Проектирование преобразователей информации

Рассмотрим методику проектирования ВПИ с использованием модели Ю.Ф. Мухопада на примерах.

Пример 1 – фрагмент читающего автомата для опознавания номеров вагонов. А.А. Блатом и П.Д. Самориным предлагается использовать стилизованный шрифт [2] для записи номеров, отличающихся тем, что число пред­ставляется в виде мат­рицы 3x5 двоичных элементов (рис. 45). Матричные изо­бражения, представлен­ные в виде 15-разряд­ного кода, считанного в виде кон­катенации трех столбцов матрицы, будут отличаться от соответствующих им эта­лонов цифр 1, 2,..., 9 не ме­нее чем в пяти разрядах (расстояния по Хеммингу). То­гда сходство считанного и эталонного знаков должно подтверждать различие бо­лее чем в пяти разря­дах. Стилизованное изображение цифр приведено на рис. 45.

Рис. 45

Определим структуру ВПИ, осуществляющего опознавание по дан­ному ал­горитму. Следует заметить, что в работе такого устройства наиболее слож­ной частью бу­дет считывание знаков, выделение из многоразрядного деся­тичного числа одного знака, центрирование и фиксация его на матрице 3x5 элементов. Все эти функции отнесем к задаче устройства ввода изображе­ний (УВИ), которое рассматривать не будем ввиду сложности (УВИ содержит оптические, механические, аналого­вые и цифровые устройства, включая сигнальные процессоры с развитым про­граммным обеспечением).

Рассмотрим только «заключительную» часть работы ВПИ, сравнение изо­бражений и принятие решения об их сходстве, т.е. будем предполагать, что на обработку по­ступает массив двоичной информации из ЗУ.

Определим задачи каждой из подсистем.

Информационная подсистема. Очевидно, что необходимо иметь ПЗУ, в ко­тором должны храниться 15-разрядные коды эталонных цифр 0, 1, 2,..., 9. Для хранения оперативной информации необходимы регистр ПЗУ (текущий сравни­ваемый эталон) и выходной регистр, для фиксации считанного образа цифры.

Рис. 46

Таблица 21 А i Состав МО l с 22 с 23 с 25 с 19   с 12 с 13 с 14 с 16 с 18 с 24   с 1 с 4   с 2 с 6   с 3 с 8   с 9   с 8 с 13 с 15   с 15   с 11 с 17   с 21

Рис. 47

Кроме того, необходим регистр для фиксации результата, хотя, в принципе, он мо­жет быть совмещен с выходным регист­ром ПЗУ.

Адресная подсистема. Для сравнения образа с эталонами можно считывать эталоны последовательно от 0 до 9 и прерывать изменение адре­са эталона, если произошло опознание. Тогда функции адресной подсисте­мы может выполнить простой счетчик.

Функциональная подсистема. Основная задача ВПИ – осуществление функ­ции опознавания. Метод опознавания определен в самом исходном описании сти­лизованного изображения цифр, из которого следует необхо­димость схемы срав­нения образа и эталона для фиксации результата срав­нения. В качестве схемы сравнения выберем сумматор по модулю два, а для результата возьмем сдвиговый регистр, содержимое которого будем считывать последовательно (методом сдвига) на счетчик. Сумма на счетчи­ке позволит принять решение об опознавании цифры.

Логическая подсистема. Потребуется формирование следующих ло­гических сигналов:

α ₁ – все ли сдвиги произведены,

α ₂ – все ли адреса эталонов использованы для опознавания,

α ₃ – содержимое счетчика результата опознавания менее 5.

Первые два логических признака формируются счетчиками при пе­реполне­нии, а третий признак есть отрицание переполнения.

Управляющая подсистема. Для определения алгоритма управления необхо­димо иметь всю структуру операционного устройства, т.е. комплекс подсистем Ф, И, А, Л (рис. 46) и набор микроопераций (табл. 20).

На рис. 46 обозначено УВИ – устройство ввода изображений, УВЭ – уст­ройство ввода эталонного изображения. P_гH – регистр неизвестного, P_гЭ – регистр эталона. Инд – индикатор, P_гC _дв – регистр сдвига, С_r – счетчики. Малоразрядное устройство суммирования по модулю два обозначено в виде квадратика с символом операции неравнозначности . Рядом с каждым блоком надписью над стрелками с _i указаны сигналы (микроопе­рации) управления каждым из блоков, расшифровка (смысл) которых дана в табл. 20. По структуре рис. 46, таблице операторов (табл. 21) составим алго­ритм управления ОА (рис. 47).

Все операционное устройство, как видно на рис. 46, реализуется на инте­гральных схемах любого из известных микропроцессорных наборов. Остается оп­ределить правило синтеза управляющего автомата по получен­ному алгоритму (рис. 47).

Пример 2. В читающих автоматах (например для считывания номеров вагонов) исполь­зуются устройства центрирования изображений. Им необхо­димо опреде­лить координаты изображения на фотоматрице и внести соот­ветствующие кор­рективы для расположения изображения в центре чувст­вительной фотоматрицы.

