ГЛАВА 2. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ВВОДА ИЗОБРАЖЕНИЙ

2.1. УСТРОЙСТВА ВВОДА НА ОСНОВЕ ФАКСИМИЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Широко применяемые для передачи факсимильных изображений по каналам связи и часто называемые факсимильными фототелеграфные аппараты (ФТАП) обладают свойствами, позволяющими создавать на их основе аппаратуру растрового считывания документов. Для этого требуется видеосигнал с выхода ФТАП подвергнуть АЦП-преобразованню, квантовать его во времени и полученную цифровую последовательность записать в память ЭВМ для последующей программной обработки.

В любом из применяемых в настоящее время фототелеграфных аппаратов [21] организуется сканирование изображения документа малым световым пятном. Отраженный от бумаги световой поток направляется на фотопреобразователь, с выхода которого снимается видеосигнал, несущий информацию об изображении.

Для сканирования световым лучом поверхности документа в одних типах ФТАП источник света вместе с оптической системой, формирующей тонкий луч, механически перемещается относительно поверхности бумаги. В других системах используется перемещение луча путем качания с помощью системы зеркал. Перемещение пятна по поверхности в одном измерении, согласованное с его движением в другом, создает растровую развертку. Одной из наиболее распространенных является развертка, получаемая сочетанием вращения цилиндра с закрепленным на его поверхности документом и перемещением световой головки вдоль образующей цилиндра. Согласование осуществляется с помощью ходового винта.

Известны системы развертки, в которых перемещение пятна вдоль строки документа обеспечивается качанием светового луча, а перемещение в другом измерении — протяжкой документа через вращающиеся валики. Согласование этих перемещений обеспечивается редуктором. Поскольку ФТАП предназначены для использования в каналах связи, то обычно в них имеются блоки для приведения исходного сигнала к форме, которая позволяет использовать канал. К ним относятся блоки модуляции несущей частоты (AM, ЧМ), тракты усиления сигнала, блоки введения в синхронизм передающего и приемного аппарата и др. Очевидно, что в случае использования ФТАП для передачи информации в машину, эта часть аппаратуры не нужна. Поэтому доработка аппарата при его связывании с ЭВМ включает отсечение лишних в этом случае блоков.

Фототелеграфные аппараты обладают рядом преимуществ по сравнению со сканерами, построенными на иных принципах, К

ним относятся практическое постоянство коэффициента оптико-электрического преобразования по всему полю изображения, высокая линейность развертки и хорошая надежность устройства

Первое из вышеперечисленных качеств облегчает создание узла АЦП-преобразования и позволяет избежать искажения информации при выполнении такого преобразования. Это свойство приобретает особую значимость для аппаратов растрового считывания изображения (сканеров) с черно-белых документов, так как при этом целесообразно АЦП-преобразование сводить к квантованию на два уровня, а при этом ошибки приведения к фиксированным уровням трудноустранимы на этапах последующей обработки. У сканеров других типов, для которых коэффициент оптико-электрического преобразования не постоянен по полю изображения, построение качественного АЦП-узла представляет непростую задачу. Второе свойство дает возможность легко избежать искажения при чтении документа, которые обычно называют геометрическими.

К числу недостатков ФТАП следует отнести: жесткие ограничения на размеры документов, с которых считываются изображения; фиксированное значение разрешающей способности, большое время считывания.

Тем не менее для многих случаев отмеченные недостатки не препятствуют использованию факсимильного аппарата в качестве сканера при чтении документов с помощью ЭВМ. В частности, оказывается возможным применять его как техническое средство в составе автоматизированного рабочего места (АРМ) проектировщика для ввода производственных документов, выполненных вручную (эскизов). Целесообразность такого применения ФТАП обосновывается также и тем, что устройство ввода в этом случае получается недорогим [44]. Сказанное вовсе не исключает привязку такого аппарата и к ЭВМ, не входящей в состав АРМ Это может оказаться полезным при отработке методов, положенных в основу программной обработки реальных изображений. Именно для этого была осуществлена привязка ФТАП «Ладога» к ЭВМ ЕС-1022 (ЕС-1020), описываемая ниже

Развертывающая система аппарата «Ладога» может работать в трех режимах со скоростями считывания 120, 90 и 60 строк в минуту. Максимальная длина строки вводимого документа 456 мм. Аппарат допускает два варианта междустрочного расстояния: 0,5 и 0,25 мм Апертура светового пятна круглого сечения на поле документа составляет 0,265 мм Длина документа практически не ограничена ЭВМ ЕС-1022 располагает мультиплексным каналом (быстродействие 125 кБод), селекторным каналом (0,5 МБод) и иногда может укомплектовываться каналом прямого доступа (1,3 МБод). Мультиплексный и селекторный каналы допускают мультиплексный и монопольный режимы. Для всех каналов обмен осуществляется байтами (8 бит).

