САМІ ХЕЙРЕДДІН|

УДК| 681.3:621.586

СТРУКТУРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ПРИСТРОЇВ ПОРІВНЯННЯ ЗОБРАЖЕНЬ ДЛЯ ОПТОЕЛЕКТРОННИХ ПАРАЛЕЛЬНИХ ПРОЦЕСОРІВ

Спеціальність: 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

заслужений діяч науки і техніки України

Кожем‘яко Володимир Прокопович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри лазерної та оптоелектронної техніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Філинюк Микола Антонович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри проектування комп'ютерної та телекомунікаційної апаратури

доктор технічних наук, професор

Ткаченко Роман Олексійович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

директор інституту комп’ютерних наук та інформаційних технологій.

Захист відбудеться „ 04 “ жовтня 2007 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м.Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, к.210, ГУК.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий „ 03 “ 09 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.М.Захарченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В наш час пріоритетним і вельми актуальним є розширення функціональних можливостей обчислювальної техніки для створення високопродуктивних інформаційно-обчислювальних інтелектуальних систем і значного покращення характеристик елементної бази. Це дає можливість інтенсивно розвиватися таким напрямкам як паралельні процесори і нейрокомп'ютери. При практичній реалізації паралельних процесорів і нейрокомп'ютерів в якості елементної бази найчастіше обирають оптоелектронну або наноелектронну.

В даний час значне число провідних науково-дослідних і промислових організацій (фірм) займаються розробкою та дослідженням оптоелектронних паралельних процесорів і нейрокомп‘ютерів. Серед них багато відомих університетів і фірм США, Канади, Великобританії, Франції, Швейцарії, Японії, Росії та України. Найбільш відомі з них: Масачусетський технологічний інститут (США), Едібурзький університет (Великобританія), Інститут оптико-нейронних технологій РАН (Москва, Росія), Інститут кібернетики ім.В.М.Глушкова НАНУ (Київ, Україна), фірма Lucent Technologies (США) та інші. Серед відомих наукових шкіл, які працюють у напрямі оптоелектронних паралельних процесорів і нейрокомп‘ютерів в першу чергу слід виділити такі вітчизняні та закордонні школи: D.Cassasent (США), P.Chavel (Франция), S.Fukushima (Япония), А.Л. Мікаеляна (Росія), Е.М.Куссуля (Украина), В.П.Кожем‘яка (Україна) та інші.

Одним з основних функціональних вузлів паралельних оптоелектронних процесорів і багатьох типів нейрокомп'ютерів є пристрій для порівняння зображень. На його основі реалізуються такі функції і операції як аналого-цифрове і цифро-аналогове перетворення зображень, кореляційна обробка зображень, порівняння і сортування масивів чисел. Крім того, пристрій для порівняння зображень необхідний при реалізації нейронних мереж Кохонена, зустрічного розповсюдження, ART-мережа та ін. Все вищевикладене свідчить про те, що дослідження по створенню високоефективних пристроїв порівняння зображень є вельми актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася відповідно до плану наукових досліджень Вінницького національного технічного університету і Міністерства освіти і науки України по держбюджетних темах 57-Д-248 “Лазерні і оптико-електронні технології в діагностиці, терапії і прогнозуванні стану серцево-судинної системи” (№ держ. реєстрації 0102U002272); 57-Д-249 “Образній відеокомп‘ютер” (№ держ. реєстрації 0102U002261).

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження - підвищення ефективності пристроїв порівняння зображень за рахунок їх реалізації із застосуванням нового оптоелектронного приладу – біспіна.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати такі задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Об'єкт дослідження – процес паралельного порівняння зображень у високопродуктивних оптоелектронних паралельних процесорах і нейрокомп‘ютерних системах.

Предмет дослідження – ефективність (швидкодія, точність, діапазон порівнюваних оптичних потужностей, конструктивна складність) пристроїв порівняння зображень, реалізованих на основі нового оптоелектронного приладу – біспіну .

Методи дослідження. При розв’язанні поставлених задач застосовувалися методи досліджень, засновані на використанні теоретичних основ інформаційно-обчислювальних систем для системного аналізу областей застосування пристроїв паралельного порівняння зображень, теоретичних основ електротехніки і електроніки, методів аналізу і синтезу електронних і оптоелектронних схем, математичного моделювання для розробки схемотехнічних рішень та побудови математичних моделей комірок пристроїв порівняння зображень, теоретичних основ напівпровідникових електронних і оптоелектронних інтегральних схем для аналізу технологічних аспектів реалізації пристроїв порівняння зображень, теорії кластерного аналізу, теорії нейронних мереж для розробки принципів застосування пристроїв порівняння зображень в нейроподібних системах, теорії планування експерименту для проведення експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Обґрунтовано вибір в якості міри схожості векторів для нейронної мережі Кохонена манхеттенської відстані, яка визначається запропонованим пристроєм порівняння-віднімання зображень. Це дозволяє значно спростити апаратну реалізацію блоків знаходження відстані вхідного вектора від координат центрів кластерів в нейронних мережах Кохонена.

2. Вперше розроблено математичну модель комірки пристрою порівняння-віднімання зображень на основі біспін-приладу. Вона заснована на математичній моделі самого біспін-приладу і інших компонентів схеми комірки і дозволяє визначати залежність частоти вихідних імпульсів комірки від різниці вхідних оптичних потужностей, а також мінімальне і максимальне допустимі значення різниці вхідних оптичних потужностей.

