ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СУПРИГАН ВІТАЛІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 681.383.9: 681.327

схемотехніЧНІ засоби побудови оптоелектронних інтегральних схем обробки ЗОБРАЖЕНЬ

Спеціальність 05.13.05 – "Елементи та пристрої обчислювальної техніки

та систем керування"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Лисенко Геннадій Леонідович, Вінницький державний технічний університет, доцент кафедри лазерної та оптоелектронної техніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Осадчук Володимир Степанович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри мікроелектроніки, оргтехніки та зв'язку.

доктор технічних наук, професор Готра Зенон Юрійович, Національний університет "Львівська політехніка", завідувач кафедри електронних апаратів.

Провідна установа: Інститут кібернетики ім. В. М. Глушкова НАН України, м.Київ, відділ фізико-технологічних основ кібернетики.

Захист відбудеться "16" лютого 2001 р. о 9 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому державному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького державного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

Автореферат розісланий "12" січня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Захарченко С.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Сучасні інформаційні технології в основному орієнтуються на оброблення великих потоків інформації, які найчастіше подаються у вигляді зображень. Ефективним шляхом підвищення швидкодії пристроїв оброблення зображень є розвиток та впровадження оптоелектронних інформаційних технологій. Його ефективність полягає у досягненні швидкості оброблення зображення, яка дорівнює часу проходження сигналом середовища, що його оброблює. Перспективність мікромініатюризації пояснює важливе значення інтегральної оптоелектроніки у самій оптоелектронній галузі.

До окремого класу задач відносять методи попереднього оброблення зображень. Прилади, які реалізують ці методи, повинні бути здатними до паралельного введення-виведення зображень з одночасною попередньою обробкою. Тому розробка та дослідження оптоелектронних інтегральних схем для паралельного введення-виведення та передавання з одночасним обробленням зображень є актуальним. Ця задача досліджується в ряді світових науково-дослідних центрах, характеристика яких приводиться у вступі дисертації. Також, приймаючи до уваги такі основні та перспективні напрямки роботи на Україні, як створення нових: оптоелектронної елементної бази; оптоелектронних інтегральних елементів на основі квантово-розмірних структур; оптико-електронні систем штучного інтелекту; інтегральних- та волоконно-оптичних засобів оброблення та передавання інформації; оптичних та оптоелектронних методів оброблення зображень та ін. можна стверджувати, що пристрої з паралельним введенням-виведенням великих масивів інформації з одночасною попередньою обробкою при передаванні є невід'ємною частиною різних оптоелектронних систем, а саме питання розробки та дослідження таких засобів знаходяться в стадії постановки задачі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно з планом наукових досліджень Вінницького державного технічного університету та Міністерства науки і освіти України за держбюджетною темою 50–Д–180 "Створення оптоелектронних технологій аналізу стану серцево-судинної системи" (державна реєстрація №0197U012663) в 1999 році.

Мета і задачі дослідження.

Метою дослідження є підвищення швидкості попереднього оброблення зображень з одночасним паралельним передаванням на основі оптоелектронних інтегральних схем (ОЕІС) та оптоволоконного шлейфу (ОВШ).

Об'єкт дослідження – процес паралельного попереднього оброблення зображень.

Предмет досліджень – схемотехнічне удосконалення оптоелектронних інтегральних схем для паралельного передавання зображень.

Методи досліджень базуються на використанні хвилевої теорії розповсюдження випромінювання при побудові математичних моделей розрахунку розподілу діаграми направленості та розрахунку рівнів оптичних сигналів, теорії електронних та оптоелектронних кіл для розробки оптоелектронної інтегральної схеми цифрового оптоелектронного процесора (ЦОЕП), булевої алгебри для побудови логічної схеми цифрового оптоелектронного процесора, а також на математичному апараті логіко-часових функцій для організації роботи комірок процесора.

Задачі дослідження:

1. Визначити клас задач обробки зображень, які ефективно реалізуються на секціонованих оптоелектронних інтегральних схемах.

2. Розробити математичну модель побудови діаграми направленості масиву інтегральних світловипромінювачів.

3. Розробити математичну модель визначення порогів логічних рівнів оптичних сигналів.

4. Виконати розробку оптоелектронної інтегральної схеми для пристрою паралельного оброблення та передавання даних.

