Параллельная оптическая обработка и помехоустойчивая передача изображений

Бесплатный доступ

Рассмотрен принцип действия устройства, реализующего преобразование изображений с целью передачи со сжатием информации в реальном масштабе времени. Показано, что параллельная, помехоустойчивая передача результата преобразования достигается с помощью частотного и спектрального разделения каналов.

Короткий адрес: https://sciup.org/14058238

IDR: 14058238

Текст научной статьи Параллельная оптическая обработка и помехоустойчивая передача изображений

Создание надежных и эффективных систем оптической связи, обеспечивающих помехоустойчивость и сжатие передаваемой информации, в частности изображений, невозможно без предварительной обработки с целью кодирования. Наиболее высокая степень сжатия видеоинформации достигается при кодировании с преобразованием, позволяющим разрушить корреляционную связь между элементами изображения и устранить присущую ему избыточность [ 1 -4] .

Результат преобразования является отображением исходного изображения в пространственно-частотной области и представляет собой трансформанту, состоящую из элементов, полученных в результате умножения двумерной функции, описывающей изображение на матрицы, или базисные функции выбранного преобразования. При этом характерные признаки изображения входят многократно в результат преобразования, а наиболее важные частотные компоненты имеют относительно высокие весовые коэффициенты

Сжатие осуществляется за счет отбрасывания элементов с малыми весовыми коэффициентами.

Относительно высокая помехоустойчивость при кодировании с преобразованием достигается за счет того, что при передаче и восстановлении результатов преобразования распределение искажений, вызванных процессом обработки и передачи, происходит равномерно по всему восстановленному изображению.

Типичный расход бит на элемент изображения при цифровой передаче результатов кодирования с преобразованием -1,5*0,5 бит/элемент, что является минимальным по сравнению с другими методами кодирования [з].

В настоящее время при кодировании с преобразованием широко применяется цифровая обработка на ЭВМ, однако из-за стремления осуществить процесс в реальном масштабе времени внимание разработчиков привлекают аналоговые методы, позволяющие также избежать ошибок квантования, возникающие при оцифровке изображения .

Недостатком известных оптических устройств, осуществляющих параллельное преобразование Уолша-Адамара, является поэтапность получения результата, свя-_ занная с поочередным представлением отрицательных и положительных значений элементов матриц Адамара [6] или базисных двумерных функций Уолша [7].

Скорость вычислений можно повысить, представляя противоположные по знаку элементы взаимно ортогональными поляризациями [8] .

На рис. 1 представлена блок-схема устройства реализующего умножение трех знакопеременных матриц, функционирование которого основано на свойствах анаморфотных оптических звеньев 10, 11, 12 [7, 9]. Абсолютное значение и знак элементов матриц представляются соответственно амплитудным и фазовым пропусканием двуслойных управляемых жидкокристаллических транспарантов ^ и 7; 5 и 8; 6 и 9 [Ю] .

При выполнении преобразования с помощью этого устройства необходимость в двуслойном транспаранте возникает только при обратном преобразовании, когда на месте 5, 7 синтезируется знакопеременная трансформанта. При прямом преобразовании матрица-изображение, расположенная на этом месте, всегда положительна. Элементы же матрицы Адамара, расположенные слева и справа (4, 7 и 6,9), как при прямом, так и при обратном преобразовании имеют постоянные значения + 1 и -1 .

При вычислении элементов результирующей матрицы

N d. =    £ b. . а . . с .

km . . к 1 1 j 1 m 1 , J = 1

из-за отрицательных значений элементов матриц-сомножителей Ь^^, а 5j, c^m возникает необходимость выполнения вычитания.

Известен способ оптического вычитания изображений, использующий заранее записанные специальные голографические линзы, которые освещаются промодулиро-ванными вычитаемыми транспарантами, сопряженным опорным пучком [11, 12]. Однако этим способом регистрируется не яркостная разность, а геометрическое различие между двумя двуградационными изображениями.

Устройства коррекции смаза и дефокусировки на основе фотоаниэотропных материалов [13, 1^], осуществляющие вычитание двух световых потоков с взаимно ортогональными поляризациями позволяют регистрировать величину, пропорциональ-

Рис. 1

  • 1    - источник излучения; 2 - поляризатор; 3 - компенсатор;

  • 4 , 5, 6 - амплитудные транспаранты; 7,8,9- фазовые транспаранты; 10, 11, 12 - анаморфотные оптические звенья;

13 - линзовый растр; 14 - призма Волластона; 15 - матрица фотоприемников; 16 - блок регистрации ную квадрату разностей интенсивностей сравниваемых потоков. И только в пределах приближенного равенства величины сигнала ее квадрату (для слабых сигналов) результирующую интенсивность можно считать разностью.

