Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Классификация и анализ устройств, методов и средств преобразования картографической линейной информации 15
1.1. Обзор и анализ преобразователей картографической линейной информации 16
1.2. Светооптические системы электромеханических преобразователей графической информации 32
1.3. Электромеханические развертывающие устройства 33
1.4. Задачи исследования, актуальность и цель работы 42
Выводы по главе I 43
ГЛАВА 2. Теоретшеские вопросы разработки фотоэлект рических систем считывания с электромехани ческой разверткой 45
2.1. Физические основы и принципы построения первичных светооптических преобразователей 45
2.2. Анализ и определение функциональных характеристик светооптических систем 47
2.3. Анализ функционирования фотоэлектронных узлов светооптических систем 50
2.4. Разработка электромеханических развертывающих устройств 55
2.5. Исследование и анализ погрешностей преобразования первичной информации 67
2.6. Анализ математической модели фотоэлектрического сигнала 76
ГЛАВА 3. Разработка вторичных преобразователей устройств преобразования графической информации 95
3.1. Разработка функциональных схем преобразовате лей для поочередного считывания графических линий с выводом на промежуточные носители 95
3.1.1. Преобразователь измерительной графической информации 95
3.1.2. Преобразователь линейной картографической информации с возможностью слежения за одной выбранной кривой 99
3.2. Преобразователь для непосредственного ввода в ЭВМ картографической информации 107
3.3. Устройства для определения линейных размеров кривых и площадей фигур, образующих замкнутый контур 111
3.3.1. Устройство для определения площадей, ограниченных замкнутыми кривыми 112
3.3.2. Устройство для определения длин кривых 118
3.4. Устройство для определения приращения ординат.. 123
3.5. Взаимосвязь технических характеристик ПРИ и структуры вторичных преобразователей 126
ГЛАВА 4. Ввод и первичная обработка графической информации в ЭВМ 130
4.1. Организация ввода и записи графической информации в ЭВМ типа ЕС 130
4.2. Алгоритмы выделения и оцифровки преобразуемых кривых 135
Выводы по главе 4 143
Заключение 144
Литература 147
Приложение I
- Светооптические системы электромеханических преобразователей графической информации
- Анализ и определение функциональных характеристик светооптических систем
- Преобразователь для непосредственного ввода в ЭВМ картографической информации
- Алгоритмы выделения и оцифровки преобразуемых кривых
Введение к работе
Электронные вычислительные машины (ЭВМ) явились одним из факторов, обуславливающих научно-технический прогресс. Они используются во все больших областях умственной и производственной деятельности человека, являясь основным орудием в повседневной деятельности исследователей и специалистов в таких областях, как геология, геофизика, медицина, биофизика и др. Возможность автоматической обработки на ЭВМ больших массивов информации позволяет значительно увеличить эффективность научных исследований.
В настоящее время в связи с созданием систем автоматизации проектирования (САПР), систем автоматизации научных исследований (САНИ), специализированных информационно-вычислительных комплексов на базе ЭВМ семейств ЕС, СМ и т.д., возникла настоятельная необходимость в создании таких периферийных устройств, как преобразователи графической информации в цифровой код. Это обусловлено значительной долей информации, представленной в графической форме в общем потоке информации, обрабатываемой на ЭВМ, ввиду того, что она характеризуется наибольшей наглядностью и компактностью. Известно, например, что географическая карта может включать информацию, словесное описание которой потребовало бы не один соизмеримый с нею рукописный или печатный лист. То же можно утверждать и при сравнении графической записи с табличными данными, описывающими тот или иной процесс или явление. Если учесть, что преобразователи графической информации позволяют автоматически считывать и кодировать информацию в форме, воспринимаемой ЭВМ без каких-либо промежуточных действий, минуя стандартные устройства подготовки данных ЭВМ, то преобразователи графической информации предстанут как универсальные устройства подготовки данных.
Все разнообразие преобразователей графической информации можно разделить по виду преобразуемой информации на преобразователи:
1. Преобразующие измерительную информацию, заданную в виде графиков однозначных функций, считываемую с лент самопишущих приборов, осциллограмм, энцефалограмм и других носителей ленточного типа.
2. Преобразующие информацию с чертежей /I/ или карт, представленную замкнутыми кривыми или произвольно расположенными, не связанными между собой кривыми и отдельными линиями.
Особым классом устройств, имеющих много общего с вышеупомянутыми устройствами в связи с применением в них аналогичных узлов и элементов и сложных принципов функционирования, являются устройства автоматического ввода и обработки фотографических изображений на ЭВМ /2/.
