АВТОМАТИЗАЦИЯ
ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
В.А.Сойфер
Излагаются
принципы дается обзор методов и средств автоматизации топографического
эксперимента на основе применения ЭВМ.
1.
Введение
Прогресс,
достигнутый в области теории и средств автоматизации научных
исследований на основе применения ЭЕМ за последние несколько
лет, сделал практически реализуемой автоматизацию целого
ряда лабораторных установок, предназначенных для получения
голограмм, интерферограмм, теневых картин и других оптических
полей распределения интенсивностей.
Говоря
об указанном классе задач, будем для краткости и в расчете
на наиболее сложный случай говорить о голографическом эксперименте.
Целью
данной работы является анализ существующих методов и средств
автоматизации голографического эксперимента, в результате
которого формируется общая методология построения таких
систем и даются практические рекомендации к алгоритмизации
задач и выбору технических средств и математического обеспечения.
Последующий обзор средств ни в коей мере не претендует на
полноту и может служить лишь кратким путеводителем по оригинальным
публикациям и узкотематическим обзорам, ссылки на которые
приведены в списке литературы.
2.
Средства автоматизации голографического эксперимента
При
создании систем автоматизации голографического эксперимента
приходится иметь дело со сложным комплексом оптической,
электронной и вычислительной техники: преобразователи оптических
-
210 -
сигналов
в электрические; средства сбора, аналого-цифрового преобразования
и ввода электрических сигналов в ЭВМ; собственно ЭВМ и устройства
вывода и отображения информации.
2.1.
Преобразователи оптического сигнала в электрические сигналь-
и коды ЭВМ
Несмотря
на огромное многообразие рассматриваемых преобразователей,
все они в рассматриваемом здесь аспекте имеют одинаковое
функциональное значение: преобразовать оптическое поле распределения
яркостей в многоканальный электрический сигнал.
Для
автоматизации голографического эксперимента практический
интерес представляют следующие типы преобразователей:
-
микроденситометры (МД);
-
устройства телевизионного типа;
-
матрицы фотодетекторов;
-
приборы с зарядовой связью.
Микроденситометры
в этом списке занимают особое место. Они предназначены для
измерения оптических плотностей почернений на проявленных
черно-белых фотоматериалах /1/. (Существуют МД цветных фотоматериалов).
Таким образом, применение МД для автоматизации голографического
эксперимента предполагает апостериорную обработку подученных
в ходе эксперимента и проявленных фотопленок и фотопластинок.
На сегодня существует значительное число различных типов
МД, выпускаемых промышленностью.
Тенденция
развития устройств данного типа заключается в создании автоматических
МД, сопряженных с ЭМ /2,3/.
Преобразователи
распределения интенсивности света в электрические сигналы.
К ним, в частности, относятся видиконы, матрицы фотодетекторов
(МФД) и приборы с зарядовой связью (ПЗС). Перечисленные
преобразователи соответствуют идеологии систем автоматизации
эксперимента, поскольку обладают следующими отличительными
особенностями:
-
преобразуют в электрический сигнал непосредственно поле
яркостей (распределение интенсивности) света, т.е. позволяют
избежать фотопроцесса;
-
характеризуются малым временем считывания элемента
-
211 -
изображения;
-
обеспечивают управление процессом преобразования и считывания.
Указанные
особенности позволяют вести обработку данных голографического
эксперимента в режиме, близком к реальному времени. Некоторые
характеристики рассматриваемых типов преобразователей оптического
сигнала приведены в таблице 1.
К
сожалению, приведенные в различных источниках /4-8/ характеристики
оптических преобразователей значительно отличаются друг
от друга, что сильно затрудняет их сравнительный анализ.
К
настоящему времени разработан ряд автоматизированных преобразователей
оптического сигнала, позволяющих осуществлять программно-управляемый
ввод оптического поля распределения интенсивности света
в память ЭВМ. Однако практически все эти устройства выполнены
в виде опытных образцов и не выпускаются отечественной промышленностью.