5. Дослідити схемотехнічні та конструктивно-технічні варіанти реалізації та оцінку ефективності приладу паралельного передавання даних по волоконно-оптичних лініях зв'язку.

6. Сформулювати вимоги до топологічних розмірів елементів оптоелектронних інтегральних схем оброблення та передавання зображень.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Одержано нову математичну модель розподілу поля діаграми направленості масиву світловипромінювачів оптоелектронних інтегральних схем, що описує процес паралельного передавання даних у когерентних та некогерентних волоконно-оптичних лініях зв'язку, що підвищують швидкість оброблення зображень.

2. Вперше одержано математичну модель оптоелектронних інтегральних схем оброблення зображень, яка дає змогу визначити логічні рівні оптичних сигналів при паралельному передаванні зображень, що підвищує швидкість оброблення зображень.

3. Удосконалено метод повороту зображення на кут 900, який реалізується на секціонованих оптоелектронних інтегральних схемах з використанням оптоволоконного шлейфу, що дозволяє виключити втрати інформації у зображенні під час повороту.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблено пристрій паралельного передавання зображень по ОВШ, використання якого у цифровому оптоелектронному процесорі підвищує швидкодію процесора при виконанні алгоритмів оброблення зображень за рахунок зменшення часу передавання даних у процесорі.

2. Розроблено оптоелектронну інтегральну схему для пам'яті фіксації реакцій цифрового оптоелектронного процесора попарного сортування даних, використання якої підвищує швидкість виконання задач сортування у порівнянні з електронними аналогами для подібного метода сортування.

3. Розроблено оптоелектронну інтегральну схему для оптично-керованого транспаранта цифрового оптоелектронного процесора позрізового оброблення зображень, яка дозволяє відому архітектуру реалізувати на новій інтегральній оптоелектронній елементній базі, що приводить до підвищення швидкодії процесора.

4. Розроблено пристрій повороту зображення на кут 900 на основі запропонованого методу для реалізації на секціонованих приладах, за допомогою якого виконують операцію повороту зображення без втрати об'єму інформації зображення.

5. Сформульовано рекомендації та вимоги до проектування топології оптоелектронних інтегральних схем для оптоелектронних процесорів паралельного оброблення зображень.

Теоретичні та практичні результати дисертації використовуються на державному іноваційно-виробничому підприємстві "Інфракон-Ортикон" ВАТ "Інфракон" та є частиною робіт, які виконувались в рамках розробки обладнання для автоматизованих заправних станцій та у навчальному процесі на кафедрі "Лазерної та оптоелектронної техніки" Вінницького державного технічного університету в рамках спеціалізації "Лазерна та оптоелектронна техніка в системах телекомунікацій" при викладанні таких дисциплін, як "Голографія та лазерна техніка", "Електродинаміка та розповсюдження електромагнітних хвиль оптичного діапазону", "Основи квантової електроніки та лазерної техніки" та "Волоконна та інтегральна оптика".