Поток измерительной графической информации, требующей преобразования с помощью преобразователей первой группы, все больше уменьшается в связи с мощным внедрением почти во все сферы человеческой деятельности приборов с цифровым отсчетом и кодированной записью на носителях различных типов, в том числе и магнитных. Несмотря на это, в связи с все большим применением статистических методов в научных исследованиях и прогнозировании, например в геофизике, астрономии, медицине и др., где ранее накоплена уникальная информация, представленная в графической форме и требующая машинной обработки, преобразователи измерительной графической информации, пока еще, являются важным инструментом в руках исследователей.
Преобразователи второй группы, как в настоящее время, так и в будущем, будут необходимы там, где человек по роду своей деятельности связан с составлением и использованием карт, чертежей и графиков.
Автоматическое считывание графической информации с тех или иных носителей заключается в определении координат выделенных точек графического образа путем генерирования аналоговых или дискретных сигналов, пропорциональных их ординатам и абсциссам.
Для считывания используются в основном следящий /3/ и сканирующий /4,5/ методы. При сканировании строка за строкой просматривается весь носитель графической информации с кодированием всех точек множества графических линий, находящихся на каждой строке, или отдельных выделенных точек в ней, а при слежении кодируются точки выбранной, преобразуемой отдельно прослеживаемой кривой.
В преобразователях графической информации применяются также многоэлементные матрицы, расположение (порядок) возбужденных чувствительных элементов которых соответствует форме преобразуемых кривых.
Однако нужно отметить, что к настоящему времени в составе периферийных устройств вычислительной техники все еще нет надежных в эксплуатации, точных и быстродействующих преобразователей графической информации. Последнее препятствует использованию средств вычислительной техники для обработки информации, представленной в графической форме. Поэтому разработка элементов и устройств вычислительной техники, предназначенных представлять (преобразовывать) графическую информацию в электрические сигналы является актуальной задачей.
Известны преобразователи графической информации, с помощью которых автоматизируется только кодирование координат точки при ручном наведении на точку, либо преобразователи, выполняющие кодирование при автоматическом слежении, но требующие вмешательства оператора при переходе от одной кривой к другой. Преобразователи сканирующего типа в процессе преобразования не требуют вмешатель - 8 ства оператора, однако, эти преобразователи либо конструктивно сложны, либо без принятия дополнительных мер, не могут состыковаться с ЭВМ. Им также присущи погрешности, обусловленные конструктивными признаками (например, в некоторых разновидностях преобразователей этого типа имеет место нестабильность и нелинейность перемещения сканирующего элемента).
Проблемам исследования по созданию преобразователей графической информации, разработке светооптических и развертывающих систем, а также анализу погрешностей посвящены работы: Б.В.Аниси-мова, А.И.Петренко, Ф.Е.Темникова, П.МЛеголина, Г.П.Катыса, И.В. Штраниха, А.А.Будняка, М.П.Гришина, Ш.М.Курбанова, Н.А.Ярмоша, Ю.Г.Якушенкова, Л.Ф.Порфирьева, Б.С.Розова, А.С.Немировокого, Ш.А. Вайнера, С.А.Вайнера и других.
Несмотря на это, ввиду большой сложности решаемых задач по разработке подобных устройств, решение проблемы далеко до полного завершения.
Разработка методики построения простых, надежных и многофункциональных преобразователей графической информации, эксплуатация которых не требует обслуживающего персонала высокой квалификации, позволяет решить задачи конструирования и использования устройств ввода графической информации в ЭВМ.
Представляет также интерес предложенная методика конструирования специализированных преобразователей, в которых одновременно с преобразователем выполняются и вычислительные функции, например, вычисление длин кривых и площадей, ограниченных кривыми линиями, определение среднего значения функции и т.д. Последнее требуется с целью экономии машинного времени и более полного использования возможности преобразования.
Методам и принципам построения, а также основам и теории преобразователей графической информации посвящена обширная монография профессора А.И.Петренко /6/. На основе этой монографии и других разработок в данной области нами был проведен анализ отечественного и зарубежного опыта по автоматизации считывания и кодирования графической информации.
Как показал анализ, наиболее перспективным, с точки зрения универсальности, является применение принципа сканирования, поэтому данная работа посвящена методам построения и разработке схем преобразователей графической информации, реализующих принцип сканирования.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка и исследование простых и надежных устройств для работы в системах преобразователь-ЭВМ для серии ЕС-ЭВМ, а также разработка методики построения специализированных преобразователей, в которых помимо преобразовательных функций реализуются вычисления длин кривых и площадей, ограниченных кривыми. Последнее требуется с целью экономии машинного времени и более полного использования возможности преобразования.