Разнообразен перечень ЭВМ, в которые осуществляется ввод
информации и организация взаимодействия оптического преобразователя
с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и ЭВМ. В таблице
2 приведены характеристики некоторых автоматизированных
преобразователей оптического сигнала. Завершая краткое рассмотрение
устройств преобразования и ввода в ЭЕМ оптических сигналов,
заметам, что в настоящее время существует широкий класс
устройств, имеющих обратное функциональное назначение: устройства
вывода изображений из ЭВМ. В частности, оптико-механические
прецизионные устройства /1-4/, полутоновые дисплеи на ЭЛТ
/11/ и целый ряд других преобразователей /12/.
2.2.
Измерительно-вычислительные комплексы для автоматизации
эксперимента
Идея
автоматизации эксперимента на основе применения ЭВМ не нова,
однако практическая реализация ее стала возможной лишь в
последние годы, благодаря появлению мини-ЭВМ, микро-ЭВМ
и унифицированных модульных средств сбора и обработки данных.
В нашей стране создано уже несколько десятков автоматизированных
систем научных исследований различного класса.
-
212 -
Таблица
1
Характеристики
оптических преобразователей
|
Тип
|
Линейное
разрешен, лин/мм
|
Размер
поля
|
Рабочая
область спектра, мкм
|
Чувствительность
|
Быстрод.
(постоянная времени), с
|
Тип
выходного сигнала
|
Отличительные
особенности и источники погрешностей
|
|
Видикон
ПЗС
МВД
|
400-800
40-80
40-80
|
от
5х5 до
20х20
мм2
105
– 106 элементов
103
- 105
|
0,4-0,8
0.7-3,6
(в зависимости от полупроводников)
0,5-5,5
|
Минимальн.
освещенность
0,1
лк
Порог
экспозиции 10 лк
6-7
ма/л
|
10-1
10-7
10-8
|
Последовательность
видеоимпульсов
Последовательность
видеоимпульсов
Постоянное
напр.
или последовательность
видеоимпульсов
|
Нелинейные
геометрические искажения растра единицы, %. Неоднородность
фотоответа единицы,%
Неоднородность
фотоответа и искажения растра весьма малы.
Обладает
памятью
Разброс
фотоответа между
ячейками
достигает
10-20%
|
-
213 -
Таблица
2
Характеристики
автоматизированных преобразователей оптического сигнала
|
Наименование
устройства
|
Оптический
преобразователь
|
Число
вводимых отсчетов
|
Время
ввода информации
|
Конструкция
|
С
какой ЭВМ сопрягается
|
Разрядность
АЦП
|
Изготовитель
|
|
Электронное
автоматическое устройство ввода изображений (УВИЗ)
/9/
УВИЗ
с ПЗС /10/
Цифровой
преобразователь видеосигнала
(ЦПВ)
|
Видикон
Матрица
ПЗС
Видикон
|
500х500
256х256
от
1 до 256х256
|
20
сек
62,5
мс
4.21
сек/кадр
|
Отдельное
устройство
Отдельное
устройство
Модуль
шириной 3 м
в
стандарте КАМАК
|
ЕС
ЭВМ
Электроника-100
Электроника-60,
СМ-3, СМ-4
|
5
2-10
8
|
ВНИИ
оптико-физических измерений
Ленинградский
политехнический институт
Куйбышевский
авиационный институт
|
-
214 -
Первые
отечественные мини-ЭВМ появились в 60-х годах и с тех пор
непрерывно прогрессируют. Наиболее представительным классом
среди них является СМ ЭВМ. В работе /13/ отмечается, что
современные СМ ЭВМ предназначены для построения проблемно-ориентированных
измерительно-вычислительных комплексов (ИВК), в их отличают:
высокая производительность в конкретных условиях применения;
широкие возможности ввода-вывода информации; простота программирования,
возможность комплексирования и т.п.
