4.2. ТРЕБОВАНИЯ К ДОКУМЕНТАМ, АВТОМАТИЧЕСКИ СЧИТЫВАЕМЫМ СИСТЕМОЙ

Документ является носителем информации, которая должна быть введена в ЭВМ в качестве исходных данных для той или иной программы, входящей в пакет прикладных программ (ППП) САПР. Например, принципиальная электрическая схема определенного узла радиоаппаратуры может рассматриваться как исходные данные для таких программ, как моделирование, генерация диагностических тестов узла, алгоритмическое конструирование платы печатного монтажа, на которой будет реализован узел, и ряда других

К документам, предназначенным для автоматического чтения, предъявляются противоречивые требования. С одной стороны, изображение на нем должно легко восприниматься человеком, а с другой — системой автоматического чтения. Это означает, в первую очередь, что условные графические обозначения (УГО), используемые как фрагменты изображения, должны быть привычными для человека. В случае принципиальных электрических схем — это УГО элементов схемы, обозначения электрических связей, символы и строки символов, регламентированные соответствующим ГОСТ. Следует отметить, что документы, предназначенные для ввода в ЭВМ, как правило, изготовляются человеком вручную. Вследствие этого изображение может существенно отличаться от идеального. Конкретные отклонения от идеального проявляются, в частности, в том, что вместо прямой линии на эскизе, чертеже или схеме присутствует волнистая или встречаются «недоводы», «переводы» линий. Характер написания символов также варьируется в широких пределах. При этом их начертание зачастую значительно отличается от регламентируемого стандартами, однако человек не испытывает затруднений в восприятии информации.

В свою очередь системы автоматического чтения графической информации весьма чувствительны к отклонениям изображения от идеального. Это не означает, что они не могут правильно воспринимать изображения, содержащие дефекты. Однако следует отдавать отчет в том, что сложность систем, обладающих способностью

игнорировать дефекты исполнения документа человеком и правильно считывать информацию, существенно выше по сравнению с системами, такими способностями не обладающими. Конкретно это может трансформироваться в более высокие аппаратурные затраты или в увеличение затрат времени на реализацию алгоритмов обработки. Тем не менее никакая из технических систем сегодняшнего дня или ближайшего будущего не в состоянии конкурировать с человеческими способностями в восприятии реальных графических изображений, т. е. любой системе автоматического чтения можно предложить для обработки документ такого исполнения, что она не справится с его обработкой, в то время как человек легко прочитает этот документ.

Сказанное выше неизбежно заставляет сделать вывод о том, что чертежи, схемы, эскизы, предназначенные для автоматического считывания, должны удовлетворять определенным требованиям к качеству их исполнения. Разработка таких требований представляет собой непростую задачу и должна выполняться индивидуально для каждого типа документа. При этом необходимо учитывать: технические характеристики растровой аппаратуры считывания, приемлемость требований к исполнению документа для конструктора, его разрабатывающего, а также насколько изменится сложность, быстродействие алгоритмов обработки при введении (снятии) тех или иных требований к изображению или введении (запрете) тех или иных изобразительных средств.

Опишем требования к изображениям на эскизах слоев топологии (ЭСТ) плат печатного монтажа, как пример требований к документу, предназначенному для автоматического ввода. Необходимость в считывании информации с ЭСТ плат печатного монтажа (ППМ) связана с автоматизацией проектирования и изготовления фотошаблонов ППМ. Алгоритмическое размещение элементов на плате и трассировка соединений на ней успешно решает задачу лишь при проектировании многослойных ППМ. В случае же одно- и двухслойных ППМ ЭВМ пока уступает человеку-конструктору, поэтому решение задачи конструирования платы возлагается на человека, а решение последующих в технологической цепи проектирования задач (генерация изображения фотошаблона, изготовления перфоленты для сверлильного станка с числовым программным управлением, выпуск графической документации на фотошаблон и плату и т. д.) поручается машине. Свой результат конструктор оформляет в форме ЭСТ ППМ.