В соответствии с поставленной целью основными задачами являются:
- разработка принципов построения первичного и вторичных преобразователей и методов оценки их параметров;
- исследование и обоснование работоспособности разрабатываемых первичного и вторичных преобразователей;
- разработка методов оценки погрешностей преобразования и повышения надежности преобразователей;
- сопряжение устройств преобразования графической информации с ЭВМ;
- разработка алгоритмов выделения и оцифровки преобразуемых кривых.
Общая методика выполнения исследований включала в себя: изучение работ, касающихся вопросов построения преобразователей графической информации, светооптических систем и развертывающих устройств; классификацию принципов построения ЛГИ; теоретические и экспериментальные исследования влияния констрзгктивных и общих факторов (диаметра светового пятна, толщины линии и фактуры носителя информации) на погрешности преобразования; выработку рекомендаций по созданию отдельных узлов и ПГИ в целом.
Научная новизна. Определены преимущества принципа сканирования для построения преобразователей графической информации.
Разработаны принципы построения светооптических и развертывающих систем, характеризующихся высокой надежностью и простотой.
Получены аналитические соотношения конструктивных и оптических параметров светооптической системы.
Определены, на основе теоретических и экспериментальных исследований функционирования светооптических систем и фотоэлектронных узлов, пути обеспечения приемлемого соотношения сигнал/шум.
Впервые предложены варианты построения развертывающих устройств ПГИ двух новых типов. Определяются конструктивные признаки, обусловливающие малые погрешности. Техническая новизна подтверждается а.с. № 949667.
Определена, на основе проведенных исследований, зависимость погрешностей преобразования графической информации от диаметра светового пятна, толщины линии и фактуры носителя. Приведены рекомендации по выбору оптимальных значений влияющих факторов.
Дана методика выбора шага квантования, позволяющая на стадии проектирования определять его значение для заданной точности преобразования.
Разработаны функциональные схемы вторичных преобразователей, исследовано их функционирование и определено влияние технических характеристик на структуру вторичных преобразователей.
Впервые разработана структура устройств для автоматического (без применения ЭВМ) определения длин кривых и определения площадей. Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами (а.с. № 4I78II и а.с. 617777) соответственно.
Предложен вариант схемы сопряжения ІІГИ сканирующего типа с ЕС-ЭВМ, обеспечивающий ввод координат точек одновременно с фиксированием кодов по импульсам отметки.
Разработаны алгоритмы выделения и оцифровки изолиний произвольной формы.
Практическая ценность работы.
Полученные научные результаты позволили:
- разработать и создать простые и надежные светооптические системы и развертывающие устройства, основанные на принципе сканирования;
- применительно к созданным электромеханическим развертывающим устройствам и светооптическим системам разработать и создать вторичные преобразователи, реализованные на конкретных схемах; обеспечивающих надежную и синхронную работу всех функциональных узлов преобразователей, минимальную ошибку преобразования и упрощение их общих конструктивных решений;
- разработать и реализовать схему связи ПГИ с ЕС-ЭВМ;
- по разработанным алгоритмам разработать и создать программы ввода, выделения и оцифровки изолиний произвольной формы для обработки данных при использовании ЭВМ.
Особую практическую ценность представляет разработка устройств для определения геометрических размеров фигур, работающих в автономном режиме.
В первой главе .диссертации приведены классификация и анализ методов и средств преобразования картографической линейной информации. Определяются положительные качества преобразователей, основанных на принципе сканирования всего носителя и показана целесообразность разработки преобразователей графической информации электромеханического типа, основанных на принципе сканирования.
На основании рассмотрения ряда светооптических систем и развертывающих устройств определяются их положительные и отрицательные свойства.
Определены задачи исследований и цель работы.
Во второй главе изложены принципы построения предложенных светооптической системы и развертывающих устройств. Проведен анализ надежности функционирования фотоэлектронных узлов светооптических систем.
Исследованы и анализируются погрешности преобразования. Даны критерии для определения предварительного ориентировочного выбора шага квантования на стадии разработки преобразователей.
В третьей главе даются принципы построения предложенных вторичных преобразователей для устройств ввода графической информации в ЭВМ и для работы в автономном режиме без применения ЭВМ.
Предлагаются также разработанные специальные узлы, обеспечивающие функционирование преобразователей, которые, кроме целей, указанных в данной работе, могут использоваться как самостоятельные устройства вычислительной техники применительно к вычислительным системам автоматического контроля и управления.
Определяется взаимосвязь технических характеристик со структурой вторичного преобразователя.