3. Вперше розроблено математичну модель комірки компаратора зображень на біспін-приладах. Вона заснована на математичній моделі самого біспін-приладу і інших компонентів схеми комірки і дозволяє визначати мінімальне і максимальне допустимі значення суми порівнюваних оптичних потужностей, а також залежність частоти вихідних імпульсів комірки від суми порівнюваних оптичних потужностей.

4. З урахуванням результатів експериментальних досліджень оцінено ступінь адекватності розроблених математичних моделей. Це дозволяє обґрунтовано використовувати розроблені математичні моделі при аналізі і синтезі пристроїв порівняння зображень на біспін-приладах.

Практичне значення отриманих результатів.

Практична цінність роботи полягає в тому, що запропоновано схемотехнічні рішення реалізації пристрою порівняння-віднімання зображень, на основі біспін-приладу і компаратора зображень на основі біспін-приладів. Теоретичні і практичні дослідження, викладені в дисертації, дозволили:

• провести класифікацію, системний аналіз областей застосування і аналітичний огляд відомих пристроїв порівняння зображень;

• розробити схемотехнічні рішення реалізації пристрою порівняння-віднімання зображень, на основі біспін-приладу і компаратора зображень на основі біспін-приладів;

• розробити критерій ефективності пристроїв порівняння зображень і на його основі провести порівняння ефективності запропонованих і відомих пристроїв порівняння зображень;

• розробити методику експериментальних досліджень і експериментально отримати числові значення параметрів пристроїв порівняння зображень на основі біспін-приладів;

• оцінити ступінь адекватності розроблених математичних моделей.

Окремі результати дисертаційної роботи впроваджені на ВАТ “Інфракон”.

Також теоретичні результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі на кафедрі ЛОТ (лазерної і оптоелектронної техніки) ВНТУ в рамках спеціальності "Лазерна і оптоелектронна техніка" при викладанні таких дисциплін, як: "Системотехніка оптико-електронних і лазерних систем", "Нові інформаційні технології обробки, аналізу і розпізнавання зображень", "Теоретичні основи побудови оптичних інформаційно-вимірювальних систем", "Архітектура і структурна організація нейрокомп'ютерів".

Особистий внесок здобувача. У роботі наведено результати досліджень, проведених автором особисто, а також у співпраці зі співробітниками кафедри лазерної і оптоелектронної техніки ВНТУ. Дисертант брав активну участь у постановці задач та проведенні наукових досліджень, узагальненні та аналізі отриманих результатів.

У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: проведення класифікації, системного аналізу областей застосування і аналітичного огляду відомих пристроїв порівняння зображень [1]; розробка схемотехнічних рішень побудови і математичної моделі комірки пристрою порівняння-віднімання зображень на основі біспін-приладу [2,4,5]; розробка схемотехнічних рішень побудови і математичної моделі комірки компаратора зображень на основі біспін-приладів [2,4]; розробка принципів технічної реалізації та застосування пристроїв порівняння зображень на основі біспін-приладів [3,6-10]; розробка критеріїв ефективності пристроїв порівняння зображень і на їх основі проведення порівняння ефективності запропонованих і відомих пристроїв порівняння зображень; розробка методики і проведення експериментальних досліджень пристроїв порівняння зображень на основі біспін-приладів, визначення їх параметрів і оцінка адекватності розроблених математичних моделей [2,4,5].

Апробація роботи. Основні положення і наукові результати, викладені в дисертаційній роботі, пройшли апробацію на науково-технічних конференціях, серед яких: Перша науково-технічна конференція Харківського університету повітряних сил, 16-17 лютого 2005р., Харків; III International Conference on Optoelectronic Information Technologies “PHOTONICS-ODS-2005”, Ukraine, Vinnytsia, VNTU, 27-28 April, 2005; II міжнародна науково-технічна конференція “Світлотехніка й електроніка: історія, проблеми й перспективи”, Тернопіль, 24-27 травня 2005; ІІ міжнародна науково-практична конференція “Сучасні наукові дослідження-2006”, 20-28 лютого, 2006р, Дніпропетровськ; Науково-практічна конференція “Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технологій”, Херсон: Херсонський морський інститут, 2006; II Міжнародна науково-практична конференція “Інформаційні технології в наукових дослідженнях і учбовому процесі”, Луганськ, 14–16 листопада 2006 г.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 друкованих праць, з них 3 статті в наукових фахових виданнях, 6 – у наукових матеріалах конференцій і симпозіумів, отримано 1 патент на винахід.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Загальний обсяг дисертації - 149 сторінок, з яких основний зміст викладений на 124 сторінках і містить 30 малюнків і 19 таблиць. Список використаних джерел складається з 99 найменувань. Додаток містить акти впровадження результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність дослідження, вказано зв‘язок роботи з науковими програмами, планами та темами наукового напрямку “Оптоелектронні методи та засоби оброблення та передачі інформації”. Вказано мету та задачі дослідження. Приведено характеристику наукової новизни та практичного значення отриманих результатів, а також їх впровадження та апробації.

У першому розділі проведено огляд областей застосування пристроїв для паралельного порівняння зображень, які наведено в таблиці 1.

Були проаналізовані відомі оптоелектронні пристрої паралельного порівняння зображень. Також була проведена їх класифікація за ознаками елементної бази і функціонального призначення (рис.1).