Изображение на ЭСТ ППМ состоит из условных графических обозначений контактных площадок для выводов навесных элементов (микросхем, резисторов, транзисторов, реле и т. д.), границ областей металлизации требуемой формы, указателей трасс нроложения печатных проводников. С помощью перечисленных изобразительных средств можно создать рисунок топологии слоя любой платы. Приведенный перечень не содержит таких составляющих, как символы, хотя очи встречаются на реальных платах. Дело в том, что изображения символов можно создать средствами

описания трасс печатного проводника. Особенностью эскиза является то, что в нем применяется координатная сетка для метрической привязки элементов изображения. Шаг координатной сетки равен 5 или 2,5 мм, если для исполнения ЭСТ выбран масштаб 4 : 1 или 2: 1 соответственно. Метрическая привязка УГО контактных площадок осуществляется путем помещения центра УГО в узел координатной сетки (КС). Для остальной части изображения эскиза привязка производится лишь для точек излома линий рисунка. Такие точки также должны быть помещены в узлы КС.

Рассмотрим, что представляют собой изобразительные средства для перечисленных выше элементов рисунка на ЭСТ. Контактные площадки круглой формы (КПКФ) изображаются в виде крестов, центры которых совпадают с узлами КС (рис. 4.2,а,б).

Рис. 4.2. Изображения контактных площадок круглой формы на ЭСТ

Горизонтальный и вертикальный штрихи креста имеют длину 1 дискрет, т. е. расстояние между концами штриха равно расстоянию между соседними линиями КС (5 мм при масштабе 4 : 1). В связи с тем, что КПКФ могут быть нескольких типов, различающихся диаметром области, которую занимает контактная площадка, необходимо их различать. Делают это с помощью группы точек, помещенных в узлах КС и расположенных на сторонах минимального по размеру квадрата из линий КС, охватывающего центр креста КПКФ. Длина стороны квадрата равна 2 дискретам. Число точек в группе указывает тип КПКФ (рис. 4.2, в,г). В табл. 4.1 показана связь между типом контактной площадки и ее диаметром.

Печатные проводники изображаются на эскизе отрезками прямых линий четырех направлений: горизонтальное, вертикальное и два диагональных, т. е. проходящие под углами, кратными 45° к линиям КС. Горизонтальные и вертикальные отрезки проводятся только по линиям КС, а диагональные — через узлы КС. Точки изломов, разветвлений линий, изображающих печатные проводники (ПП) должны совпадать с узлами КС. В связи с тем, что ширина проводника на различных участках может отличаться, необходимо разделять изображение ПП на участки однородности, т. е. участки одинаковой ширины, и снабжать их указателями ширины.

Разделение изображения ПП на участки однородности осуществляется с помощью указателей границ однородности (УГРО), которые подразделяются на условные и абсолютные. Условными УГРО могут служить излом проводника и разветвление проводника.

Таблица 4.1

Таблица 4.2

Абсолютный УГРО представляет собой отрезок прямой, имеющий длину 1 дискрет (для горизонтальных и вертикальных проводников эта длина равна расстоянию между соседними линиями КС, для диагональных проводников — длине диагонали элементарной клетки, образованной четверкой соседних линий КС). Такой отрезок одним концом исходит из точки, лежащей на проводнике и являющейся границей изменения однородности. Граница изменения однородности обязательно должна располагаться в одном из узлов КС. Направление проведения штриха абсолютного УГРО должно выбираться перпендикулярно к ориентации проводника в точке, из которой он исходит. В случае, если в точке нарушения однородности проводник претерпевает излом или разветвляется, достаточно, чтобы штрих УГРО был перпендикулярен одной из ветвей проводника, подходящей к этой точке.

Указатель ширины (УШ) представляет собой группу точек, размещаемых в разрыве линии печатного проводника. Число точек связано со значением ширины (табл. 4.2). Если одна из точек группы заменена штрихом (длина 1 дискрет), направленным перпендикулярно линии проводника, то тогда УШ рассматривается как доминирующий, в противном случае — как простой. Действие доминирующего указателя распространяется в обе стороны от него и прекращается при встрече с абсолютным УГРО и при переходе через условный УГРО, содержащий простой указатель ширины.