Результат, получаемый в процессоре пространственно-частотной фильтрации с использованием дифракционной решетки, позволяющей регистрировать комплексную амплитуду выходного излучения, пропорциональную разности пропускания двух транспарантов [15] (в общем случае многоградационных), так же, как и в случае обычной интерференции представляет собой квадрат либо суммы, либо разности амплитуд.

По указанным причинам с целью регистрации величины и знака элемента результирующей матрицы нами используются призма Воллостона 14 и фотоэлектрическая схема сравнения 15, 16 (см. рис. 1). В результате сигналы с выхода оптического устройства, реализующего преобразование Уолша-Адамара, представлены в электрическом виде. Подача полученных элек трических сигналов на шины матричного управляемого поляризационного модулятора обеспечивает формирование, а просвечивание его излучением лазера - введение трансформанты в канал связи.

При этом может осуществляться как параллельная, так и последовательная передачи. Параллельная передача с сохранением поляризационной модуляции (знака) возможна по открытому пространству, однако в этом случае дальность передачи ограничена дифракционной расходимостью [16].

Для сохранения знаковой информации, представленной в виде поляризации при передаче по волоконным световодам, необходимо организовать взаимное разделение двух видов поляризации. Такая передача может происходить по одномодовому оптическому волокну, сохраняющему поляризацию [17, 18]. При этом из-за случайных вращений плоскости поляризации передача знака происходит с помощью линейной и круговой поляризаций [19]- Од* нако такой способ передачи не позволяет использовать преимущества паоалл*льного преобразования, так как для определения соответствия расположения элементов трансформанты на передающем и приемном пунктах необходимо надежное пространственное разделение каналов. То есть в этом случае возможна только последовательная передача.

С целью реализации параллельной передачи знакопеременной трансформанты по волоконному каналу связи целесообразно использовать одновременно частотное и спектральное разделения [20] .

При этом абсолютное значение сигнала кодируется частотой модуляции излучения, а знак - длиной волны. Для кодирования адреса передаваемого элемента используется диапазон частот модуляции, так что каждому элементу трансформанты соответствует определенный частотный диапазон. Диапазон частот, необходимый для передачи 64 элементов 256-уровневого изображения 65 кГц. Вводу и передаче подлежит трансформанта, синтезированная с помощью управляющих сигналов, осуществляющих частотную модуляцию двуцветных излучателей, и представляет собой матричную структуру, размеры и число элементов которой зависят от степени сжатия.

На рис. 2 представлена схема устройства, осуществляющего процесс синтеза трансформанты на матрице двуцветных светодиодов. При одновременном попадании излучений с ортогональными поляризациями на каждый из пары фотодиодов на выходе дифференциального усилителя М появляется напряжение, пропорциональное разности освещенности фотодиодов..

Полярность напряжения определяется фотодиодом, освещенность которого больше. Для правильного функционирования преобразователя "напряжение - частота"-Ми напряжение на его входе должно быть только положительным. Это условие обеспечивается преобразователем абсолютных значений, собранным на М2 и Мэ. Одновременно сигнал с выхода дифференциального усилителя М1 п^оступает на "усилитель-ограничитель" М5. Величина напряжения на его входе определяется напряжениями стабилизации стабилизаторов D и D3, а полярность - полярностью входного сигнала. Сигнал с выхода преобразователя "напряжение - частота" поступает на входы обоих компараторов 2 и 8, однако выходные сигналы с них по-

явятся только тогда, когда откроются ключи на транзисторах Т1 и Т2 знаковым сигналом, поступающим с М5 и инвертора ^в •

Следует отметить, что описанное сравнение интенсивности излучений, попадающих на фотодиоды, необходимо проводить для всех элементов трансформанты, кроме первого d11, так как в нем сосредоточена вся энергия от преобразуемого изображения и он всегда положителен.

Сжатие информации может осуществляться как на основе зональной, так и на основе пороговой стратегии отбора.

Зональная стратегия отбора более проста при реализации, менее критична к необходимости сохранения адреса, однако зональный отбор значительно сужает класс передаваемых изображений.

Сжатие на основе порогового отбора обеспечивает более правильный выбор отсчетов для передачи (с точки зрения искажений) и является более эффективным при кодировании изображений с быстро изменяющимися статистическими свойствами [I, 3].

В нашем случае отбор передаваемых элементов трансформанты может осуществляться либо сравнением абсолютного значения каждого элемента с заранее выбранным пороговым напряжением, что достигается введением компаратора между преобразователем абсолютных значений и преобразователем "напряжение-частота", либо сравнением абсолютных значений пары элементов с помощью дополнительного дифференциального усилителя.

Таким образом, частотное и спектральное разделения каналов согласуются с параллельностью преобразования изображений, обеспечивают многоканальную передачу по волоконному световоду, а также позволяют избежать неравномерности влияния помех на сигналы различных уровней .

Статья научная