Четвертая глава посвящена вопросам сопряжения устройств пре - ІЗ образования графической информации с ЭВМ. Разработана структурная схема преобразователя с непосредственным вводом преобразуемой информации в ЭВМ типа ЕС и вопросы организации записи информации.
Разработаны алгоритмы и программа выделения точек, принадлежащих отдельным линиям, а также метод, алгоритм и программа, разрешающие присваивать отдельным изогипсам соответствующие цифровые значения.
Данная работа была выполнена диссертантом под руководством к.т.н., доц. Камкамидзе К.Н. в отделе автоматизации научных исследований института систем управления АН ГССР и является частью широких исследований, проводимых коллективом названного отдела по автоматизации научных исследований.
До создания преобразователя линейной картографической информации в цифровой код /25/ в институте был создан электромеханический преобразователь графической измерительной информации, основанный на принципе сканирования /33/. Эти устройства по простоте конструктивных и схемных решений не уступают известным устройствам данного назначения для преобразования графической информации, представленной в виде однозначных и неоднозначных функций одного аргумента и характеризуется большой надежностью и простотой эксплуатации. В этих устройствах осуществлены некоторые общие принципы, повышающие точность и надежность преобразования.
Реализация результатов работы.
Опытный образец устройства-преобразователя графиков в код ПГ-2, разработанный и эксплуатируемый в Институте систем управления АН ГССР (техническое описание и инструкция по эксплуатации 3.352.00ІТ0, 3.352.00ІИ 1976 г.) успешно прошел межведомственные испытания, назначенные приказом Главного управления по производству управляющих и счетных машин Министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления СССР № 20 от 27 мая 1968 г.
Опытный образец устройства ввода графической (картографической) информации в вычислительные машины внедрен в Институте Геофизики АН ГССР с экономическим эффектом 23 тысяч рублей в год.
Материалы по внедрению и расчету экономической эффективности приведены в приложении к диссертации.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на: симпозиуме по методам и устройствам преобразования графической информации для ввода в электронные вычислительные машины (Киев, 1966); I Всесоюзном симпозиуме по статистическим проблемам в технической кибернетике (Ленинград, 1967); республиканской конференции по применению вычислительной математики и вычислительной техники в народаом хозяйстве (Тбилиси, 1968); XIX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава втузов Закавказских республик, посвященной 60-летию Великой Октябрьской социалистической революции (Тбилиси, 1977); семинарах Института систем управления АН ГССР (Тбилиси, 1967-1983); семинарах СКБ научного приборостроения АН ГССР (Тбилиси, 1978-1980).
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, выпущено 3 отчета и получено 4 авторских свидетельства на изобретения и одно решение о выдаче авторского свидетельства на изобретение.
Светооптические системы электромеханических преобразователей графической информации
Светооптические системы предназначены для выделения растр--элемента, которое может проводиться как на самом носителе информации, так и на его оптическом изображении. В первом случае светочувствительный элемент фиксирует световые перепады, получаемые при пересечении сфокусированного светового пятна с графи ческими элементами непосредственно с носителя, во втором же случае выделение растр-элемента проводится посредством проецирования наблюдаемого участка носителя в плоскость выделяющей .диафрагмы при равномерно и полностью освещенном носителе. Возможно проецирование комбинированных систем, где путь падающего и отраженного потоков совмещается. Для иллюстрации приведем рис.1.3. /6/.
В большинстве случаев /6, 23/ в светооптических системах существующих преобразователей применяются специальные сложные объективы и диафрагмы или, в лучшем случае, отдельные линзы. Использование в некоторых системах объективов, конденсоров, щелей, зеркал и линз требует специальной настройки. Кроме того, отдельным линзам присуще явление абберации, а также селективное поглощение участков спектра излучения. Это, в свою очередь, усложняет эксплуатацию и снижает надежность. От конструкции светооптических систем зависят габариты развертывающих устройств.
В зависимости от формы носителя информации развертывающие устройства преобразователей с электромеханической разверткой характеризуются разнообразием конструктивных особенностей. В одном случае носитель закрепляется в основном на вращаемый барабан, вдоль образующей которого перемещается фотоголовка, в большинстве случаев включающая в себя короткофокусную линзу и светочувствительный элемент. В другом случае проводится просматрива ниє ординат по ширине носителя, который перемещается в направлении, перпендикулярном развертке, при помощи лентопротяжного устройства.
