10.4. Сканирующие системы для расшифровки графиков

Огромное количество графических (аналоговых) зависимостей получается и документируется с помощью разнообразной автома­тической регистрирующей аппаратуры. В медицине, геофизике, ме­теорологии, при промышленных испытаниях, вообще во многих от­раслях народного хозяйства и в научных исследованиях затрачи­вается большое время на расшифровку аналоговых графических изображений, т. е. на измерение параметров графиков и выдачу результатов измерения в цифровом виде.

Для повышения производительности труда при расшифровке графиков разработаны как специализированные, так и серийно выпускаемые промышленностью полуавтоматические расшйфро-вочные устройства.

В полуавтоматических устройствах основную операцию распо­знавания кривой на общем поле записи выполняет человек-опера­тор. Имеются расшифровочные системы, предназначенные для рас­шифровки определенных видов записи [8.3, 10.1], работающие автоматически с высокой производительностью при минимальном участии оператора.

а) «" 6) У

Рис. 10.5. Графическая запись функций: a — x(t); б — х(у)

Графическая запись измеряемых величин на плоскости может быть в виде функций одного аргумента [в большинстве случаев — в виде функций времени Xi=x(*t)] и функций двух аргументов — z=q>(x, у) (рис. 10.5). При записи нескольких измеряемых величин на одном документе они могут не пересекаться (рис. 10.6,а) и пе­ресекаться (рис. 10.6,6).

Графическая запись характеризуется преимущественно ярко­стью и цветовым тоном. Обычно яркость кривой сама по себе не является информативным признаком. Уровень ее должен быть до­статочным для того, чтобы положение кривой различалось с по­мощью воспринимающего элемента на уровне шумов, образован­ных окружающим запись фоном. Цветовой тон записи определяет спектральные характеристики воспринимающего элемента. Иногда используется маркировка многоканальных записей с помощью их

различного цветового тона. Минимальная толщина кривой, кото­рая может быть обнаружена, определяется разрешающей способ­ностью воспринимающего элемента.

При автоматической расшифровке применяются четкие изо­бражения на бумаге, имеющей коэффициент отражения боль­ше 0,5.

При расшифровке графиков широко используется изменение скоростей записи и расшифровки: расшифровка обычно произво­дится со скоростями, обеспечивающими наилучшую производи­тельность и точность при использовании данной ИС.

Рис. 10.6. Основные виды графических записей:

а — непересекающиеся графики; б — пересекающиеся графики

Обычно графики расшифровываются, исходя из требований восстановления непрерывной кривой. Скорость движения ленты ограничивается обычно требованием неизменности ординаты кри­вой в течение расшифровки. В подавляющем большинстве ИС для расшифровки графиков используется равномерное квантование по аргументу.

Ордината графических изображений может измеряться всеми известными методами уравновешивания и совпадения. Однако наибольшее применение имеет развертывающее уравновешивание с преобразованием ординат графика в пропорциональные им ин­тервалы времени и последующим измерением полученных интер­валов.

Кривая на непрозрачных носителях выделяется путем восприя­тия отраженного света, на прозрачных носителях — проходящего света. Сканирование может выполняться непосредственно воспри­нимающим элементом или сканирующим лучом при неподвижном воспринимающем элементе. В качестве воспринимающих элементов используются фотоприемники (фотоэлектронные умножители, фо­тосопротивления, фотодиоды и фототранзисторы) с соответствую­щими оптическими устройствами, обеспечивающими согласование свойств фотоприемников и изображений. Источники света — лам­почки накаливания, электронно-лучевые трубки и т. п.

Сканирующие движения обеспечиваются с помощью оптико-механических (рис. 10.7) или электронных (рис. 10.8) разверты­вающих устройств. Перемещающийся в направлении измеряемой

КЗ i.

_Г-ъ

\\

_ччч

\^Х~Гр

мэв

_ж

\~$-^\

Гр

_■г

,ФД

6)

--&-

6)

Рис. 10.7. Оптико-механические развертывающие устройства:

а — с перемещающимся фотодатчиком ФД; б — с качающимся зеркалом КЗ и неподвиж­ным фотодатчиком; е — с перемещающимся зеркалом магнитоэлектрического вибратора МЭВ и неподвижным фотодатчиком; -Гр — график

						фд-,1	i
		\ У г*>
		л		п Ю/ / ^ ,
злт					<Ш"у#9СГ				*Дг
		\		/ / / '■ * '
	G/

Рис. 10.8. Электронное развертывающее уст-

ройство:

Гр — график; Л — линза;

ФД) — фотодатчик, вос-

принимающий отражен-

ный свет; ФДг — фотодат­чик, воспринимающий про­ходящий свет

ординаты фотоприемник показан на рис. 10.7,а, развертывание лу­ча с помощью качающихся зеркал — на рис. 10.7,6, е. При при­менении перемещающегося луча возникают погрешности расшиф­ровки, связанные с изменяющимся отношением угла поворота зеркала к перемещению луча по поверхности графика. Для умень­шения этой погрешности либо делается неравномерным движение качающегося зеркала, либо изменяется при расшифровке форма носителя, на которой записано графическое изображение.