Представляется целесообразным обеспечить одинаковый шаг развертки изображения как по ширине, так и по длине документа.

Ориентируясь на режим с межстрочным расстоянием 0,25 мм, так как он обеспечивает более высокую разрешающую способность, устанавливаем шаг отсчетов по строке равным 0,25 мм. При наивысшей скорости сканирования (120 строк в минуту) и длине строки 456 мм тактовая частота снятия отсчетов, обеспечивающая вышеупомянутый шаг квантования вдоль строки, составляет около 4,5 кГц. Следовательно, любой из каналов ЭВМ ЕС-1020 по быстродействию способен обеспечить связь устройства с процессов ром. В аппарате «Ладога» не предусмотрена возможность прерывания работы с момента начала передачи информации, т. е. при его взаимодействии с ЭВМ возможен только монопольный режиье использования канала.

Целесообразно организовать связь «Ладоги» и ЭВМ с помощью мультиплексного канала, поскольку использование селектор ного канала в монопольном режиме не уменьшает объем оборудования, но создает запрет на применение магнитных дисков, что нежелательно с точки зрения создателей программ обработки вводимой информации. Можно добиться существенного сокращения аппаратурных затрат на устройство управления ФТА, связанного с мультиплексным каналом, воспользовавшись контроллером одного из периферийных устройств машины, а ФТАП трансформировать в это периферийное устройство.

Менее загруженным обычно является ввод с перфоленты. Кроме того, управление этим устройством (FS-1501) наиболее простое что создает предпосылки для наименьших аппаратурных затрат при согласовании ФТАП с контроллером перфоленточного ввода (EC-6022). В связи с этим было решено создать устройство сопряжения (УС), которое совместно с ФТАП имитирует для ЕС-6022 работу FS-1501.

Аппарат «Ладога» был доработан: отключен тракт обработки сигнала, начиная с выхода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), и добавлены узлы выработки сигналов начала и окончания строки, срабатывающих непосредственно от засветки световым лучом фотодиодов. Включение таких узлов уменьшает разброс моментов возникновения сигналов начала прямого и обратного хода луча по сравнению с аналогичными сигналами аппарата, вырабатываемыми кулачковым механизмом, что повышает стабильность синхронизации. Следует отметить, что такая доработка сокращает длину строчки считывания аппаратом до 440 мм.

Устройство сопряжения ФТАП «Ладога» с ЭВМ через ЕС-6022 выполняет следующие функции.

1. Квантование видеосигнала изображения, поступающего с выхода ФЭУ аппарата на два уровня: черное и белое.

2. Квантование двухуровневого сигнала изображения во времени. В результате получается двоичная последовательность сигналов.

3. Преобразование последовательности двоичных сигналов в последовательность четырехразрядных двоичных кодов.

4. Формирование признака для каждого четырехразрядного кода. Признак может принимать следующие значения: 0, 1, 2, 3. Его назначение — характеризовать состояние хода светового луча в процессе сканирования. Признак используется в процессе программной обработки изображения.

5. Выдача последовательности байтов информации в ЕС-6020. Каждый байт включает в себя очередную четверку отсчетов и сопровождающий ее признак.

6. Прекращение выдачи последовательности байтов информаций в ЕС-6022 по сигналу СТОП из ЕС-6022.

Структурная схема устройства сопряжения (УС) представлена на рис. 2.1.

Считывание изображения устройством производится при работе ФТАП на скорости 120 строк в минуту с шагом 0,259. Все процессы в узле сопряжения синхронизируются от собственного кварцевого генератора 1 по двум синхросериям импульсов СИ1 и СИ2, формируемых с помощью счетчика делителя частоты 3. Серии сдвинуты одна относительно другой на половину периода. Видеосигнал изображения ВИДЕО с выхода ФЭУ аппарата «Ладога»

Рис. 2.1. Схема устройства сопряжения ФТАП «Ладога» с ЭВМ

поступает в компаратор 2, где квантуется на два уровня. С выхода компаратора квантованный видеосигнал поступает на вход регистра 5. Импульсами СИ1 видеосигнал квантуется по времени. Полученный последовательный код развертки изображения заносится в регистр 5. После внесения в регистр четырех битов изображения, до прихода очередного импульса занесения СИ1 вырабатывается импульс СИЗ, по которому происходит передача выходного байта в устройство ЕС-6022 (устройство управления вводом с перфоленты) через вентили 20—28 и преобразователи уровня 29—37.

Биты изображения выдаются в разряды 1р-4р через вентили 20—23 и преобразователи 29—32. После выдачи байта в регистр 5 заносятся следующие четыре бита изображения, и так далее. Элементами 9—14 формируется признак выходного байта.