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. В роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать: виділення класу задач обробки зображень для реалізації їх на матричних ОЕІС [8]; класифікація паралельних ЦОЕП [10]; класифікація логічних інтерфейсів цифрових волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ) для ОЕІС [4, 6]; обгрунтування умов використання різних типів світловипромінюючих елементів при побудові матричних ОЕІС [3, 5, 6, 11]; алгоритм швидкого повороту зображення на прямі кути [2, 7]; розробка структурної схеми ОЕІС з можливістю агрегатування, з'єднання ОЕІС за допомогою ОВШ, класифікація типів з'єднувачів для ОЕІС [2]; розробка ОЕІС з ОК для виконання алгоритмів нормування зображень [2, 11]; функціональна модель комірки вхідної логіки ЦОЕП обробки зображень [3, 10]; розробка ОЕІС для ЦОЕП сортування даних [3]; спосіб і результати стикування ОЕІС з ОВШ за допомогою розетки [4, 6]; моделювання роботи ОЕІС [9, 10, 11].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і наукові результати, викладені в дисертаційній роботі, пройшли апробацію на науково-технічних конференціях, серед яких: міжнародна науково-технічна конференція "Optoelectronic and Hybrid Optical/Digital Systems for Image/Signal Processing" ODS'99 (Львів, 1999), 3 та 4 Всеукраїнські міжнародні конференції з оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів "УКРОБРАЗ–96" та "УКРОБРАЗ–98" (Київ, 1996, 1998), міжнародні науково-технічні конференції "Приладобудування-97" та "Приладобудування-99" (Сімеїз, 1997 та Ялта, 1999), міжнародна науково-технічна конференція "Контроль і управління в технічних системах–97" (Вінниця, 1997), 26 та 27 науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів Вінницького державного технічного університету з участю інженерно-технічних працівників підприємств міста Вінниці і області (Вінниця, 1999 та 2000), Міждержавна науково-методична конференція: "Комп'ютерне моделювання" (Дніпродзержинськ, 2000), 3-я Міжнародна НТК "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці" (м. Львів, 1999), Міжнародна науково-технічна конференція "Оптоелектронні інформаційні технології Фотоніка-ОДС 2000" (м. Вінниця, 2000); Друга міжнародна конференція "Інтернет, освіта, наука – 2000" (м. Вінниця, 2000).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 23 друкованих праці. З них 8 статей в наукових журналах, що відносять до відповідного переліку ВАК, 1 стаття у збірнику наукових праць, 13 у матеріалах та тезах конференцій, отримано позитивне рішення на видачу патенту України.

Об'єм і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і 7 додатків. Загальний обсяг дисертації 152 сторінки, з яких основний зміст викладено на 114 сторінках друкованого тексту, 47 рисунків та 5 таблиць. Список використаних джерел нараховує 178 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто актуальність побудови оптоелектронних інтегральних схем оброблення зображень визначено зв'язок роботи з науковими програмами, темами кафедри лазерної та оптоелектронної техніки Вінницького державного технічного університету. Обгрунтовано предметну область, методи, мету та задачі дослідження. Сформульовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, а також показана їх апробація, публікації та впровадження.

В першому розділі виконано аналіз існуючих оптичних та оптоелектронних методів оброблення зображень та визначено, що перспективним напрямком роботи є реалізація методів попереднього оброблення зображень. Проведений аналіз існуючих технологій виготовлення оптоелектронних інтегральних схем показав, що на теперішній момент часу найбільш оптимальною є молекулярно-променева епітаксія. Проведений аналіз схемотехнічних особливостей побудови оптоелектронних інтегральних схем для попереднього оброблення зображень показав що на основі молекулярно-променевої епітаксії можливо виготовляти набір інтегральних елементів для ОЕІС достатній для реалізації оптоелектронних методів паралельного оброблення зображень: введення-виведення з одночасним обробленням зображень.

Зроблено такі висновки:

1. Перспективною областю в обробленні зображень є цифрові алгоритми попереднього оброблення, а саме за допомогою цифрового оптоелектронного процесора позрізового оброблення зображень.

2. Перспективною технологією для виготовлення оптоелектронних інтегральних схем є молекулярно-променева епітаксія.

3. Задача, яка потребує вирішення, це розроблення та дослідження пристрою паралельного передавання зображень між оптоелектронними інтегральними схемами у цифровому оптоелектронному процесорі.

4. Необхідно створити математичні моделі побудови розподілу діаграми направленості поля випромінювання масиву випромінювачів та модель визначення логічних рівнів оптичних сигналів для побудови пристрою паралельного передавання зображень.

В другому розділі розглядається тракт паралельного передавання зображень між оптоелектронними інтегральними схемами. Окремо розглядаються введення-виведення зображення у ОВШ та передавання у ньому. Одержані нові математичні моделі побудови розподілу поля діаграми направленості масиву світловипромінювачів оптоелектронної інтегральної схеми, що описують процес паралельного передавання даних у когерентних та некогерентних волоконно-оптичних лініях зв'язку.

Розглянемо результуюче поле випромінювача:

а) для потужності випромінювання Р

(1)

де Z0 – хвилевий опір середовища;

ai та bi – фази і-го типу хвилі;

, – фазові коефіцієнти, які залежать від розміщення точки спостереження, в якій визначається напруженість електричного поля;

і – фази парціальних діаграм;

б) для коефіцієнта поляризації С

(2)

де та – ортогональні компоненти вектора напруженості поля випромінення;

в) для елементів матриці когерентності:

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

де , – дисперсії випадкових ортогонально-поляризованих компонент;

– комплексні значення цих компонент, що враховують їх статистичний зв'язок;

, , , – елементи матриці когерентності монохроматичної складової.