На рис. 10.9 графическое изображение преобразуется в фото-проводящем слое (трехсернистая сурьма, окись свинца и др.) види-кона в потенциальный рельеф, который при последующем режиме коммутации преобразуется в токовый сигнал, определяемый изме­нением потенциала фотопроводящего слоя в освещенных точках.

Выпускаемые промышленностью видиконы имеют размеры фо­топроводящего слоя 9,5X12,5 мм, 18X18 мм с разрешающей спо­собностью до 800 линий (50—60 линий на 1 мм) с длиной волны 0,45 до 0,6 мкм [10.1].

В настоящее время разработано и используется довольно боль­шое количество разнообразных сканирующих ИС, предназначен­ных для расшифровки непересекающихся, пересекающихся цвет­ных и одноцветных графических изображений (функций времени).

_z:j-~w-

Рис. 10.9. Применение видикона для восприятия графической за­писи: Гр — график; В — видикон; Л — линза

л в

Рис. 10.10. Структурные схемы расшифровки графиков

Структурные схемы ИС расшифровки одной кривой с оптико-механическим сканирующим устройством (рис. 10.10) включают лентопротяжный механизм ЛПМ, обеспечивающий непрерывное или шаговое перемещение ленты, сканирующие устройства СкУ, фотодатчики, воспринимающие начало Я, конец К рабочего диа­пазона графика, и фотодатчики О, отмечающие момент пересече­ния сканирующего луча и кривЪй, а также генераторы пилообраз­ных кривых G/, импульсов GN, ключи k\ и k₂ и счетчики импуль­сов. На рис. 10.10 показаны три типичные структурные схемы. На схеме, содержащей генератор G/, луч перемещается поперек ленты с постоянной скоростью. При этом перемещении выделяется /-я ордината кривой:

Ф(В) [_Ф(/: = Л-1) Цх(1)1х(1,)]Х 1

С помощью фотоприемников Я и О, триггера Т и ключа k\, от­крытого в течение Atj, происходит суммирование импульсов от GN

и формирование zf.

ХЧЩ)/Ы,] ЦП,/г,) 1(г,) _ш(/ = ^) ПФ(Е).

В этой схеме суммарная погрешность б расшифровки зависит от погрешности нелинейности G/, преобразований 1\х(1ЛШЛХ XI(A*j/z₃).

На схеме с входным сигналом г/¹) удается уменьшить суммар­ную погрешность благодаря тому, что перемещение сканирующего луча определяется кодом zi и не связано со временным преобразо­ванием:

L Ф(/: = /+1) 1_Ф(«-:=*+1) I(2i){I(z_l//_//)||I[«(0/x(Z_/)]}X

X*[x(l_t) = l_tl] П I(z„ D,.)<c(/ = iVn Ф(Е).

Схема, содержащая генератор G/ и шкалу линейной меры М, вы­полнена так, что отсутствует погрешность из-за нелинейности пре­образования l(zij/lij). Это достигается тем, что при сканировании луч раздваивается и- один из лучей перемещается по шкале линей­ной меры М, вызывая генерирование импульсов {е}, суммируемых счетчиком 2:

[_ Ф(/: = /+ 1) {I[x(l)Jx(l_})]||I[x(l_l)Fe = z_I]}I(z_t:p_i) «>(/ =N) T

Обычно значения z₃- и номер ординаты либо вводятся в устрой­ства памяти, либо регистрируются на перфоленте или печатающем устройстве.

Основные характеристики оптико-механических устройств: ко­личество кривых — до 30, скорость расшифровки — до 2400 орди­нат/с, погрешность абсолютная—до ±0,1 мм, относительная—от ±0,1 % ДО ±2%. крутизна кривой —■ до 87°, шаг квантования — от 0,25 до 4 мм.