Функционирование этой части схемы описывается ниже. В начале строки изображения луч ФТАП попадает на фотодиод, которым вырабатывается сигнал ФОХН через усилитель-формирователь 11, устанавливающий триггер 10 в нулевое состояние. Это свидетельствует о начале прямого хода луча аппарата. Триггеры 13 и 14 находятся в единичном состоянии. Формирователь 12 вырабатывает импульс, устанавливающий счетчик 4 в нулевое состояние и тем самым приводящий все устройство сопряжения в начальное состояние. Импульсом со счетчика 3 содержимое триггера 10 заносится в триггер 13 и он устанавливается в нулевое состояние. По окончании импульса сброса счет счетчиком 4 возобновляется, а значит, возобновляется прием битов изображения и выдача байтов в ЕС-6022. При этом в первом байте будет сформировано значение признака , равное .

Импульс, по которому выдается первый байт, занесет информацию с триггера 13 в триггер 14, установит его в нулевое состояние. В последующих байтах признак будет иметь нулевое значение Это продолжается до момента окончания строки, который определяется приходом импульса ОХ с фотодиода, установленного во ФТАП в крайней правой части зоны считывания. Этот импульс через формирователь 9 установит триггер 10 в единичное состояние, что говорит о начале обратного хода строки. Очередным импульсом со счетчика 3 в единичное состояние установится триггер 13. Последнее приведет к появлению байта в При выдаче такого байта по информационным шинам полубайта отсчетов изображения выдается нулевой код, т. е. байт имеет вид константы 00000111. Этот код устанавливается на панели ЕС-6022 в качестве признака конца записи. По нему происходит окончание операции ввода устройством ЕС-6022. Возобновление ввода осуществляется программой ввода еще до окончания обратного хода луча. Задним фронтом импульса СИЗ, формирующего признак конца записи, триггер 14 устанавливается в единичное состояние, и последующие байты, выдаваемые в ЕС-6022, до начала следующей строки, будут сопровождаться признаком

Сигнал СТОП, поступающий из ЕС-6022 через преобразователь уровня 16, элемент 18 и преобразователь уровня 19, вызывает остановку выдачи байтов в ЕС-6022, запрещая их прохождение в выходную шину через преобразователи 29—37. Запрет снимается по заднему фронту первого импульса СИЗ, приходящего после снятия сигнала СТОП.

В целом работа узла выглядит следующим образом. После сброса счетчика 4 начинается передача байтов строки изображения, причем первый байт снабжен признаком остальные — По окончании строки, т. е. с поступлением сигнала ОХ, выдается фиксированный байт который служит для устройства ЕС-6022 признаком конца записи. По этому признаку ЕС-6022 выдает в УС сигнал СТОП и выдача байтов в выходную шину блокируется. После обработки прерывания и приема ЕС-6022 новой команды ЧТЕНИЕ, сигнал СТОП снимается и возобновляется выдача байтов с признаком до начала очередной строки.

При разработке устройства сопряжения большое внимание было уделено узлу компаратора К (рис. 2.1). Он состоит из предварительного усилителя (ЯУ), оконечного усилителя (ОУ), амплитудного выпрямителя (АВ), формирователя (Ф) сигнала АРУ а собственно компаратора (КМП) (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Структурная схема узла компаратора

Видеосигнал изображения с выхода ФЭУ фототелеграфного аппарата поступает на вход предварительного усилителя — инвертора ПУ. Усиленный предварительным усилителем видеосигнал ВИДЕО имеет вид, представленный на рис. 2.3. Это напряжение положительной полярности, изменяющееся в диапазоне Если световой поток, приходящий на ФЭУ, равен нулю, то напряжение ВИДЕО определяется темновым током ФЭУ. Темновому току соответствует уровень Чем ярче участок изображения, тем больше ток ФЭУ и больше падение напряжения на нагрузочном резисторе ФЭУ. При считывании графического документа амплитуда ВИДЕО сверху ограничивается уровнем «бтах, т. е. сигналом от незаштрихованных участков бумаги, который изменяется в зависимости от сорта бумаги. Значение уровня «бшах постоянно всему полю изображения и зависит только от сорта бумаги. При работе с графическими документами амплитуда сигнала ВИДЕО от зачерненных участков практически не отличается от уровня принимающего значение, близкое ОВ. Следовательно, можно считать, что сигнал ВИДЕО изменяется в диапазоне напряжений Конструктивная сложность УС сводится к узлам питания и двум платам размером 110X170 мм2.

Изменение уровня для различных сортов бумаги требует

настройки компаратора для каждого документа перед вводом. Введение цепи АРУ позволяет выполнять такую настройку автоматически. Это достигается тем, что сигнал АРУ с выхода формирователя Ф воздействует на ОУ, меняя коэффициент усиления последнего таким образом, что сигнал на выходе ОУ будет приведен к постоянному уровню Выделение сигнала в цепи АРУ осуществляется с помощью АВ.