Возможность
применения СМ ЭВМ для автоматизации экспериментов расширяется
путем подключения к ним микро-ЭВМ. При этом микро-ЭВМ замыкаются
на конкретные экспериментальные установки и осуществляют
функции сбора и первичной обработки экспериментальных данных,
а СМ выполняют функции центральной ЭВМ, осуществляющей полную
обработку информации и управление экспериментом.
Системы
автоматизации голографических экспериментов отличает сложный
характер измеряемых сигналов, высокая размерность обрабатываемых
массивов данных, сложность алгоритмов обработки, специфические
требования к отображению результатов расчета и управлению
ходом эксперимента.
Сложные
оптико-механические экспериментальные установки, на которых
проводятся голографические эксперименты, требуют наличия
гибких средств сопряжения экспериментальной аппаратуры с
ЭВМ (в частности оптических преобразователей), широкого
набора модулей ввода-вывода сигналов, средств отображения,
передачи и хранения информации.
Сопряжение
ЭВМ с экспериментальной аппаратурой наиболее эффективно
решается на базе технических средств, выполненных в стандарте
КАМАК /13,14/. КАМАК - это совокупность стандартов на логическую,
электрическую и конструктивную реализацию устройства обмена
данными между измерительными приборами и Эbm. Система КАМАК
не ориентирована на какой-либо конкретный тип ЭВМ и может
работать с любой ЭВМ при наличии соответствующего контроллера.
КАМАК имеет модульную структуру и конструктивно оформляется
в виде автономного блока (крейта) - каркаса с источником
питания и 25 установочными местами под модули, имеющие стандартные
-
215 -
86-контактные
разъемы. Размер передней панели одного модуля 221х17,2 мм.
Первые 23 места в крейте предназначены для подключения функциональных
модулей kauak, оставшиеся два отводятся под контроллер,
осуществляющий связь крейта с ЭВМ. На базе СМ ЭВМ и средств
КАМАК в СССР создан ряд измерительно-вычислительных комплексов
(ИВК) для автоматизации научных экспериментов /13/, однако
ни один из них в полной мере не соответствует автоматизации
голографического эксперимента, в частности, не содержит
устройств ввода-вывода изображений.
2.3.
Структура системы автоматизации годографического эксперимента
Рассмотрим
лабораторию, оснащенную установками класса УИГ-2М, СИН,
КОМ /15/. Нам представляется целесообразным построение двухуровневой
системы автоматизации эксперимента. Низший уровень образуется
локальными системами автоматизации каждой из установок.
Локальная система базируется на ЭВМ "Электроника"-60 и крейте
КАМАК. Среди модулей крейта имеется модуль преобразования
оптического сигнала ЦПВ (см. таблицу 2). Внешняя память
представляет собой накопитель на магнитной ленте ИЗОТ 5003.
Пульт исследователя содержит алфавитно-цифровой дисплей
"Видеотон-340", графопостроитель типа "Планшет", фотосчитыватель
fs -1501, устройство печати ДАРО или КОНСУЛ /13/. Желательно
также иметь полутоновый и графический дисплеи на базе ЭЛТ,
имеющие блоки управления и автономную память, выполненные
в стандарте КАМАК. Перечисленные внешние устройства при
соответствующей организации обменов могут использоваться
в двух или более локальных системах автоматизации. Блок-схема
локальной системы автоматизации изображена на рис.1.
Верхний
уровень системы автоматизации голографического эксперимента
базируется на ИВК-2. Обмен данными между ИВК-2 и локальными
системами осуществляется через магистраль КАМАК. Комплекс
ИВК-2 /13/ базируется на ЭВМ СМ-4 и оформлен в виде трех
стандартных строек СМ ЭВМ со встроенными в одну из строек
двумя крейтами КАМАК, имеется терминал оператора и устройство
широкой печати. Для решения задач сбора данных и управления
-
216 -
Рис.1.
Блок-схема системы автоматизации топографического эксперимента.
-
217 -
голографическим
экспериментом в состав ИВК-2 должен входить полутоновый
дисплей и прецизионное устройство ввода-вывода изображений
4.
Математическое
обеспечение нижнего уровня целесообразно базировать на языках
quasic /16/ и Ассемблер.