В загальному випадку кожний із згаданих параметрів має свою функцію щільності імовірності (ФЩІ) та характеристичну функцію. Запишемо закони розподілення амплітуд та фаз типів хвиль у перерізі:

, (7)

де – сумісна ФЩІ величин ;

– поточний параметр із співвідношень (1) – (6);

– вектори параметрів ;

– вектори параметрів ;

, .

При розгляді розподілу поля в головних площинах, воно має вигляд (для заданого розподілу струмів):

(8)

де ;

;

;

;

При збудженні хвилею (однією з основних) типу , розподіл напруженості поля в площині Е має вигляд:

(9)

При врахуванні сумісної роботи цілого масиву випромінювачів одержано математичні моделі визначення рівнів оптичних сигналів при паралельному передаванні зображень, що дають змогу побудувати оптоелектронні інтегральні схеми оброблення зображень.

На поточний момент склались два основні перспективні способи з'єднання: за допомогою виділених оптичних волокон (ОВ) за топологією "точка-точка" та за допомогою волстрону (рис.1).

Рис.1. З'єднання з допомогою волстрону. Рис.2. Схема логічних рівнів оптичних сигналів.

Виділимо з схеми зображеної на рис.1. окремий канал передавання. Канал складається з випромінювача, середовища передачі – ОВ та фотоприймача. Для нього у загальному випадку потрібно для різних варіантів групового з'єднання (у каналі присутні втрати та наведений сигнал з сусідніх каналів) визначити такі P1, P2 та межі Р1MIN, Р0MAX, Р1MAX та P0MIN, щоб виконувалася умова:

(10)

де Р1 – значення вихідного сигналу високого рівня у окремому каналі;

Р2 – значення вихідного сигналу низького рівня у окремому каналі;

Р1МІN – мінімальне значення сигналу низького рівня;

Р1МАX – максимальне значення сигналу низького рівня;

Р1МІN – мінімальне значення сигналу високого рівня;

Р1МАX – максимальне значення сигналу високого рівня.

Загальний вираз математичної моделі для окремої комірки беремо в такому вигляді:

, (11)

де область D (світлочутлива зона фотоприймача) задається нерівностями

(12)

С0 – масштабний коефіцієнт;

с, a та b, d, – початкові та кінцеві координати меж світлочутливої зони фотоприймача;

n та m – номери стовпчика та стрічки до яких відноситься область D;

ЕВИХ – поверхня, яка відображає густину випромінювання на виході ОВШ.

Значення ЕВИХ розраховується з виразу:

, (13)

де Д – функція укладання волокон;

К – щільність укладки волокон;

ЕВИХ.ОД – напруженість на виході окремого ОВ.

ЕВИХ.ОД визначається як

, (14)

де S – площа торця окремого ОВ;

а – коефіцієнт, який враховує втрати (кутові, вісьове зміщення та інші) на введення випромінювання у ОВ;

Е(n, m) – енергетичний профіль випромінювання масиву – ДН СВД, що визначається у полярних координатах так (перемноживши два радіус-вектора)

, (15)

де Е0 – амплітуда напруженості поля ДН СВД (7), (8);

j та g – полярні кути, які лежать у межах –від 0 до p;

r – полярний радіус.

З урахуванням формул (11)–(15) запишемо загальний вираз сигналу, який подається на окремий фотодіод (ФД) через ОВШ:

(16)

Залежність (16) і є математична модель визначення логічних рівнів оптичних сигналів для комірки ОЕІС у оптоелектронному процесорі пам'яті фіксації реакції [3]. Схема заміщення для комірки представлена на рис.3, де вихідним сигналом назовні ОЕІС є Q.

Для схеми (комірки) (рис.3) математичний закон функціонування має наступний вигляд:

(17)

Для схеми (рис.3) та закону функціонування (17) розроблено структурну схему зв'язків між комірками у стрічці (рис.4). Стрічка ОЕІС (рис.4) формується з комірок (рис.3) та зв'язків між ними.