Таблиця 1

Області застосування пристроїв для паралельного порівняння зображень

№

п/п | Області застосування пристроїв для паралельного порівняння зображень | Інформаційно-обчислювальні системи, в які пристрої для порівняння зображень входять як функціональні вузли

1. | Оптоелектронні паралельні аналогові і цифрові процесори | · картинні АЦП зображень

· оптоелектронні лінійно-алгебраїчні проце-сори

· оптоелектронні процесори сортування.

2. | Оптоелектронні корелятори для систем розпізнавання образів | · пристрої для визначення функції взаємної кореляції двох зображень.

3. | Оптоелектронні реалізації штучних нейронних мереж | · нейронні мережі Кохонена

· нейронні ART-мережі

· нейронні мережі зустрічного розповсюд-ження

Рис.1. Класифікація оптоелектронних пристроїв порівняння зображень

На основі аналізу основних параметрів відомих оптоелектронні пристроїв паралельного порівняння зображень, були виявлені їх недоліки і поставлені завдання по їх вдосконаленню у напрямку підвищення точності порівняння, поліпшення показників споживаної потужності і енергії перемикання, розширення спектрального діапазону вхідних оптичних сигналів і зменшення апаратурних витрат.

У другому розділі детально проаналізовано структура (рис.2) і режими роботи (рис.3) біспін-приладу.

Рис.2. Транзисторна БІСПІН-структура

Рис.3. Діаграма станів БІСПІН-структури

На основі математичної моделі біспін-приладу розроблено математичну модель комірки матриці для порівняння-віднімання зображень (рис.4) для двох режимів пульсацій використовуваного біспін-приладу - вентильного і фотодіодного.

Рис. 4. Схема комірки матриці порівняння-віднімання зображень на основі

біспін–приладу: VD1-VD4 – фотодіоди, VE – біспін-прилад

При вентильному режимі роботи біспін-приладу (що має місце при Ucc<Vпрг) математична модель комірки матриці для порівняння-віднімання зображень визначається наступними співвідношеннями:

- мінімальна різниця оптичних потужностей пікселів зображень А (РA) і В (РB), що фіксується пристроєм

; (1)

- максимально допустима різниця оптичних потужностей пікселів зображень А (РA) і В (РB), що фіксується пристроєм

; (2)

- частота вихідних імпульсів

, (3)

де I0, m2 - емпіричні константи; т1 - фактор неідеальності прямої гілки ВАХ “транзисторної” частини р+-n-переходу (для інжекційного струму), Dp - коефіцієнт дифузії дірок в n-плівці; W - товщина “підтранзисторного” n-шару, не охопленого областю просторового заряду; h21E – коефіцієнт посилення струму бази локального n-р-n-транзистора біспін-структури RK - опір розтікання колектора; S1 - площа “транзисторної” частини р+-п-перехода; ND - концентрація домішки в епітаксіальній плівці, q – заряд електрона, ni - концентрація електронів (дірок) у власному напівпровіднику, IS min - мінімально можливий струм стоку насичення канального фрагмента структури, P(0)- початкова кількість дірок, що поступили в базу транзистора у момент включення структури, tn – час життя електронів в p-базі транзистора, VCAнач - початкове для фази замкнутого стану структури значення потенціалу підкладки, рівне, згідно експерименту, 1,3 В; ее0 – діелектрична проникненість (для кремнію – 1,05 пФ/см); V03 – контактна різниця потенціалів розподіленого р-n-переходу; S – площа р-n-переходу, SFD – значення інтегральної чутливості фотодіода, Ucc - напруга живлення, Vпрг – порогова напруга (розділяє режими пульсацій струму – вентильний і фотодіодний.

При фотодіодному режимі роботи біспін-приладу (що має місце при Vпрг<Ucc<Vпред) математична модель комірки матриці для порівняння-віднімання зображень визначається наступними співвідношеннями:

- мінімальна різниця оптичних потужностей пікселів зображень А (РA) і В (РB), що фіксується пристроєм

; (4)

- максимально допустима різниця оптичних потужностей пікселів зображень А (РA) і В (РB), що фіксується пристроєм

; (5)

- частота вихідних імпульсів

, (6)

де Iвкл. тиристор - струм включення локальної тирісторної структури, Iобр.- зворотний струм протяжного р-n-переходу.

Модель включає аналітичну залежність: частоти вихідних імпульсів комірки від різниці порівнюваних оптичних потужностей – (3) і (6), а також вирази для мінімальної ((1) і (4)) і максимальної ((2) і (5)) різниць порівнюваних оптичних потужностей, при яких відповідно з'являється і зривається генерація вихідних імпульсів пристрою. Модель може використовуватися при аналізі і синтезі пристроїв порівняння-віднімання зображень на біспін-приладах.

Також в розділі 2 розроблена математична модель комірки компаратора зображень (рис.5) для двох режимів пульсацій використовуваних біспін-приладів: вентильного і фотодіодного.