Аналого-цифровой ВПИ. Рассмотрим задачу выделения центра изо­бражения на фотоматрице ФМ размером m x m. Для современных ФМ m = 32, 64 … 1024, причем диодные ФМ имеют не только систему коорди­натного съема информации с каждой ячейки, но и при адресации столбца (строки) позволяют получить сум­марное напряжение, пропорциональное аналоговой сумме зарядов всех ячеек a_ij столбца матрицы

Рис. 49

Определим стратегию поиска центра изображения методом последо­ватель­ного сравнения освещенности разных частей матрицы (метод дихо­томий), т.е. сначала сравним освещенность первой (Ф1) и второй () половины матрицы и най­дем знак их разности (Sign):

Ф1 .

В общем виде при n циклах сравнения (где m ≤ 2ⁿ) в регистре памяти мож­но зафиксировать последовательность знаков для всех r А₂, r :

, r = 1, 2,..., n, r А_r.

Множество А _r и _r определяются последовательностью деления булева про­странства ФМ на 2 части по методу дихотомий.

На рис. 47 представлено булево пространство 8x8 фотоматрицы и его деле­ние по методу дихотомий. Метод дихотомий основан на последовательном деле­нии множества на два подмножества, каждое из которых снова делится на два подмножества и т.д. Анализ уравнений и сопоставление опе­раторов с сис­темной моделью (рис. 36) позволяет составить структурную схему ВПИ (рис. 48), где обозначено: блоки 2, 3 – аналоговые сумматоры (для определения Ф и ), вычита­тель 3 – функциональная подсистема; блок 4 (аналоговая схема сравнения) – логическая подсистема; блок 8 – ад­ресная подсистема; блоки 6, 7 – управляющая подсистема. При этом ФМ совмещает в себе функции информационной (хранит изображение) и функ­циональной (формирует значения R _i и R _j).

Реальная структура всей системы определения координат [20] со­стоит из све­тоделительной линзы, разделяющей изображение на 2 части (причем одно с пово­ротом на 90°), и двух фотоматриц с независимыми ВПИ (рис. 48). Принципи­альная схема ВПИ представлена на рис. 49, где блоки 8 реализованы как комму­та­торы на полевых транзисторах, а блоки 7 – как диодные шифраторы, подключаю­щие столбцы ФМ к аналоговым сумматорам по сигналам МПА 6 для r = 1, 2, …, n в соответствии с перечислением множества А _r и _r индексов столбцов ФМ. После аналоговых сумматоров 2 и вычитателя 3 триггером 4 формируется знак резуль­тата, который записывается в регистр сдвига 5 по сигналу МПА. Количество сдвигов прямо пропорционально числу булевых пере­менных x_i и для фотоматриц типа МФ-14 с полем 64x64 (m = 6, т.к. 64 = 2⁶) равно шести, т.е. за шесть шагов ал­горитма ВПИ осуществит определение центра изображения в поле ФМ (точка, группа точек, контур, пятно, буквы, объект определенной формы и др.), и про­изойдет регистрация координат центра изображения (X, Y).

Для современной микроэлектронной элементной базы длительность цикла 0,1 мкс не является признаком высокого быстродействия, следова­тельно, для ФМ с m = 6 решение задачи возможно за время <1,5 мкс. ВПИ подобного типа явля­ются наиболее быстродействующими и простыми, т.к. не используют ни механической развертки, ни телевизион­ного сканирования, а работают на ос­нове взаимодействующих во времени независимых подсистем Ф, И, Л, А, У с учетом полного использова­ния функциональных возможностей ФМ.

Таблица 20

C i	Содержание
l.	Считывание изображения
2.	Считывание эталона
3.	Сравнение
4.	Запись Рг неизвестной
5.	Считывание Рг неизвестной
6.	Запись Рг эталонов
7.	Считывание Рг эталонов
8.	Запись Рг Сдв.
9.	Сдвиг Рг Сдв.
10.	+ 1 к Сr (15)
11.	+ 1 к Сr (10)
12.	Уст. «0» триггера α 3
13.	Уст. «0» триггера α 1
14.	Уст. «0» триггера α 2
15.	Считывание дешифратора
16.	Уст. «0» Сr адреса
17.	+ 1 к Сr адреса
18.	Уст. исходн. сост. Рг Сдв.
19.	Уст. исходн., сост. Сr (15)
20.	Уст. исходн., сост. Сr (10)
21.	Индикация ошибки (Е)
22.	Запись доп. кода 15 в Сr (15)
23.	Запись доп. кода 10 в Сr (10)
24.	Уст. «0» счетчика α 3
25.	Ввод изображения

Таким образом, пятикоординатная (Ф, И, Л, А, У) модель Ю.Ф. Мухопада облегчает не только анализ, но и синтез (проектирование) структурной организации как сложных вычислительных преобразователей информации, так и микропроцессорных систем.