Рис. 2 3. Видеосигнал, получаемый при считывании изображения

Рис. 2.4. Подавление сигналов от линий координатной сети

Постоянная времени заряда его конденсатора составляет 2 мс, а разряда 30 с. Это позволяет АВ запоминать максимальный входной для него уровень и удерживать его, создавая опорный сигнал для формирователя АРУ. Столь большая постоянная времени заряда выбрана для того, чтобы уровень хранимого сигнала изменялся незначительно, когда луч проходит вдоль черной линии на документе. При выборе уровня компарации необходимо, с одной стороны, обеспечить и, с другой стороны, При этом обеспечивается наименьшая вероятность ошибки при компарации.

Для удобства настройки, осуществляемой оптимальным выбором в составе компаратора предусмотрен специальный узел настройки. Соответствующая манипуляция оператора предполагает при отключенной подаче установить документ в приемных валиках аппарата так, чтобы в строке, сканируемой лучом, находилось не более 16 черных линий, пересекаемых лучом. Конструкция «Ладоги» дает возможность визуального операторского контроля сканируемой строки. После установки документа оператор с помощью четырех тумблеров-переключателей записывает код количества пересекаемых линий и выводит с помощью потенциометра регулировки «к значение последнего на минимум. Затем он плавно увеличивает значение до тех пор, пока не загорится индикаторная лампочка. Это свидетельствует о том, что квантованный по уровню сигнал несет информацию о требуемом количестве линий в строке.

Вышеописанный узел позволяет оператору проводить достаточно тонкую настройку компаратора, когда требуется вводить изображение, выполненное на бумаге с координатной сеткой. В этом случае необходимо подавить сигналы от линий сетки. Исследования особенностей цветовосприятия аппаратом «Ладога» [45] показали, что сигналы от линий оранжевого, желтого цвета по амплитуде значительно меньше, чем сигналы от линий черного и синего цветов. Это обстоятельство позволяет сигналы от черных линий отделить от сигналов, соответствующих желтым линиям сетки (рис. 2.4). На рис. 2.5 представлен фрагмент изображения, считанного с рукописного документа.

(см. скан)

Рис. 2.5 Фрагмент изображения, считанного с рукописного документа

В процессе эксплуатации сканера было выявлено влияние сорта бумаги на результат ввода. Для шероховатой бумаги это проявляется в утоньшении линий в средней части документа максимально допустимой ширины (440 мм), для глянцевой — в утоньшении линий на краях документов. Ряд сортов бумаги позволяет избегать таких эффектов.

Причины неоднородности преобразования изображения вдоль строки связаны с различиями в отражательных свойствах различных сортов бумаг. На рис. 2.6, а изображена индикатрисса рассеяния бумаги с шероховатой поверхностью, обеспечивающей почти идеальное диффузное рассеяние.

Рис. 2.6. Иидикатриссы рассеяния для различных сортов бумаги

Для него характерно отсутствие зависимости коэффициента отражения от угла отражения в довольно большом диапазоне значений . Для других бумаг, обладающих более гладкой поверхностью индикатрисса (рис. 2.6, б) имеет направленно-рассеянный характер, при котором наблюдается существенная зависимость коэффициента отражения от

В аппарате «Ладога» с помощью специальной диафрагмы предусматривается выравнивание уровней отраженного потока во всем диапазоне углов отражения светового потока от бумажной подложки, но выравнивание достигается лишь для определенных сортов бумаги. На рис. 2.7, а показаны типичные зависимости от координаты вдоль строки видеосигнала для различных сортов бумажных

Рис. 2.7. Видеосигнал вдоль строки документа при считывании вертикальных линий

носителей (при отключенном АРУ компаратора). Видеосигнал для строки, считанной с глянцевой бумаги, имеет вид, изображенный на рис. 2.7, в (АРУ отключено). При включенном АРУ видеосигнал преобразуется к виду, изображенному на рис. 2.7, г, что объясняется зависимостью коэффициента усиления ОУ узла компаратора от координаты вдоль по строке. Импульсы-отметки для черных линий в средней части строки, отсчитываемые от уровня подвергнуты большему усилению, чем аналогичные импульсы на краях документа. По этой причине такие импульсы в средней части строки на уровне компарации имеют большую ширину, чем соответствующие импульсы на краях (рис. 2.7, г).

Учет выявленных особенностей сканера позволил организовать его эксплуатацию в производственных условиях в составе системы автоматического чтения эскизов слоев топологии плат печатного, монтажа для машинного изготовления фотошаблона таких плат. Принципы программной обработки изображения, введенного в ЭВМ в помощью растровой аппаратуры ввода, описаны в гл. 4.