Рис.5. Схема комірки компаратора зображень на біспін-приладах

Для вентильного режиму роботи біспін-приладів компаратора (що має місце при Ucc<Vпрг) на початку циклу заряду потенціал підкладки дорівнює напрузі на відкритому тирісторі (р-n-р-n-структура від підкладки до замикаючого контакту) VСА нас?0,7 В, тобто Uн=-(Ucc-0,7). Наприкінці циклу заряду потенціал підкладки майже дорівнює напрузі живлення, тобто Uк0. Математична модель комірки компаратора зображень при цьому має вид

. (7)

Для фотодіодного режиму роботи біспін-приладу компаратора (що має місце при Ucc>Vпрг) на початку циклу заряду потенціал підкладки дорівнює напрузі відкритому тирісторі (р-n-р-n-структура від підкладки до замикаючого контакту) VСА нас?0,7 В, тобто Uн=-(Ucc-0,7). Наприкінці циклу заряду потенціал підкладки майже дорівнює Ucc-Vпрг,, тобто Uк=-(Ucc-Vпрг). Математична модель комірки компаратора зображень при цьому має вид

. (8)

У вентильному режимі роботи біспін-приладів компаратора (що має місце при Ucc<Vпрг) мінімальна сумарна оптична потужність на обох входах компаратора, при якій починається генерація вихідних імпульсів, визначається так

. (9)

А максимальна сумарна оптична потужність на обох входах компаратора, при якій зривається генерація вихідних імпульсів, визначається за таким виразом

. (10)

У фотодіодному режимі роботи біспін-приладів компаратора (що має місце при Ucc>Vпрг) мінімальна сумарна оптична потужність на обох входах компаратора, при якій починається генерація вихідних імпульсів, визначається так

. (11)

А максимальна сумарна оптична потужність на обох входах компаратора, при якій зривається генерація вихідних імпульсів, визначається за таким виразом

. (12)

Таким чином, вирази (7) -(9) є математичною моделлю комірки компаратора зображень на основі біспін-приладів при вентильному режимі експлуатації біспін-приладів, а вирази (10) - (12) є математичною моделлю комірки компаратора зображень на основі біспін-приладів при фотодіодному режимі експлуатації біспін-приладів.

Модель включає аналітичну залежність: частоти вихідних імпульсів компаратора від суми порівнюваних оптичних потужностей – (7) і (10), а також вирази (8) і (11) для мінімальної суми порівнюваних оптичних потужностей, при якій з'являється генерація вихідних імпульсів і вирази (9) і (12) для максимальної суми порівнюваних оптичних потужностей, при якій зривається генерація вихідних імпульсів компаратора. Модель може використовуватися для визначення технічних характеристик пристрою в цілому або підбору біспін-приладів із необхідними параметрами для забезпечення заданих характеристик всього компаратора зображень.

Крім того, в розділі 2 обґрунтоване використання в якості міри схожості векторів для нейронної мережі Кохонена манхеттенскої відстані, апаратна реалізація підрахунку якої можлива з використанням запропонованого пристрою порівняння-віднімання зображень.

Найчастіше в нейронних мережах Кохонена для визначення міри схожості векторів використовують Евклідову відстань

, (13)

де dij – значення евклідової відстані між i-тим і j-тим об'єктами; xik - чисельне значення к-тої ознаки для i-того об'єкту; xjk – чисельне значення к-тої ознаки для j-того об'єкту; v - кількість ознак, якими описуються об'єкти.

Евклідова відстань є окремим випадком метрики Мінковського при р=2

. (14)

Проте апаратна реалізація Евклидової відстані складна через необхідність обчислення кореня квадратного і піднесення в квадрат. Для визначення міри схожості векторів в нейронних мережах Кохонена також підходить інший окремий випадок метрики Мінковського при р=1. Це так звана манхеттенска відстань, або "відстань міських кварталів" (city-block)

. (15)

Комірка матриці для порівняння-віднімання зображень згідно математичної моделі ((3) і (6)) визначає величину, пропорційну модулю різниці оптичних потужностей однойменних (к-тих|) пікселів двох різних зображень (i-го і j-го)

. (16)

Матриця таких комірок є оптичним пристроєм для порівняння-віднімання зображень і її можна використовувати спільно зі збираючою лінзою, у фокусі якої встановлено інтегруючий фотоприймач, як пристрій (рис. 6), що визначає манхеттенску відстань між вхідними векторами в мережі Кохонена. Вхідні вектори повинні бути представлені у вигляді оптичних напівтонових зображень, яскравість кожного пікселя яких визначається чисельним значенням відповідного компоненту вектора (ознаки).

У третьому| розділі проаналізовані основні параметри і режими роботи біспін-приладу, показана можливість створення на його основі пристроїв порівняння зображень із частотним виходом. Також розглядаються питання технічної реалізації запропонованих пристроїв порівняння зображень на біспін-приладах. Пропонується реалізувати пристрій для порівняння зображень у вигляді матриці фоточутливих комірок, виконаної за технологією КМОН-фотодіодних НВІС. Комірка матриці для порівняння зображень (рис.7) містить біспін-прилад VE, який має омічний контакт ОК, замикаючий контакт ЗК і контакт підкладки КП. Оптичні входи фотодіодів VD1 і VD2 утворюють перший оптичний вхід А комірки, а оптичні входи фотодіодів VD3 і VD4 утворюють другий оптичний вхід В комірки. Комірка має електричний вихід - Ел.Вих., оптичний вихід – Опт.Вих., керуючі електроди У1 і У2.