Действие простого УШ, как и в случае доминирующего указателя, распространяется в обе стороны от него и прекращается при встрече с абсолютным УГРО и при встрече с условным УГРО, если по другую сторону УГРО действует доминирующий УШ, либо если на отрезке ПП, прилегающем ,к УГРО с другой стороны, размещен простой УШ. На рис. 4.3 показан фрагмент ЭСТ для печатного проводника и соответствующий ему фрагмент вида ПП.

Особенностью реальных плат печатного монтажа является то, что в большинстве случаев печатные проводники на них выполняются одной и той же ширины. С учетом этого обстоятельства любая указанная в табл. 4.2 ширина может быть объявлена основной, что избавляет пользователя от явного проставления УШ основного типа для соответствующих участков ПП. В максимальной

степени это удобство проявляется, когда на ЭСТ все ПП выполняются одной из той же ширины, так как при этом, кроме предварительного объявления ширины основного типа, не нужно проставлять УШ для ПП и разделять ПП на участки однородности. Объявление ширины ПП основного типа делается пользователем перед сеансом ввода ЭСТ в форме соответствующего сообщения программе обработки изображения.

Рис. 4.3. Печатный проводник: а — фрагмент эскиза, б — фрагмент печатной платы

Аналогичная ситуация имеет место и для контактных площадок, так как часто большинство КПКФ одного и того же эскиза относится к одному типу. В связи с этим пользователь имеет возможность любой тип КПКФ объявить основным. Для УГРО КПКФ основного типа точечные указатели типа отсутствуют.

Поскольку на ППМ могут встречаться сплошные области металлизации, необходимо дать конструктору возможность изобразить их на эскизе. Эти области изображаются системой замкнутых контуров. Любой из таких контуров может быть внутренним либо внешним, что определяется указателем контура (УК), которым служит отрезок прямой длиной 1 дискрет. Один из его концов должен находиться на линии контура в узле КС и составлять с ней угол 45°. Свободный конец УК, если контур внешний показывает область, расположенную внутри внешнего контура, а если контур внутренний — свободный конец УК показывает охватывающую область. Каждый контур должен иметь по крайней мере один УК, хотя допустимо снабжать его несколькими (разумеется, не противоречащими один другому).

Линии контуров изображаются отрезками вертикальных, горизонтальных и диагональных линий, проходящими по линиям КС. Любые отрезки должны начинаться и завершаться в узлах КС. Пространство между внешним контуром и содержащимися внутри него внутренними контурами (если таковые имеются) рассматривается как пространство, подлежащее металлизации (рис. 4.4).

При разработке слоя топологии платы печатного монтажа конструктору часто приходится использовать типовые фрагменты изображения, которые сами могут быть достаточно сложными рисунками. Для упрощения задачи конструкторов вводятся дополнительные средства изображения - элементы библиотечного типа (ЭБТ).

Под ними подразумеваются группы элементов, форма и взаимное расположение которых фиксированы. Примерами таких групп могут служить ряд контактных площадок (КП), микросхемы определенного типа или совокупность КП для разъема. На эскизе такие группы изображаются в виде площадки, вместо которой в конечный результат обработки эскиза подставляется подразумеваемая группа. Для простоты изложения ограничимся примерами ЭБТ для изображения одного ряда КП микросхем с планарными выводами.

Рис. 4.4. Изображение области металлизации на ЭСТ

Рис. 4.5. Элементы библиотечного типа для контактных площадок микросхем с планарными выводами: а — фрагмент печатной платы; б — фрагмент эскиза

Границы ЭБТ одного ряда КП имеют вид прямоугольника, ширина которого равна 1 дискрет [отметим, что реальное изображение КП имело бы несколько больший размер, примерно, 1,5 дискрета (рис. 4.5)]. Длина прямоугольника зависит от типа корпуса микросхем.