Вид и конструкция развертывающих устройств во многом обуславливаются применяемой светооптической системой. В зависимости от конструкции последняя характеризуется большим многообразием. В свою очередь, конструкция развертывающего устройства так же определяет применение соответствующей светооптической системы. Для работы преобразователя графической информации в целом существенное значение имеет также и вид привода: старт-стопный механизм или непрерывное перемещение как считывающего элемента, так и графиконосителя.
Более существенным является возможность синхронной работы с развертывающим устройством таких элементов преобразователей, как лентопротяжный механизм или считывающая головка, генератор заполняющих импульсов и датчики задания начала и конца считывания.
Развертывающим системам посвящены обширные монографии /4,5/. Широкое применение получили развертки с помощью вращающихся зеркал, вращаемых зеркальных барабанов, барабанов с объективами и барабанов со щелями, развертки с качающимися зеркалами, дисковые развертки и, как отдельный класс, барабанные с перемещающейся вдоль образующей считывающей головкой. Рассмотрим некоторые наиболее простые на наш взгляд развертывающие устройства в совокупности с требующимися к ним светооптическими системами.
В развертывающем устройстве преобразователя MACK (разработка АН БССР) /24/ развертка осуществляется при помощи вращаемого от двигателя I (рис. 1.4.) зеркала 2 с .двумя отражающими поверх ностями, на оси вращения которого помещен непрозрачный диск 3 с отверстиями для специального фотоэлектрического датчика, вырабатывающего сигналы, синхронизирующие работу устройства. Свето-оптическая система развертывающего устройства содержит объектив 4 и диафрагму 5. Световой поток через диафрагму 5 поступает на фотоэлемент 6.
В развертывающем устройстве с зеркальным барабаном по типу прибора, созданного в Институте физики Земли АН ГССР (рис.1.5.), носитель информации, подлежащей преобразованию, размещается на вращающемся барабане I. Поверхность барабана освещается электролампой 2 через конденсор 3. Свет, рассеянный поверхностью носителя, попадает на зеркальный барабан 4, установленный на оси электродвигателя. При некотором положении зеркального барабана 4 свет, отраженный от графиконосителя одним из зеркал, попадает на объектив 5, который проектирует увеличенное изображение записи на экран б с диафрагмой 7. За диафрагмой помещен фотоэлемент 8, фиксирующий момент прохождения изображения записи на .диафрагме в виде электрического импульса. Часть света от лампы 2 отсекается зеркалом 9 и направляется через линзу на то же зеркало барабана. При несколько смещенном относительно прежнего положения барабане 4 эта часть света попадает на фотоэлемент 10. Таким образом, при прохождении луча, с каждого из зеркал барабана 4 по осциллограмме, возникает пара электрических импульсов, отрезок времени между которыми, при постоянной скорости вращения ротора электродвигателя, определяется амплитудой записи на осциллограмме в месте считывания относительно некоторой воображаемой линии, фиксированной положением зеркала 9 и фотоэлемента 10.Развертывающее устройство с дисковой разверткой по /б/ пред
Анализ и определение функциональных характеристик светооптических систем
С целью определения основных характеристик светооптических систем, реализуемых по предложенной выше схеме, рассмотрим рис. 2.2. Определим величину потока света, попадающего на фотокатод фотоэлектронного умножителя. Световой поток ламп накаливания дан заводом-изготовителем. Ввиду того, что лампа является неизо-тропным источником, средняя сферическая сила света 10 определяется соотношением /26/ Световой поток, попадающий на носитель через отверстие в конусном наконечнике, равен где А& - телесный угол, равный Здесь AS - площадь отверстия конусной головки; Zy - расстояние от нити накаливания до отверстия, которое при малом зазоре между конусной головкой и носителем принимается равным расстоянию от накальной нити до носителя. Площадь отверстия AS 7tr t Где Ґ радиус отверстия. Подставляя (2.3) в (2.2), получим На поверхность фотокатода ФЭУ попадает только часть потока, отраженного от носителя, определяемая коэффициентом к /6,25/: где р - коэффициент отражения в данной точке носителя; Зф - площадь фотокатода ФЭУ; L2 - расстояние от ФЭУ до носителя; о( - угол между нормалью к плоскости носителя и направлением на центр фотокатода; б - установочный угол ФЭУ. Таким образом, выражение для потока света т , попадающего на фотокатод ФЭУ, примет вид и окончательно, на основании (2.1), (2.4) и (2.5), получим Угол 6 должен иметь значение, близкое к 45. Выражение (2.7) дает возможность в зависимости от принятой конструкции развертывающего устройства и применяемого фотоэлект - -ронного умножителя подбирать тип осветителя для получения требуемого отраженного потока при выбранных конструктивных параметрах К достоинствам описанного светооптического узла относится то, что представляется возможность установки нескольких фоточувствительных элементов, размещаемых вокруг светового пятна, что приводит к получению качественно новой светооптической системы. Так как на фотоэлемент поступает часть ненаправленного отраженного светового потока от поверхности носителя и известно /28/, что при параллельном соединении фотоэлементов суммарный фототок равен где H oi - чувствительность / -го фотоэлемента, а Фі - световой поток, падающий на і -тый фотоэлемент, то следовательно ток, получаемый при установке вокруг световой головки нескольких фотоэлементов, включенных параллельно, увеличится на величину, пропорциональную сумме световых потоков, поступающих на каждый дополнительно установленный фотоэлемент. В общем случае последовательное и параллельное включение фотоэлементов дает возможность коррекции спектральных, световых и иных характеристик /28/, что может улучшить отношение сигнал/шум.