Рис.6. Пристрій для визначення манхеттенскої відстані між двома

зображеннями

Рис.7. Схема комірки матриці порівняння-віднімання зображень

Оптоелектронна комірка матриці для порівняння зображень функціонує таким чином. У початковий момент часу на електрод У1 подається високий позитивний потенціал, а на другий електрод У2 - нульовий. Якщо оптична потужність РA на вході А більше оптичної потужності РВ на вході В, то на виході комірки виникнуть імпульси, частота яких пропорційна різниці оптичних потужностей (РА-РВ). Якщо РA<РВ, то на виходах комірки імпульси відсутні. Таким чином, в режимі, коли на У1 високий потенціал, а на У2 – низький, то наявність імпульсів на виходах комірки свідчить про те, що РA>РВ. У зворотному випадку - РA<РВ. Якщо необхідно обчислити величину, на яку РA<РВ, то на електрод У2 подається високий позитивний потенціал, а на перший електрод У1 - нульовий потенціал. В цьому випадку частота вихідних імпульсів буде пропорційна величині (РВ-РА). Ключовий транзистор VT призначений для розширення динамічного діапазону вхідних сигналів і відповідного їм діапазону частот, що генеруються на виходах комірки. Таким чином, пристрій дозволяє не лише порівнювати зображення, але і знаходити їх різницю. Крім того, перевагами пристрою є також низька споживана потужність і представлення вихідної інформації як в оптичній, так і в електричній формі. А частотний вид різниці, що визначається, дозволяє легко оцифрувати знайдену величину. Розглянуто 3 можливих режими роботи пристрою порівняння-віднімання зображень залежно від режиму роботи використовуваного біспін-приладу, які відрізняються параметрами і зручністю експлуатації.

Також в розділі 3 розглядається технічна реалізація компаратора зображень на біспін-приладах. На рис.8 представлено варіанти схем компаратора зображень на біспін-приладах із частотними і потенційними виходами.

Проаналізовано технологічні аспекти реалізації пристроїв порівняння зображень на біспін-приладах. Зроблено висновок про можливість реалізації пристроїв порівняння зображень із щільністю до 380 тис. комірок матриці порівняння-віднімання зображень на мм2.

Рис.8. Схеми комірок компаратора зображень із частотними (а)

і потенційними (б, в) виходами

Розроблено критерій ефективності компараторів зображень

(17)

і критерій ефективності пристроїв порівняння-віднімання зображень

, (18)

де Pmax – максимально допустима різниця вхідних оптичних потужностей; Pmin – поріг чутливості (порогова чутливість); Z – зона нечутливості (мінімальна різниця порівнюваних оптичних потужностей, що фіксується компаратором зображень); PС уд – питома споживана потужність (споживана потужність, яка припадає на одну комірку компаратора зображень); SW – енергія перемикання (SW=tR P – добуток часу відгуку на різницю порівнюваних оптичних потужностей); NA – апаратурні витрати (умовних вузлів); abs – сумарна абсолютна похибка пристрою порівняння-віднімання зображень.

Критерії (17) і (18) мають фізичний сенс і можуть використовуватися для порівняння різних варіантів реалізації пристроїв як на етапі проектування, так і на етапі виробництва.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень запропонованих пристроїв порівняння зображень на біспін-приладах, в результаті яких була перевірена їх працездатність і визначено основні технічні параметри і характеристики:

На рис.9 приведено графіки залежностей вихідної частоти комірки пристрою порівняння-віднімання зображень при зміні оптичної потужності на одному з входів і фіксації на іншому.

а)

б)

Рис. 9. Графіки залежностей вихідної частоти комірки пристрою порівняння-віднімання зображень при зміні оптичної потужності на одному з входів і фіксації на іншому

Вид вихідних імпульсів пристрою порівняння-віднімання зображень на біспін-приладі показаний на рис.10.

а) у схемі без ЗЗ (по рис.4)

б) у схемі зі ЗЗ на VT (по рис.7)

Рис. 10. Вид вихідних імпульсів і імпульсів на підкладці біспіна (“пилка”) в пристрої порівняння-віднімання зображень на біспін-приладі

Також в розділі 4 поряд із визначенням параметрів і характеристик було проведено оцінку ефективності запропонованих пристроїв порівняння зображень порівняно з відомими по комплексних критеріях ефективності (17) і (18), що були розроблені в розділі 3. Результати порівняння подано в табл. 2 і табл. 3:

Таблиця 2

Порівняльна таблиця пристроїв порівняння-віднімання зображень

Назва параметра | Позначення | ФД+ОП | на біспіні

Розмір пікселя [мкм2] | ахb | 215x216 | 50х50

Діапазон порівнюваних оптичних потужностей [мкВт|] | PminчPmax | 0ч1600 | 0ч1600

Діапазон вихідного сигналу | VminчVmax

(fminчfmax) | 0ч5 В | 9ч500 кГц

Частота зміни зображень [кГц] | Fr | 250 | 4,5ч250 (середня 127)

Енергія перемикання [Дж] | Esw | 3010-15 | (2ч3,2)10-9

(5810-12 для аналогичной площади)

Питома споживана потужність [мВт] | PC уд | 10 | 0,03ч0,05

Сумарна абсолютна похибка пристрою [мкВт|] | abs | 80

(5%) | 48

(3%)

Складність однієї комірки [ум.вузлів] | NA | 112 | 8

Значення критерію ефективності [рівнів/(ВтДжум.вузол)] | Q | 0,61015 | 1,81015

Таблиця 3

Порівняльна таблиця компараторів зображень

Назва параметра | Позна-чення | СВ фото-тирист. | SEED | на біспіні

Розмір пікселя [мкм2] | ахb | 100x 95 | 100x 200 | 50х100

Діапазон порівнюваних оптичних потужностей [мкВт] | PminчPmax | 0ч150 | 0ч200 мВт | 3,5ч400

Вид порівнюваних оптичних сигналів | Монохр.