Прикладное
математическое обеспечение верхнего уровня системы представляет
собой версию пакета прикладных программ обработки изображений
и цифровой голографии /17/ в операционной системе ДОС СМ.
Система
автоматизации голографического эксперимента, структура которой
здесь кратко описана, разрабатывается в настоящее время
в Куйбышевском авиационном институте.
3.
Заключение
Прежде
всего резюмируем основные результаты этой работы:
-
широкий класс голографических экспериментов остро нуждается
в автоматизации на основе применения ЭВМ;
-
современные ЭВМ и технические средства автоматизации эксперимента
позволяют автоматизировать голографический эксперимент.
Наиболее подходящими для этой цели являются двухуровневые
измерительно-вычислительные комплексы, включающие мини-
и микро-ЭВМ "Сm-4", "Электроника-60" и аппаратуру КАМАК;
-
ориентируясь на системы, реализующие режим реального времени,
следует применять для ввода в ЭВМ оптические преобразователи
телевизионного типа и матрицы фотодиодов.
Наиболее
актуальной задачей в рассматриваемой области является на
сегодня создание локальных систем автоматизация выпускаемых
промышленностью голографических и интерферографических установок.
Такие систем целесообразно строить на базе микро-ЭВМ "Электроника-60",
оснащенных телевизионными устройствами ввода и вывода изображений,
а также стандартными средствами ьечати и графопостроителями.
При создании таких систем необходима координация, обеспечивающая
совместимость создаваемых технических и программных средств.
-
218 -
Литература
1.
М.П.Гришин, Ш.М.Курбанов, В.П.Маркелов. "Автоматический
ввод и обработка изображений с применением ЭВМ, М., "Энергия",
1976.
2.
Л.А.Браилко, m.П.Гришин и др. Автометрия, 2, 85, 1978.
3.
Л.П.Ярославский, Н.С.Мерзляков. Методы цифровой топографии.
М., "Наука", 1977.
4.
С.Т.Васьков, Л.В.Выдрин и др. Автометрия, 2, 86, 1977.
5.
Ю.Г.Якушенков. Основы оптико-электронного приборостроения.
М., Сов.радио, 1977.
6.
Ю.Р.Носов, В.А.Шилин. Полупроводниковые приборы с зарядовой
связью. М., Сов.радио, 1976.
7.
Ю.Р.Носов. Оптоэлектроника, М., Сов.радио, 1977.
8.
Г.М.Богданов. Прикладные телевизионные установки, М., Связь,
1979.
9.
В.Е.Арефьев и др. В сборнике "Дистанционные и информационно-измерительные
системы", Автомиздат , стр.142-148, 1980.
10.
Н.А.Есенкина, Б.А.Котов, Ю.А.Котов, А.В.Михайлов, В.Ю.Петрунькин,
С.В.Прусс-Жуковский. Гибридная оптико-цифровая система для
спектрального анализа радиосигналов, Автометрия, № 3, стр.50-54,
1978.
11.
А.А.Болтянский, В.Г.Любимкин, В.Р.Михайлов, А.Н.Поручиков.
Построение проблемно-ориентированных модульных подсистем
отображения информации для автоматизации научных исследований.
Вопросы кибернетики. М., стр.64-74, 1979.
12.
Оптическая обработка информации (под ред.Кейсесента), М.,
"Мир", 1980.
13.
Малые ЭВМ и их применение (под ред.Б.Н.Наумова), М., "Статистика",
1980.
14.
Что такое КАМАК? Оперативный информационный материал. СО
АН СССР, Новосибирск, 1978.
15.
Голография. Методы и аппаратура (под ред.В.М.Гинзбург и
Б.Н.Степанова), М., "Сов.радио", 1974.
16.
Л.И.Подольский. Система quasic для программирования на мини-ЭВМ
АН СССР, г.Пущино, 1979.
17.
Пакет прикладных программ обработки изображений и цифровой
голографии (КуАИ, 1979) ГФАП, .Алгоритмы и программы, 6,
38, 42.