Крайние контакты в группе КП изображаются короткими сторонами прямоугольников, остальные предполагаются отстоящими от соседних на 1 дискрет КС. Если какие-либо смежные контакты группы соединены между собой, то такая связь изображается наклонным отрезком, проведенным внутри прямоугольника слева направо, сверху вниз и соединяющим узлы, лежащие на линиях КС, соответствующих соединяемым КП. На рис. 4.6 приведен пример ЭСТ и соответствующее ему изображение слоя топологии на реальной плате (рис. 4.7).

Изобразительные средства исполнения ЭСТ, описанные выше, достаточно близки средствам, употребляемым для выполнения сколочного эскиза. По этой причине они являются привычными и удобными для конструктора. Опыт работы с ЭСТ, предназначенными для автоматического чтения, показывает, что в изготовлении они не сложнее сколочиых эскизов.

Как отмечалось выше, при разработке требований к ЭСТ необходимо учитывать особенности аппаратуры растрового считывания. В частности, разрешающая способность устройства накладывает ограничения на минимальную толщину линии изображения. При этом необходимо, чтобы на интервале длины, равной минимальной толщине линии, укладывалось два отсчета устройства. Так, например, для аппаратуры растрового считывания, описанного в § 2.1, ширина линии была бы не менее 0,5 мм

Рис. 4.6 Эскиз слоя топологии платы печатного монтажа

Рис. 4.7 Плата печатного монтажа

Существенную роль играет цвет красителя, которым наносятся линии на документ. Большая часть устройств, предназначенных для считывания документов, способна считывать лишь черно-белые изображения Например, в случае применения фототелеграфного аппарата «Ладога» (см. § 2.1) черный, синий, фиолетовый цвета воспринимаются как черный, а белый, желтый, светлооранжевый — как белый. При использовании такого рода аппаратуры возникает проблема считывания координатной сетки ЭСТ, с помощью которой, как уже упоминалось ранее, осуществляется метрическая привязка элементов изображения Суть проблемы состоит в том, что цветовое различие между линиями КС и линиями изображения исчезает при растровом считывании ЭСТ аппаратурой черно-белого восприятия. Неприемлем и способ различения линий сетки и линий изображения топологии, основанной на существенном отличии их по толщине, так как при этом линии изображения должны иметь чрезмерно большую толщину.

Выходом из положения является применение системы базовых линий (БЛ), снабженных координатной разметкой. Система БЛ представляет собой прямоугольник, внутри которого заключено поле изображения документа. От каждой из БЛ, перпендикулярно ей, внутрь прямоугольника, составленного из БЛ, отходят риски длиной 5 мм. Расстояние между соседними рисками, расположенными на одной и той же БЛ, равно шагу координатной «етки. Назначение рисок — обозначить линии КС Система БЛ показана на рис. 4.8

Рис. 4.8. Базовые линии на ЭСТ

Учет особенностей аппаратуры растрового ввода оказывает влияние и на выбор УГО, применяемых на документе. В частности, описанная выше система обозначения для ЭСТ не допускает углов схождения линий, меньших 45°. Это существенно уменьшает эффект «заплывания» области, размещаемой внутри острого угла при его вершине Последнее упрощает обработку изображений после растрового считывания. Предложенные для ЭСТ основные элементы изображения сконструированы из таких компонентов, как отрезки прямых. Причем эти прямые могут иметь только одно из четырех направлений, что создает существенные предпосылки для более простой алгоритмической обработки.

При формировании требований к ЭСТ конкретизация положения о том, что изготовление эскиза должно удовлетворять определенным требованиям, заставляет включать в их число пункты дисциплинирующие исполнителя эскиза, а именно, разрывы в линиях не должны превышать 1 мм, «переводы» линий не должны быть больше 1 мм, отрезки прямых не должны отклоняться от идеальных прямых более чем на 1 мм.

Сказанное относительно эскизов слоев топологии плат печатного монтажа дает представление о том, каким должен быть документ, предназначенный для автоматического чтения. Создание системы автоматического чтения для другого типа документа в каждом случае требует, как отмечалось выше, специального рассмотрения.