1,55 або 0,72 мкм | Монохр.

1,5 або 0,85 мкм | В широкому діапазоні

Час відгуку, мкс | r | 10 нс | <1 нс | 3,3ч200

Енергія перемикання [Дж] | Esw | 1,210-12

| 8010-12 (3ч5 fJ/m2) | (0,7ч1,3)10-9

(1010-12 для аналогічної площі)

Питома споживана потужність [мВт|] | PC уд | 5 | 0,02 (при 1 МГц) | 0,05ч0,09

Зона нечутливості компаратора [мкВт] | Z | 14,25 (15 aJ/m2) | 48

(30 fJ at 620 Mbit/s) | 0,04ч0,6

Складність однієї комірки [ум.вузлів] | NA | 4 | 4 | 6

Знач. критерію ефективності [рівнів/(ВтДжум.вузол)] | Q | 4,391014 | 65101014 | 31701014

Із таблиць видно, що запропонована комірка пристрою порівняння-віднімання зображень краща за відому в 3 рази. Запропонована комірка компаратора зображень краще за відомий компаратор на світловипромінюючому фототирісторі (СВ фототир.) в 1482 рази, але гірша за відомий компаратор на SEED-приладах в 2,05 рази. Однак, реалізація запропонованих пристроїв на арсенид-галлієвих біспін-приладах значно підвищить їх ефективність.

Крім того, в розділі 4 була проведена оцінка адекватності розроблених в дисертації математичних моделей з використанням експериментальних даних. Вона показала, що розрахункові значення збігаються з експериментальними в діапазоні похибок 2,2-11%, що, в середньому, знаходиться в межах помилки експерименту (5%).

Основні результати роботи та ВИСНОВки

У результаті виконання дисертаційної роботи були розроблені і досліджені пристрої для порівняння зображень, які відрізняються від відомих підвищеною точністю і чутливістю, зменшеними апаратурними витратами і зниженою споживаною потужністю, а при реалізації пристроїв порівняння на арсенид-галлієвих біспін-приладах - ще і підвищеною швидкодією за рахунок реалізації пристроїв на оптоелектронних біспін-приладах. В роботі одержано такі важливі наукові та практичні результати:

1. Проведено класифікацію, системний аналіз областей застосування і аналітичний огляд відомих пристроїв порівняння зображень,

2. Розроблено схемотехнічні рішення реалізації комірки пристрою порівняння-віднімання зображень на основі біспін-приладу та його математична модель для двох режимів роботи використовуваних біспін-приладів - вентильного та фотодіодного.

3. Розроблено схемотехнічні рішення реалізації комірки компаратора зображень на основі біспін-приладів та його математична модель для вентильного та фотодіодного режимів включення використовуваних біспін-приладів.

4. Обґрунтовано вибір в якості міри схожості векторів для нейронної мережі Кохонена манхеттенскої відстані, яка визначається запропонованим пристроєм порівняння-віднімання зображень. Це дозволяє значно спростити апаратну реалізацію блоків знаходження відстані вхідного вектора від координат центрів кластерів в нейронних мережах Кохонена.

5. Розроблено критерій ефективності пристроїв порівняння зображень і на його основі проведено порівняння ефективності запропонованих і відомих пристроїв порівняння зображень.

6. Розроблено методику експериментальних досліджень і експериментально отримано числові значення параметрів пристроїв порівняння зображень на основі біспін-приладів.

7. З урахуванням результатів експериментальних досліджень оцінено ступінь адекватності розроблених математичних моделей. Це дозволяє обґрунтовано використовувати розроблені математичні моделі при аналізі і синтезі пристроїв порівняння зображень на біспін-приладах.

Сукупність приведених в дисертаційній роботі результатів дозволяє вирішити важливу наукову задачу підвищення ефективності (збільшення точності і чутливості, зменшення апаратурних витрат, зменшення споживаної потужності, підвищення швидкодії) пристроїв порівняння зображень для оптоелектронних паралельних процесорів і нейрокомп'ютерів за рахунок реалізації цих пристроїв на основі оптоелектронних біспін-приладів. Результати роботи можна використовувати в подальших дослідженнях для побудови функціональних вузлів високопродуктивних паралельних оптоелектронних процесорів і нейрокомп'ютерів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Колесницкий О.К., Кожемяко В.П., Сами Важих Хейреддин Области применения операции параллельного сравнения изображений и устройства для ее осуществления (Обзор)// Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2006. - №2(12). - C. 119-128.

2. Колесницкий О.К., Сами Важих Хейреддин, Крещенецкая М.В. Устройства сравнения изображений на биспин-приборах// Информационные технологии в научных исследованиях и учебном процессе: Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета: Спецвыпуск. – Алчевск, Луганск. - 2006. – C. 60-67.

3. О.Г.Натрошвили, К.Н.Камкамидзе, Т.О.Бегианидзе, Сами Важих Хейреддин Методы и оптоэлектронные средства визуализации звуковых образов и некоторые подходы к их распознаванию оптическими изображениями// Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології.-2002.-№2(4).- C. 92-96.