Рис.3.Схема заміщення для комірки:

С, D, R, W, Q – сигнали: синхронізації, даних, читання, запису та загальний вихідний сигнал відповідно;

D+, – сигнал на вхід наступної комірки та відповідний керуючий сигнал;

D–, – сигнал на вхід попередньої комірки та відповідний керуючий сигнал;

Рис.4.Схема зв'язків між комірками у стрічці.

Як було зазначено вище ОЕІС одночасно з передаванням виконує деякі методи попереднього оброблення зображень (масштабування та поворот). Складовою частиною методів масштабування є алгоритми повороту зображень. Для повороту зображення на операційному екрані у нього кількість оптичних зв'язків повинна бути: зовнішніх – 4N, та внутрішніх – 2N(N-1), де N – розмір операційного екрану (у точках). При застосуванні запропонованого алгоритму повороту зображення на 900 (рис.5) усуваються згадані недоліки, кількість зовнішніх оптичних зв'язків – 2N, та внутрішніх оптичних зв'язків – N(N-1).

Рис.5. Блок-схема методу повороту зображення на 900.

В третьому розділі згідно побудованих моделей описано алгоритм роботи цифрового оптоелектронного процесора та розроблено пристрій паралельного передавання зображень по ОВШ. Пристрій містить оптоелектронну інтегральну схему (рис.6).

ОВШ використовується в оптоелектронному цифровому процесорі зрізового оброблення зображень, де суть багаторівневого накопичення зображень полягає у формуванні в кожному циклі обробки послідовності зображень Z вигляду Z=X+Y, де послідовність зображень запам'ятовує NґM двійкових К-розрядних чисел , де . Y – послідовність зображень, аналогічна X.

На рис. 6 зображено структуру ОЕІС яка являє собою оптично-керований транспарант, де – сигнал знакової матриці, а – зображення.

Рис.6. Структурна схема оптоелектронної інтегральної схеми.

Базовим елементом ОЕІС є комірка. З'єднання комірок між собою представляє рядки, причому кількість комірок у рядку дорівнюється M+1, де М – кількість рядків. В ОЕІС використано комірки двох типів.

Як комірка першого типу використана функціональна схема, яка складається з вихідного 1, першого 2 і другого 3 тригерів, а також вхідної логіки 4, яка містить елемент "Виключаюче АБО" . Позначимо виходи першого 2 і другого 3 тригерів відповідно S1 і S2, вихідного 1 тригера – і . Схема, яка синхронізується фронтом С, працює таким чином: вхідна логіка комірок першого стовпчика – елемент "Виключаюче АБО" виконує операцію додавання по модулю 2 вхідних сигналів . Сигнали синхронізації С і надходять на входи першого 2 і другого 3 тригерів. Функція першого 2 тригера – скидання в "0" вихідного тригера при надходженні по входу даних нуля. Функція другого тригера 3 – установка в "1" вихідного тригера при надходженні на вхід даних одиниці. Функція вихідного тригера – запам'ятовування значення, що надійшло на вхід даних під час приходу фронту останнього синхроімпульсу. Закон функціонування комірки:

Як комірка другого типу використана функціональна схема, що складається з вихідного 1, першого 2 і другого 3 тригерів (рис.7). Схема комірки працює аналогічно схемі комірки першого типу і відрізняється відсутністю вхідної логіки. Закон функціонування комірки:

Рис.7. Блок-схема структури комірки першого типу.

Розроблено два типи оптоелектронних інтегральних схем з розмірами 32ґ32 точок. Перший варіант передбачає одноплощинне розташування елементів. Другий варіант передбачає розташування елементів у трьох площинах за функціональним призначенням. Загальні розміри підкладки для першого варіанта: 32,5ґ40,5 мм, а для другого варіанта: 900ґ900 мкм.

Для окремої пари передавач-приймач визначено: для досягнення необхідного фотоструму на окремому ФД, який відповідає "логічному нулю" на відповідному ФД, потужність випромінювання СВД повинна бути у межах від 0 мВт до 0,03 мВт.

Для досягнення необхідного фотоструму на окремому ФД, який відповідає "логічній одиниці" потужність випромінювання, відповідного для ФД, СВД повинна бути у межах від 0,2 мВт до 0,5 мВт.