Остановимся на электронной ИС расшифровки графиков типа «Силуэт». В ней используется видикон типа ЛИ-23 (спектр вос­принимаемых волн — от 0,45 до 0,65 мкм, окно 9,5X12,5 мм, раз­решающая способность — 50 линий на 1 мм); выдача информации производится на перфоратор ПЛ-80. Генератор линейно возраста­ющего напряжения работает с частотой 300 Гц. Графики представ­ляются на бумажной ленте шириной 200—300 мм или на кино­ленте 35 мм, линия на бумажной ленте не уже 0,5 мм, интервал дискретизации между отсчетами — 4 или 12 мм. Выполняется счи­тывание одной из двух или трех непересекающихся кривых. СЛСА работы «Силуэта» в упрощенном виде:

перенос строки графика на видикон

\_G>(j: = j+l)4x(l)lxU,)]X; преобразование x(lj) в z,

ХЦи/l,) а>[1-, = к(1,)] I(f,./2,)I(W:',) ш(/ = Л0П Ф(Е).

Значительно усложняются структуры и алгоритмы ИС при рас­шифровке пересекающихся одноцветных графиков. Пересекающие­ся графики применяют из-за стремления ум-еньшить погрешность одновременной регистрации нескольких величин путем использо­вания для записи всей ширины носителя. Графики могут иметь об­щие точки при пересечении П или касании К. (рис. 10.11). Если

Рис. 10.11. Пересечение и ка­сание участков кривых

_Ьо^ч

кривые не имеют особых отметок (цвет, толщина линий и т. п.), то для расшифровки таких записей в ИС должны приниматься специальные меры. Способы распознавания пересекающихся одно­цветных кривых сводятся к схемно-логическим и алгоритмическим [10.1, 10.2] способам. Схемно-логические способы распознавания применяются обычно при небольшом количестве кривых.

Рис. 10.12. К определению «опасной» близости кривых:

с—по разности ординат кривых; б —по интервалам времени между пересечениями кривых

Включение устройств или программ распознавания кривых, как правило, производится с помощью специального блока, определя­ющего «опасную» близость кривых. В этом блоке сравнивается разность ординат hi с заранее установленной мерой близости 8 (рис. 10.12,а); при наклонном движении сканирующего луча срав­нивается приращение AU с заданной величиной Д (рис. 10.12,6).

Наиболее простой способ распознавания кривых на «опасных> участках связан с определением знака производных кривых или разностей значений их ординат (рис. 10.13).

В точках пересечения кривых (рис. 10.13,а) разность значений ординат равна нулю, а |'б(Л/)| отличны от нуля и могут быть больше заданного уровня еь

В точке касания (рис. 10.13,6) \М\ и вторые разности |б(А/)| близки к нулю. Эти признаки могут быть использованы при по­строении схемных решений.

Однако при числе пересекающихся кривых более двух схемные решения различения ординат кривых становятся громоздкими.

Рис. 10.13. Вид кривых первых и вто­рых разностей их ординат: а — при пересечении; б — при касании

Тогда используется экстраполя­ция кривых с помощью аппрок­симирующих многочленов или статистическая экстраполяция и оценивается степень близости реализованных ординат кривых к предсказанным значениям.

w ■i	\6№\; ■ i
£1	i	t

^p

6)

a)

Из аппроксимирующих мно­гочленов часто используется многочлен Ньютона относитель­но невысокой (3—5) степени. Для второй интерполяционной формулы Ньютона при равномер­ном квантовании и предсказании на один и на два интервала впе­ред предсказанные значения х*ь.+\

и х*ь.+2 будут иметь следующий вид [10.2]:

X'ft+2

Эх*—2xfe_!

6x_fe—8х_й_!+3х_й_₂

lOXft—20х_к_г\-\Ъх_к^₂—4x_fc_₃

Количество ис-		V* * k+1
пользуемых ор-
динат
1 2 3 4	4xfe	2**—*k—l ЗХ/Н-ЗХ/^-Н-Х/г-г —6xft_1+4xfe_2—xft_3

СЛСА для расшифровки двух кривых:

ш(Д/<8) [I (ж_Аж/г_А1) 1| I (x_ft,/z_fca) || I (г;,) || 1_ж (г^)] X

XI (CR:z_fel,_ z*,, 2_fe2> г;₂) 1^ш [I ^zm - ²р К I ^z« - ^zm И IIX

i Xlhllzw—z«l<l^z*. —^ги1} ГИг*./²*.. **./г*.) J !(?*.. ²*₂)-

Увеличение количества используемых при предсказании отсче­тов более трех-четырех может не привести к повышению точности прогнозирования из-за влияния погрешностей составляющих.

Естественно для выполнения прогнозирования и решения во­проса об отнесении реализованных отсчетов к определенным кри­вым использовать микропроцессорную технику.