4. Колесницкий О.К., Сами Важих Хейреддин, Крещенецкая М.В. Устройства сравнения изображений на биспин-приборах// Інформаційні технології в наукових дослідженнях і навчальному процесі: II міжнар. наук.-практ. конф.. Луганськ, 14–16 листоп. 2006 р. – Луганськ: “Альма-матер”. - Том 1. - 2006. - С. 158-160.

5. Колесницкий О.К., Сами Важих Хейреддин. Устройство сравнения изображений для систем распознавания образов// Інтелектуальні системи прийняття рішень та прикладні аспекти інформаційних технологій (ISDMIT’2006): міжнародна наукова конференція. Євпаторія, 15-18 травня 2006 р. - Херсон: Видавництво Херсонського морського інституту. - Том 1. – 2006. - C. 108-110.

6. Мартинюк Т.Б., Юрченко М.О., Наконечний О.М., Хейреддін Самі Важіх. Перспективи реалізації оптоелектронних індикаторних пристроїв// Сучасні наукові дослідження-2006: ІІ міжнародна науково-практична конференція. Дніпропетровськ, 20-28 лютого 2006 р. - Дніпропетровськ: “Наука і освіта”. – 2006. - Том 46. – C. 16-18.

7. В.П.Кожем‘яко, А.Т.Теренчук, Самі Важіх Хейреддін. Аналіз і екстраполяція траекторії об‘єкта в системах оптичної локації// Перша науково-технічна конференція Харківського університету повітряних сил (тези доповіді). Харків, 16-17 лютого 2005 р. – Харків. - 2005. - С. 22-23.

8. Теренчук А.Т., Кожем‘яко В.П., Гульчак Ю.П., Самі Важіх Хейреддін Геометричні характеристики випромінювання напівпровідникових освітлювачів для систем технічного зору// Optoelectronic Information Technologies “PHOTONICS-ODS-2005: III міжнародна конференція. Вінниця, 27-28 квітня 2005 р. – Вінниця: КІВЦ ВНТУ. – 2005. - С. 61-63.

9. Теренчук А.Т., Кожем‘яко В.П., Самі Важіх Хейреддін. Побудова та застосування світлодіодних освітлювальних пристроїв на основі принципу просторово-часового керування// Світлотехніка й електроніка: історія, проблеми й перспективи: II міжнародна науково-технічна конференція. Тернопіль, 24-27 травня 2005 р. – Тернопіль: Видавництво Тернопільського державного технічного університету. – 2005. - С. 42-43.

10. Патент України №12866, МПК G06 K9/00. Спосіб повороту зображення на екрані матричного індикатора на заданий кут/ Кожем‘яко В.П., Тимченко Л.І., Маліночка О.В., Хейреддін С.В.; Заявл. 18.05.2005; Опубл. 15.03.2006; Бюл.№3 – 12с.

АНОТАЦІЯ

Самі Хейреддін. Структурна організація пристроїв порівняння зображень для оптоелектронних паралельних процесорів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - "Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування". - Вінницький національний технічний університет, Вінниця - 2007.

У дисертаційній роботі розв'язується актуальне завдання розробки і дослідження високоефективних пристроїв для паралельного порівняння зображень. Актуальність обгрунтовується тим, що одним з основних функціональних вузлів високопродуктивних паралельних оптоелектронних процесорів і багатьох типів нейрокомп'ютерів є пристрій для порівняння зображень. На його основі реалізуються такі функції і операції як аналого-цифрове і цифро-аналогове перетворення зображень, кореляційна обробка зображень, порівняння і сортування масивів чисел, визначення міри схожості векторів в нейронних мережах Кохонена, зустрічного розповсюдження, ART та ін.

В результаті виконання дисертаційної роботи була проведена класифікація, системний аналіз областей застосування і аналітичний огляд відомих пристроїв порівняння зображень з метою виявлення їх недоліків і обгрунтування напрямів їх вдосконалення. Були розроблені схемотехнічні рішення побудови і математична модель пристрою порівняння-віднімання зображень на основі біспін-приладу. Також були розроблені Схемотехнічні рішення побудови і математична модель компаратора зображень на основі біспін-приладів. Були досліджені принципи технічної реалізації пристроїв порівняння зображень на основі біспін-приладів, розроблені критерії ефективності пристроїв порівняння зображень і на їх основі проведено порівняння ефективності запропонованих і відомих пристроїв порівняння зображень Були проведені експериментальні дослідження пристроїв порівняння зображень на основі біспін-приладів з метою визначення їх технічних параметрів і оцінки адекватності розроблених математичних моделей.

Розроблені в дисертаційній роботі пристрої порівняння зображень на основі кремнієвих біспін-приладів характеризуються підвищеною точністю (зона нечутливості компаратора 40-600 нВт) і чутливістю, зменшеними апаратурними витратами, зниженою споживаною потужністю і підвищеною швидкодією (при використанні арсенид-галлієвих біспін-приладів).

Ключові слова: пристрій порівняння зображень, компаратор зображень, оптоелектронний паралельний процесор, нейрокомп'ютер, біспін-прилад, оптоелектронна елементна база, математична модель.

ANNOTATION

Sami Kheireddine. Structural organization of image comparison devices for optoelectronic parallel processors.- A manuscript.

Thesis for the Candidate’s degree on speciality: 05.13.05 - "Elements and devices of the computing engineering and control systems". - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia - 2007.