В четвертому розділі підводячи підсумки досліджено ОЕІС та сформульовано рекомендації та вимоги до проектування топології оптоелектронних інтегральних схем для оптоелектронних процесорів паралельного оброблення зображень. Представлено варіант розробленої топології оптоелектронної інтегральної схеми, для якої дослідження виконувались у такій послідовності: розраховано енергетичний баланс оптоволоконного шлейфа, визначено топологічні особливості оптоелектронної інтегральної схеми та визначено вимоги та рекомендації до топології оптоелектронних інтегральних схем. А саме, для забезпечення робочих характеристик сигналів основні топологічні розміри елементів повинні бути:

1) для одноплощинної ОЕІС (розміри не більше):

- СВД 20ґ20 мкм; - ФД 20ґ20 мкм; - транзистори 50ґ20 мкм; - резистори 10ґ20 мкм; - діоди 20ґ20 мкм; - контактні площадки 20ґ20 мкм; - провідники до ФД 3 мкм, до СВД 5 мкм; - хвилеводи 20ґ20 мкм; - відстані між: хвилевід – хвилевід 20 мкм; електричний провідник – електричний провідник 10 мкм; електричний провідник – елемент 20 мкм.

2) для багатоплощинної (триплощинної) ОЕІС:

- СВД 30ґ30 мкм; - ФД 30ґ30 мкм; - транзистори 50ґ20 мкм; - резистори 10ґ20 мкм; - діоди 20ґ20 мкм; - контактні площадки 20ґ20 мкм; - провідники до ФД 3 мкм, до СВД 5 мкм; - хвилеводи 20ґ20 мкм; - відстані між: хвилевід – хвилевід 20 мкм; електричний провідник – електричний провідник 10 мкм; електричний провідник – елемент 20 мкм.

Для підтвердження теоретичних результатів дослідження проведено розробку макету та вимірювання робочих характеристик. Дослідження показали відхилення на 20% теоретичних результатів від вимірів робочих характеристик макету. Так при передаванні даних між окремими комірками було досягнуто наступні значення логічних рівнів оптичних сигналів:

- для "логічної одиниці":

потужність випромінювання комірки: 0,04 мВт;

робочий струм фотоприймача: 3 нА;

для "логічного нуля":

потужність випромінювання комірки: 0,055 мВт;

робочий струм фотоприймача: 1,2 мА.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі підвищення швидкодіїї цифрового оптоелектронного процесора, що є результатом організації паралельного передавання зображень, шляхом використання приладу паралельного передавання зображень. Зокрема, у дисертації отримано такі основні наукові та практичні результати.

1. Одержано математичні моделі: нову модель побудови поля діаграми направленості масиву світловипромінювачів оптоелектронних інтегральних схем, що описує процес паралельного передавання даних у когерентних та некогерентних волоконно-оптичних лініях зв'язку, що підвищують швидкість оброблення зображень та одержано модель оптоелектронних інтегральних схем оброблення зображень, яка дає змогу визначити логічні рівні оптичних сигналів при паралельному передаванні зображень, що підвищує швидкість оброблення зображень. Дані математичні моделі у сукупності дозволяють сформулювати рекомендації та вимоги до проектування топології оптоелектронних інтегральних схем для процесорів паралельного оброблення зображень.

2. Розроблено пристрій паралельного передавання зображень по ОВШ, використання якого у цифровому оптоелектронному процесорі підвищує швидкодію процесора при виконанні алгоритмів оброблення зображень за рахунок зменшення часу передавання даних у процесорі. На основі даного пристрою розроблено: блок пам'яті фіксації реакцій цифрового оптоелектронного процесора попарного сортування даних, використання якого підвищує швидкість виконання задач сортування у порівнянні з електронними аналогами для подібного метода сортування та оптично-керований транспарант для цифрового оптоелектронного процесора позрізового оброблення зображень, який дозволяє відому архітектуру реалізувати на новій інтегральній оптоелектронній елементній базі, що приводить до підвищення швидкодії процесора.

3. Удосконалено метод повороту зображення на кут 900. Даний метод реалізується на основі, як окремої оптичної інтегральної схеми, так і на секціонованих. Переваги метода у тому, що він дозволяє виключити втрати інформації у зображенні під час повороту.