Как известно, одной из основных характеристик надежной работы электронных систем является отношение величины полезного сигнала к амплитуде возможных шумов. Шумы, наблюдаемые в фотоэлектронных узлах преобразователей графиков, включающих в себя собственно ФЭУ и усилитель, в основном, вызываются всевозможными внутренними флуктуациями в самом ФЭУ и усилителе, а также модуляцией светового потока носителем. Последнее может быть вызвано непостоянством коэффициента отражения бумаги, зависящим от шероховатости, неоднородности, загрязнения носителя или наличия метрической сетки на нем и т.д. Из двух указанных выше источников шумов, шумы, обусловленные электрическими флуктуациями в светочувствительных элементах, являются принципиально неустранимыми, но имеется возможность их нормирования по максимальным амплитудам отдельных возможных выбросов. Известно, что /28,35/ мощность флуктуапионных шумов ФЭУ описывается через квадрат действующего значения шумового тока где Є - заряд электрона; / у - ток, проходящий по фотоумножителю; к - общий коэффициент усиления фотоумножителя; В - экспериментально определяемый коэффициент, учитывающий влияние эмиттеров, обычно принимаемый равным 2,5. Шумы, обусловленные ФЭУ, в общем случае можно исключить подбором порога чувствительности усилителя, подключенного к выходу ФЭУ. В основном, как показано /6/, в преобразователях графической информации шумы, вызванные вариацией параметров линии записи, неравномерностью коэффициента передачи светового потока и др., могут быть существенно уменьшены рациональным выбором конструкции фотоэлектрического узла, повышением требований к параметрам исходных графиков, стабилизацией характеристик используемых эле ментов. Выполнить условие повышения требований к графикам труднореализуемо ввиду того, что даже для бумажных носителей из материала одного типа имеют место вариации значений его параметров /29/, которые вызывают соответствующее им изменение частотных характеристик порождаемых ими шумов. Кроме того, выполнение линий графика характеризуется разнообразием, что также влияет на величину отношения амплитуд сигнал/шум. Применение в данном случае полосовых усилителей для увеличения отношения сигнал-шум не всегда может дать положительный результат в силу того, что частота вариации параметров носителя и линии может оказаться близкой к частоте полезного сигнала. Предложенная светооптическая система, благодаря простоте настройки, позволяет устанавливать величину светового пятна изменением расстояния вершины конуса от носителя и в сочетании с изменением чувствительности ФЭУ и яркостью пятна обеспечивает получение достаточного значения отношения сигнал/шум для конкретного носителя и характера выполнения линии. Диаметр и яркость пятна регулируются с целью устранения нежелательных изменений светового потока от вариации параметров материала носителя /30/ (в основном шероховатость и вкрапления), а чувствительность ФЭУ - в связи с различием коэффициента отражения у различных типов носителей и нанесенных на них линий, с учетом установленной яркости и размеров пятна. Рассмотрим более подробно влияние значений регулируемых величин и изменение связанных с ними характеристик на изменение отношения сигнал/шум. Для исключения флуктуации светового потока от шероховатости
Преобразователь для непосредственного ввода в ЭВМ картографической информации
По сравнению с автономными преобразователями графической информации преобразователи с непосредственной связью с ЭВМ могут иметь более простые схемы и значительно экономить время ввода. Ввиду того, что при преобразовании с выводом на промежуточные носители во время одного цикла сканирования преобразуются координаты одной точки, то при непосредственной связи одновременно можно вводить в ЭВМ весь массив точек, соответствующих данной абсциссе цикла сканирования.
В общем случае функциональная схема преобразователя при непосредственной связи с ЭВМ может иметь структуру, показанную на рис.3.4.
