрические входы каждого ответвителя подано двуполярное управляющее напряжение, вырабатываемое устройством управления, состоящим из блока питания, вырабатывающего опорное биполярное напряжение, и четырех пар цифроаналоговых преобразователей, на входы которых поступает двоичный код вида АЧХ, а с выходов - управляющее напряжение, причем первая пара цифроаналоговых преобразователей формирует положительное и отрицательное напряжение, поступающее на боковые ответвители ПрФ X, третья пара формирует положительное и отрицательное напряжение, поступающее на боковые ответвители ПрФ Y, а вторая и четвертая формирует положительное и отрицательное напряжение, поступающее на центральные ответвители ПрФ X и Y.

На фиг.1 изображена схема устройства формирования и обработки изображения для одной ячейки ПЗС, которая содержит фокон 1, шестиплечевой Y-образный разветвитель 2, ПрФ X 3 и ПрФ Y 4, содержащие электрически управляемые ОВО 2×15 на двух связанных оптических волноводах, оптические сумматоры 6, ячейку 7 матрицы ПЗС 8.

Формирование оптического сигнала на одной ячейке ПЗС производится следующим образом. Элемент изображения проецируется на широкий торец фокона 1, с выхода которого оптический сигнал с помощью разветвителя 2 распределяется на пять волноводов: центральный волновод подключается к ОВО, выход которого соединяется с центральным входом ОС 6, расположенным на одной оси с фоконом 1, два волновода - к ОВО, выходы которых соединены с боковыми входами соседних ОС 6 ПрФ X 3, и два волновода - к ОВО, выходы которых соединены с боковыми входами соседних ОС 6 ПрФ Y 4. С выхода ОС 6 ПрФ X 3, расположенного на одной оси с фоконом 1, оптический сигнал поступает на ОВО, выход которого соединен с центральным входом соосного ОС 6 ПрФ Y 4, с выхода которого обработанный сигнал поступает на ячейку 7 матрицы ПЗС 8.

Пространственная обработка в ответвителях и сумматорах производится согласно схеме, представленной на фиг.2. В схеме используются электрически управляемые ОВО 5 на двух связанных волноводах. Такие ответвители используют явление электрооптического эффекта Поккельса и содержат два волновода 9, 10 с расположенными рядом электродами 11, 12 и 13. Электроды 12, расположенные между волноводами 9 и 10, подключены к шине «корпус», электрод 11, расположенный рядом с волноводом 9, подключен к шине «+U» и электрод 13, расположенный рядом с волноводом 10, подключен к шине «-U», как показано на фиг.2. Такое подключение приводит к тому, что знаки приращения показателей преломления волноводов 9 и 10 становятся противоположными, что необходимо для пространственной обработки.

Световые потоки Ф_к(х) на входах и Ф'_к(х) на выходе ОВО связаны между собой с помощью преобразования / Волоконная оптика. Труды института общей физики. Т.23. - М.: Наука, 1990, - с.108-114/:

где а_k=cos²(β_R·L) - коэффициент прохождения;

β_M=0,5·(β₁+β₂) - средняя постоянная распространения;

β_R=0,5·(β₁-β₂) - относительная постоянная распространения мод участка связи L;

β₁, β₂ - постоянные распространения первого и второго волноводов соответственно;

α - коэффициент потери мощности при прохождении ОВО.

На выходе ОС 6 световой поток описывается следующим выражением:

Для определения пространственной АЧХ производится замена где ω_х - пространственная частота. С учетом замены решение выражения приводит к тому, что указанное на фиг.2 соединение ОВО 5 и ОС 6 осуществляет взвешенное суммирование световых потоков Ф_к от элементов изображения, расположенных с интервалом Δх по оси х, а передаточная функция описывается выражением:

Полученное выражение соответствует передаточной функции нерекурсивного цифрового фильтра (НЦФ) второго порядка.

Постоянные распространения β₁, β₃ имеет линейную зависимость от приложенного напряжения U /Волноводная оптоэлектроника. Под ред. Тамира. - М.: Мир, 1991, - 573 с./:

где λ₀ - длина волны, на которой производится обработка изображения;

n₀ - показатель преломления невозбужденного волновода;

r₃₃ - электрооптический коэффициент (знак ± означает прикладывание управляющего напряжения различной полярности к боковым электродам).

Как видно из выражений (1), (2), (3) и (4), изменение управляющего напряжения приводит к изменению коэффициентов а_к и, следовательно, к изменению формы АЧХ. Так как на боковые ОВО 5 подается одинаковое управляющее напряжение, то коэффициент a₂ и а₀ будут равны, что обеспечит линейность ФЧХ НЦФ.

Поскольку световой поток с ОС 6 ПрФ X 3 (см. фиг.1) поступает на соответствующий вход ПрФ Y 4, где производится аналогичная обработка по координате Y с коэффициентами а_m, то в итоге последовательное соединение двух фильтров дает общую передаточную функцию:

На фиг.3 изображена схема устройства управления, состоящая из блока питания 14 и четырех пар цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 15 на базе интегральных микросхем К427ПА1. Блок питания вырабатывает биполярное опорное напряжение, а ЦАП в соответствии с восьмиразрядным двоичным кодом вида АЧХ, поступающим от оператора, производят преобразование опорного напряжения в управляющее. Причем первая пара ЦАП формирует положительное и отрицательное напряжение, поступающее на боковые ответвители ПрФ X, третья пара формирует положительное и отрицательное напряжение, поступающее на боковые ответвители ПрФ Y, а вторая и четвертая формирует положительное и отрицательное напряжение, поступающее на центральные ответвители ПрФ X и Y.

Таким образом, устройство формирования и обработки изображений с введением независимых электрически управляемых ОВО 5 и ОС 6 позволяет формировать неискаженные изображения и дополнительно производить его пространственную обработку с необходимой формой АЧХ. Реализация предложенного способа возможна на современной элементной базе.

Устройство формирования и обработки изображения, содержащее пространственные фильтры по координатам X и Y, отличающееся тем, что оно содержит оптические волоконные ответвители 2×1, оптические сумматоры, входы которых подключены к выходам оптических волоконных ответвителей, причем входы разветвителей подключены к узким торцам фоконов, центральные выходы разветвителей подключены к входам оптических волоконных ответвителей, выходы которых соединены с центральными входами соответствующих оптических сумматоров, расположенных на одной оси с фоконом, боковые выходы по координате X разветвителей подключены через соответствующие оптические волоконные ответвители к боковым входам соседних оптических сумматоров по координате X, боковые выходы по координате Y разветвителей подключены через соответствующие оптические волоконные ответвители к боковым входам соседних оптических сумматоров по координате Y, входы ответвителей пространственного фильтра Y подключены к выходу соосных оптических сумматоров пространственного фильтра X, выходы оптических сумматоров пространственного фильтра Y оптически связаны с ячейками ПЗС, причем на электрические входы каждого ответвителя подано двуполярное управляющее напряжение, вырабатываемое устройством управления, состоящим из блока питания, вырабатывающего опорное биполярное напряжение, и четырех пар цифроаналоговых преобразователей, на входы которых поступает двоичный код вида АЧХ, а с выходов - управляющее напряжение, причем первая пара цифроаналоговых преобразователей формирует положительное и отрицательное напряжение, поступающее на боковые ответвители пространственных фильтров X, третья пара формирует положительное и отрицательное напряжение, поступающее на боковые ответвители пространственных фильтров Y, а вторая и четвертая формирует положительное и отрицательное напряжение, поступающее на центральные ответвители пространственных фильтров X и Y.