4. Проведено експеримент на аналогах масивів СВД та ФД і волстрону, що показав відхилення значень потужності логічних рівнів оптичних сигналів на 20% у порівнянні з числовим розрахунком характеристик паралельного передавання та сприйняття оптичної інформації ОЕІС.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Суприган В.А. Алгоритми пошуку та ідентифікації об'єктів на операційних екранах // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах (Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький). – 1999. – №3. – С. 121–125.

2. Лисенко Г.Л., Суприган В.А. Секціоновані паралельно-послідовні оптоелектронні інтегральні схеми // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах (Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький). – 1998. – № 2. – С. 55–58.

3. Мартинюк Т.Б., Лисенко Г.Л., Суприган В.А. Оптоелектронний процесор з пам'яттю на оптоелектронних інтегральних схемах // Вісник Державного університету "Львівська політехніка". Елементи теорії та прилади твердотілої електроніки. – 2000. –№393. – С. 12–20.

4. Лисенко Г.Л., Суприган В.А., Тужанський С.Є. Засоби з'єднання оптичних інтегральних схем // Вісник ВПІ. – 2000. – №4. – С. 80–83.

5. Кожем'яко В.П., Лисенко Г.Л., Суприган В.А. Порівняльний аналіз інтегральних лазерних випромінювачів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах (Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький). – 1998. – № 2. – С. 39–42.

6. Лисенко Г.Л., Тужанський С.Є., Суприган В.А. Елементи проектування волоконно-оптичних кабельних систем // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. (Технологічний університет Поділля). – 1999. – №4. – С.79–82.

7. Рішення про видачу патенту України, МПК 6 G06K9/36. Спосіб повороту зображення зі збереженням об'єму інформації / Лисенко Г.Л., Суприган В.А., Карпунь В.А. Заявка №99094878 від 01.09.1999.

8. Lysenko G., Suprigan V. Optoelectronic aggregated integrated systems for image pre-processing // In Optoelectronic and Hybrid Optical/Digital Systems for Image/Signal Processing, Processing of SPIE. – 2000. – Vol. 4148. – P.98–103.

9. V. Suprigan Mathematics model of parallel data transmission // Оптоелектронні інформаційні технології "Фотоніка-ОДС 2000". Збірник тез доповідей міжнародної науково-технічної конференції, м. Вінниця, 2-5 жовтня 2000 року. – Вінниця: "УНІВЕРСУМ-Вінниця", 2000. – С.108–109.

10. Лысенко Г.Л., Суприган В.А. Модель ячейки входной логики цифрового оптоэлектронного процессора обработки изображений // 3-я Міжнародна НТК "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці". – Львів. – 1999. – С.150–151.

11. Лисенко Г.Л., Тужанський С.Є., Суприган В.А. Математичне моделювання паралельної передачі даних по ВОЛЗ // У збірнику тез доповідей Міждержавної науково-методичної конференції "Комп'ютерне моделювання". – Дніпродзержинськ: Дніпродзержинський державний технічний університет (редакційно-видавничий відділ). – 2000. – С. 118–119.

12. Лисенко Г.Л., Медин Аль-Раващдех, Суприган В.А. Комп'ютерне моделювання приймально-передавальних модулів для ВОЛЗ // У збірнику тез доповідей Міждержавної науково-методичної конференції "Комп'ютерне моделювання". – Дніпродзержинськ: Дніпродзержинський державний технічний університет (редакційно-видавничий відділ). – 2000. – С. 116–117.

АНОТАЦІЯ

Суприган В.А. Схемотехнічні засоби побудови оптоелектронних інтегральних схем обробки зображень. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. – Вінницький державний технічний університет, Вінниця, 2000.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню оптоелектронних інтегральних схем для попереднього оброблення зображень.

Наведено аналіз оптичних та оптоелектронних методів оброблення зображень, аналіз сучасних технологій виготовлення оптоелектронних інтегральних схем та аналіз елементної бази оптоелектронних інтегральних схем.

Одержано нові математичні моделі побудови розподілу поля діаграми направленості масиву світловипромінювачів оптоелектронної інтегральної схеми, що описують процес паралельного передавання даних у когерентних та некогерентних волоконно-оптичних лініях зв'язку. Вперше одержано математичні моделі побудови оптоелектронних інтегральних схем оброблення зображень, які дають змогу визначити рівні оптичних сигналів при паралельному передаванні зображень.