По такой схеме ввод в ЭВМ всех прочитанных точек осуществляется от импульсов И0, по которым подается в вычислительную машину сигнал готовности кода и одновременно проводится перепись в машину значений ординаты и абсциссы.
В исходном состоянии схемы все ключи в УУ закрыты и все счетчики установлены в нулевое состояние. Работа начинается с поступления сигнала "Запуск" с ЭВМ, с помощью которого открывается ключ КЛ2. Импульс ИНО, поступающий на УУ с развертывающего -устройства, проходит через ключ КЛ2 и открывает ключи КЛІ, КЛЗ, КЛ4, и поступает на установку в "0м счетчика ординат. Через КЛІ сигналы ГИ начинают поступать на счетный вход счетчика ординат. При считывании ординаты первой кривой из семейства кривых в УУ поступит И0, который, пройдя через КЛЗ, переписывает содержимое счетчиков ординат и абсцисс через устройство связи в ЭВМ. Информация в счетчиках при переписи не разрушается и продолжает накапливаться от ГИ. Аналогично, при поступлении последующих И0 происходит определение ординат второй и последующих кривых. После прохождения последней кривой в УУ поступает ИКО, который через открытый ключ КЛ4 поступает на запирание КЛІ, КЛЗ, добавляет "I" к содержимому счетчика абсцисс, а также поступает на управление перемещением считывающей головки или графиконосителя. На этом заканчивается цикл определения и выдачи в ЭВМ ординат семейства кривых при неизменной одной абсциссе. Аналогично происходит определение и выдача в ЭВМ значений ординат семейства кривых для всех последующих абсцисс. Прекращение работы происходит запиранием ключа КЛ2, что запрещает действие ИНО на запуск. Прекращение работы можно производить от ЭВМ или автономно.
Если в устройстве по рис.3.4. ввести второе ФЭУ и аналого-цифровой преобразователь АЦП (рис.3.5,), то можно обеспечить возможность различения цветности преобразуемых линий. Данная схема работает аналогично описанной с той лишь разницей, что с первого ФЭУ формируется импульс пересечения И0І по переднему фронту сигнала, а на выходе второго ФЭУ - потенциал, обусловленный соответствующим изменением светового потока. И0 I, пройдя через КЛЗ, отпирает К5, устанавливает в ноль счетчик АЦП Сч и в него начинают поступать импульсы генератора Г эталонных величин до сравнения значений кода в счетчике С2 со значением потенциала от И02 в схеме сравнения СС. После чего СС выдает запирающий сигнал на К5. Поступление сигналов с генератора Г прекратится и в Сч АЦП окажется записанной информация, характеризующая цветность линий. После этого сигнал И0І поступает на линию задержки ЛЗ, время задержки которой Т выбирается с учетом времени срабатывания преобразователя АЦП, которое, в свою очередь, не должно превышать время нахождения линий графика в зоне светового пятна. Задержанный И0І переписывает содержимое счетчиков ординат СчУ, счетчиков абсцисс Сч X и счетчика Сч через устройство связи в ЭВМ. При этом в ЭВМ для данной абсциссы записывается соответствующее ей значение ординаты графика и код цветности линий. Таким образом, при каждом пересечении световым пятном линий графиков в границах сканирования по данной абсциссе производится перепись координат точек в ЭВМ. При достижении конца сканирования от ИКО изменяется на один шаг абсцисса и код порядкового номера в счетчике абсцисс и т.д.3.3. Устройство для определения линейных размеров кривых и площадей фигур, образующих замкнутый контур
Наряду с общей математической обработкой графической информации на ЭВМ в большинстве случаев требуется определение площадей, образуемых замкнутыми кривыми (горизонтали, изобары, угодьяи т.д.), а также установление длин некоторых кривых (реки, береговые и граничные линии и др.).В настоящее время не существует серийно выпускаемых уст ройств для автоматического (без применения ЭВМ) определения длин кривых и площадей, ограниченных замкнутыми кривыми.
В основном эти измерения выполняются с привлечением ЭВМ, реализующих программы по специальным алгоритмам.