The actual task of elaboration and research of high-efficiency devices for parallel comparison of images is decided in the dissertation. Actuality is grounded to those, that one of basic part of high-performance parallel optoelectronic processors and many types of neurocomputers is the device for image comparison. The such functions and operations will be realized on its basis: analog-to-digital and digital-to- analog image conversion, cross-correlation image processing, comparison and sorting of number arrays, vector likeness measure determination in the Kohonen neural networks, counter propagation neural networks, ART neural networks and others.

As a result of dissertation work implementation the classification, system analysis of application domains and state-of-the-art review of the known image comparison devices were conducted with the purpose of exposure of their disadvantages and ground of directions of their perfection. The decisions were developed and mathematical model of image comparison-deduction device on the basis of bispin-device. The circuitry decisions and mathematical model were also developed for image comparator on the basis of bispin-device. Principles of technical realization of image comparison devices were investigated on the basis of bispin-device. The efficiency criteria of image comparison devices are developed and on their basis efficiency comparison of the offered and known devices is conducted. Experimental researches were conducted with the aim of technical parameters determination and estimation of adequacy of the developed mathematical models.

The image comparison devices developed in the dissertation on the basis of silicon bispin-devices are characterized by enhanced exactness (comparator insensitivity zone is 40-600 nW) and sensitiveness, reduced apparatus expenses, lowered power consumption and enhanced fast-acting (at the use of GaAs bispin-devices).

Keywords: image device, image comparator, optoelectronic parallel processor, neurocomputer, bispin-device, optoelectronic elementary basis, mathematical model.

АННОТАЦИЯ

Сами Хейреддин. Структурная организация устройств сравнения изображений для оптоэлектронных параллельных процессоров.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности: 05.13.05 - "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления". - Винницкий национальный технический университет, Винница - 2007.

В диссертационной работе решается актуальная задача разработки и исследования высокоэффективных устройств для паралельного сравнения изображений. Актуальность обосновывается тем, что одним из основных функциональных узлов высокопроизводительных параллельных оптоэлектронных процессоров и многих типов нейрокомпьютеров является устройство для сравнения изображений. На его основе реализуются такие функции и операции как аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование изображений, корреляционная обработка изображений, сравнение и сортировка массивов чисел, определение меры схожести векторов в нейронных сетях Кохонена, встречного распространения, ART и др.

В результате выполнения диссертационной работы была проведена классификация, системный анализ областей применения и аналитический обзор известных устройств сравнения изображений с целью выявления их недостатков и обоснования направлений их совершенствования. Были разработаны схемотехнические решения построения и математическая модель ячейки устройства сравнения-вычитания изображений на основе биспин-прибора. Выходным сигналом ячейки устройства сравнения-вычитания изображений являются импульсы, частота которых пропорциональна разности оптических мощностей пикселей сравниваемых изображений. Также были разработаны схемотехнические решения построения и математическая модель ячейки компаратора изображений на основе биспин-приборов. Ячейка компаратора может иметь как частотный, так и цифровой выход. Были исследованы принципы технической реализации устройств сравнения изображений на основе биспин-приборов, разработаны критерии эффективности устройств сравнения изображений и на их основе проведено сравнение эффективности предложенных и известных устройств сравнения изображений. Предложенная ячейка устройства сравнения-вычитания изображений лучше известной в 3 раза. Предложенная ячейка компаратора изображений лучше известного компаратора на светоизлучающих фототиристорах в 1482 раза, но хуже известного компаратора на SEED-приборах в 2,05 раза. Однако, реализация предложенных устройств на арсенид-галлиевых биспин-приборах значительно повысит их эффективность. Были проведены экспериментальные исследования устройств сравнения изображений на основе кремниевых биспин-приборов с целью определения их технических параметров и оценки адекватности разработанных математических моделей. Основные технические параметры и характеристики предложенной ячейки устройства сравнения-вычитания изображений: диапазон сравниваемых оптических мощностей - 0ч1600 мкВт, диапазон выходных частот - 9ч500 кГц, время отклика (зависит от разности входных оптических мощностей - 2ч110 мкс, энергия переключения - (2ч3,2)10-9 Дж, удельная потребляемая мощность - 30ч50 мкВт. Были определены основные технические параметры и характеристики предложенной ячейки компаратора изображений: диапазон сравниваемых оптических мощностей - 3,5ч400 мкВт, диапазон выходных частот - 5ч300 кГц, время отклика (зависит от суммы входных оптических мощностей – 3,3ч200 мкс, энергия переключения - (0,7ч1,3)10-9 Дж, удельная потребляемая мощность - 50ч90 мкВт, зона нечувствительности компаратора - 40ч600 нВт.

Оценка адекватности разработанных в диссертации математических моделей с использованием экспериментальных данных показала, что расчетные значения совпадают с экспериментальными в диапазоне погрещностей 2,2-11%, что, в среднем, находится в пределах ошибки эксперимента (5%).

Разработанные в диссертационной работе устройства сравнения изображений на основе кремниевых биспин-приборов характеризуются повышенной точностью (зона нечувствительности компаратора 40-600 нВт) и чувствительностью, уменьшеными аппаратурными затратами, пониженной потребляемой мощностью и повышенным быстродействием (при использовании арсенид-галлиевых биспин-приборов).

Ключевые слова: устройство сравнения изображений, компаратор изображений, оптоэлектронный параллельный процессор, нейрокомпьютер, біспін-прибор, оптоэлектронная элементная база, математическая модель.