Розроблено та досліджено прилад паралельного передавання зображень для цифрового оптоелектронного процесору позрізового оброблення зображень та процесору попарного сортування даних.

Ключові слова: оптоелектронна інтегральна схема, паралельне передавання зображень, попередня обробка зображення, оптоелектронний процесор.

ABSTRACT

Supryhan V.A. Scemotechnique of a construction tools optoelectronic integrated schemes of image processing. – Manuscript.

Thesis on receiving scientific degree of the candidate technical sciences on a speciality 05.13.05 – elements and devices of the computing machinery and managerial system. – Vinnitsa State Technical University, Vinnitsa, 2000.

The thesis is devoted to development and research optoelectronic integrated schemes of image processing.

The analysis optical and optoelectronic methods of image processing, analysis of modern technologies of production optoelectronic integrated schemes and element base of optoelectronic integrated schemes are carried out.

The new mathematical models of construction of distribution of a field of the directional diagram of an array light-emitters of optoelectronic integrated scheme are obtained which describe process of parallel data transfer in coherent and noncoherent fiber-optical communication lines. Mathematical models of construction optoelectronic integrated schemes for image pre-processing are obtained which enable to determine levels of optical signals by parallel transmission of images.

The device of parallel images transmission for digital optoelectronic processor with slice image processing and processor bitwise data sorting is investigated and developed.

Key words: optoelectronic integrated scheme, parallel images transmission, pre-processing of images, optoelectronic processor.

АННОТАЦИЯ

Суприган В.А.. Схемотехнические средства построения оптоэлектронных интегральных схем обработки изображений. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 – элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. – Винницкий государственный технический университет, Винница, 2000.

Диссертация посвящена разработке и исследованию оптоэлектронных интегральных схем для устройств параллельной передачи изображений в цифровых оптоэлектронных процессорах для задач предварительной обработки изображений.

Проведен анализ оптических и оптоэлектронных методов обработки изображений, анализ современных технологий изготовления оптоэлектронных интегральных схем и элементной базы оптоэлектронных интегральных схем.

Показано, что на современной оптоэлектронной элементной базе эффективно выполняются операции предварительной обработки изображений, такие как: ввод-вывод, передача, поворот и масштабирование изображений. Для изготовления оптоэлектронных интегральных схем с размерами подложек 35ґ40 мм наиболее подходящая технология – молекулярно-лучевая эпитаксия. Для этой технологии подобран необходимый и достаточный набор элементов, для выполнения перечисленных операций предварительной обработки изображений, с возможностью составления секционированных экранов.

Для построения оптоэлектронных интегральных схем и на их основе устройств параллельной передачи изображений в цифровых оптоэлектронных процессорах получены новые математические модели построения распределения поля диаграммы направленности массива светоизлучателей оптоэлектронной интегральной схемы, которые описывают процесс параллельной передачи данных в когерентных и некогерентных волоконно-оптических линиях связи. Впервые получены математические модели построения оптоэлектронных интегральных схем обработки изображений, которые дают возможность определять уровни оптических сигналов при параллельной передаче изображений.

Разработана и исследована цифровая оптоэлектронная схема памяти для цифрового оптоэлектронного процессора посрезовой обработки изображений и устройство параллельной передачи изображений – память фиксации реакции для оптоэлектронного процессора сортировки данных попарно.

Размеры устройств – 32ґ32 точки, которые представляет собою операционный экран со способностью к агрегатированию для обработки изображений с большими размерами.

Разработано два типа операционных экранов: первый вариант имеет одноплоскостное положение элементов в ячейках, а второй вариант имеет положение элементов ячеек в трех плоскостях, для уменьшения площади ячеек и кристалла.

Для подтверждения теоретических результатов исследований проведена разработка макета с измерением рабочих характеристик Проведенный эксперимент на аналогах массивов светоизлучающих диодов, фотоприемников и волстрона, показал отклонения значений мощности логических уровней оптических сигналов на 20% по сравнению с числовым расчетом характеристик параллельной передачи и получения оптической информации оптоэлектронной интегральной схемой.

Ключевые слова: оптоэлектронная интегральная схема, параллельная передача изображений, предварительная обработка изображений, оптоэлектронный процессор.