Алгоритмы выделения и оцифровки преобразуемых кривых
При анализе данных, полученных в ЭВМ от преобразователя графической информации, описанного выше, часто бывает необходимо ч из массива неупорядоченных по принадлежности к линиям точек выделять множества точек, принадлежащих отдельным изолиниям, например, изогипсам. Такие выделения лучше всего осуществлять прог раммным путем /56/. Разработанная программа базируется на принципе "близости" двух соседних точек одной изогипсы, полученных при преобразовании. При этом необходимо знать последовательность считывания координат, расположение их в памяти ЭВМ и шаг квантования /і . Должно существовать ограничение сверху на угол наклона прямых отрезков к горизонту и ограничение снизу на расстояние й между двумя соседними изолиниями, причем п $ CL
Программа работает следующим образом. Зная, что координаты введены в ЭВМ последовательно, слева направо, последовательным спросом по общей абсциссе выделяем данные одного шага квантования (одного "столбца"). В ходе программы при нахождении новой точки изогипсы координаты предыдущей точки записываются в соответствующий массив, а в исходном стираются, поскольку для целей программы они больше не нужны. Поэтому при поиске начальной точки очередной изогипсы в выделенном столбце ищем отличные от нуля координаты точки, которые фиксируем. Проверяем на близость к выделенной точке соседние точки в этом же столбце. Близость во всех случаях проверяем по разности ординат соседних точек по условию:где Q. \ У , У2 - ординаты сравниваемых точек А4 (Х4) У4) и А2 (X2f yj t что допустимо, т.к. шаг квантования преобразователя постоянен. Как уже указывалось, при выполнении условия (4.2) предыдущая точка (напр., Ai (рис.4.3,)) записывается в массив соответствующей изогипсы и стирается из общего массива, а следующую точку сравниваем с А2 . Следующую точку ищут в "столбце" справа или слева от предыдущего в зависимости от выб ранного направления опроса (напр., А3 (рис.4.3,)). Изменение ("реверс") направления опроса осуществляется в случае, если в исследуемом столбце есть две "близкие" точки А{ , А2 или, если в очередном выбранном столбце не нашлось точки, близкой к точке, выделенной в изогипсе последней ( As (рис.4.3.)). В этом случае в "столбце", выделенном после реверса, предпоследняя точка изо-гипсы ( А (рис.4.3,)) уже стерта и не дает "близости" повторно, а условие (4.2) выполняется уже для пары точек А$ и А$ .
Для замкнутых кривых (изогипса I (рис.4.3.)) поиск точек для одной изогипсы заканчивается, когда очередная выделенная точка совпадает с зафиксированной отдельной исходной точкой. Сложнее обстоит дело с незамкнутыми изогипсами (изогипсы 2 и 3, (рис.4.3.)). В точках А? и Ai0 будет иметь место двойной "реверс". В этом случае возвращаемся к начальной точке, при повторном двойном "реверсе" ( Ад , кривая 3 (рис.4.3,)) процесс выделения точек изогипсы заканчивается. В случае кривой 2 после возврата к исходной точке As выделится точка А и, в конечном счете, закончим в точке Ан .
Поиск "ненулевых" исходных точек для новых изогипс ведется опросом "столбцов" слева направо. Программа заканчивается, когда все элементы исходного массива становятся равными нулю. Обобщенная блок-схема программы дана на рис.4.4. Программа начинает работу после ввода исходного массива из преобразователя в ЭВМ.
К сожалению, полностью автоматизировать процесс присвоения изогипсам соответствующих значений весьма сложно, т.к. он требует принятия эвристических решений, в частности, привлечения сложных алгоритмов распознавания образов, а также дорогостоящей аппаратуры считывания цифровой информации с карты. Учитывая эти факторы, был разработан алгоритм присвоения изогипсам соответствующих числовых значений на базе информации, полученной с задачи выделения изогипс, а также информации, полученной от дополнительной обработки карты, которая под силу сотруднику низкой квалификации.
Процесс ручной обработки заключается в следующем.На обрабатывавмую карту накладывается миллиметровая сетка с координатными осями, нанесенная на прозрачный носитель. Координатная система сетки совмещается с координатной системой преобразователя и фиксированной на нем картой. Затем оператор с помощью сетки по возможности точно определяет координаты любой удобной ему точки данной изогипсы и вносит в таблицу контрольных точек. Таблица заполняется следующим образом: в каждую строку вписываются координаты контрольной точки и значение соответствующей изогипсы, которое считывается непосредственно с карты. Полученная информация от всех контрольных точек вводится в ЭВМ.
Программа присвоения изогипсе ее значения работает следующим образом.Вызывается контрольная точка В (х, У, Z) из вышеупомя нутой таблицы и координаты ее поочередно сравниваются с координатами множества точек, соответствующих одной изогипсе. В случае совпадения координат контрольной точки с одной из точек множества, соответствующему массиву присваивается значение данной изогипсы и из таблицы вызывается следующая точка.
В случае несовпадения координат сравнение осуществляется с точками массива, соответствующего другой изогипсе и т.д.Можно проводить сравнение простым перебором точек каждого массива. Однако, для экономии машинного времени целесообразно
