Сканирующие системы для расшифровки графиков

Огромное количество графических (аналоговых) зависимостей получается и документируется с помощью разнообразной автома­тической регистрирующей аппаратуры. В медицине, геофизике, ме­теорологии, при промышленных испытаниях, вообще во многих от­раслях народного хозяйства и в научных исследованиях затрачи­вается большое время на расшифровку аналоговых графических изображений, т.е. на измерение параметров графиков и выдачу результатов измерения в цифровом виде.

Для повышения производительности труда при расшифровке графиков разработаны как специализированные, так и серийно выпускаемые промышленностью полуавтоматические расшифровочные устройства.

В полуавтоматических устройствах основную операцию распо­знавания кривой на общем поле записи выполняет человек-опера­тор. Имеются расшифровочные системы, предназначенные для рас­шифровки определенных видов записи, работающие автоматически с высокой производительностью при минимальном участии оператора.

Рис. 12.4. Графическая запись функций: а – x(t); б – x(у)

Графическая запись измеряемых величин на плоскости может быть в виде функций одного аргумента [в большинстве случаев — в виде функций времени x_i = x(t)] и функций двух аргументов — z = φ(x,у) (рис. 12.4). При записи нескольких измеряемых величин на одном документе они могут не пересекаться (рис. 12.5,а) и пе­ресекаться (рис. 12.5,б).

Рис. 12.5. Основные виды графических записей:

а – непересекающиеся графики; б – непересекающиеся графики

Графическая запись характеризуется преимущественно ярко­стью и цветовым тоном. Обычно яркость кривой сама по себе не является информативным признаком. Уровень ее должен быть до­статочным для того, чтобы положение кривой различалось с по­мощью воспринимающего элемента на уровне шумов, образован­ных окружающим запись фоном. Цветовой тон записи определяет спектральные характеристики воспринимающего элемента. Иногда используется маркировка многоканальных записей с помощью их различного цветового тона. Минимальная толщина кривой, кото­рая может быть обнаружена, определяется разрешающей способ­ностью воспринимающего элемента.

При автоматической расшифровке применяются четкие изо­бражения на бумаге, имеющей коэффициент отражения боль­ше 0,5.

При расшифровке графиков широко используется изменение скоростей записи и расшифровки: расшифровка обычно произво­дится со скоростями, обеспечивающими наилучшую производи­тельность и точность при использовании данной ИС.

Обычно графики расшифровываются, исходя из требований восстановления непрерывной кривой. Скорость движения ленты ограничивается обычно требованием неизменности ординаты кри­вой в течение расшифровки. В подавляющем большинстве ИС для расшифровки графиков используется равномерное квантование по аргументу.

Ордината графических изображений может измеряться всеми известными методами уравновешивания и совпадения. Однако наибольшее применение имеет развертывающее уравновешивание с преобразованием ординат графика в пропорциональные им ин­тервалы времени и последующим измерением полученных интер­валов.

Кривая на непрозрачных носителях выделяется путем восприя­тия отраженного света, на прозрачных носителях — проходящего света. Сканирование может выполняться непосредственно воспри­нимающим элементом или сканирующим лучом при неподвижном воспринимающем элементе. В качестве воспринимающих элементов используются фотоприемники (фотоэлектронные умножители, фо­тосопротивления, фотодиоды и фототранзисторы) с соответствую­щими оптическими устройствами, обеспечивающими согласование свойств фотоприемников и изображений. Источники света — лам­почки накаливания, электронно-лучевые трубки и т. п.

Рис. 12.6. Оптико-механические развертывающие устройства:

а – с перемещающимся фотодатчиком ФД; б – с качающимся зеркалом КЗ и неподвижным фотодатчиком; в – с перемещающимся зеркалом магнитоэлектрическим вибратором МЭВ;

Гр – график

Сканирующие движения обеспечиваются с помощью оптико-механических (рис. 12.6) или электронных (рис. 12.7) разверты­вающих устройств. Перемещающийся в направлении измеряемой ординаты фотоприемник показан на рис. 12.6,а, развертывание лу­ча с помощью качающихся зеркал — на рис. 12.6,б, в. При при­менении перемещающегося луча возникают погрешности расшиф­ровки, связанные с изменяющимся отношением угла поворота зеркала к перемещению луча по поверхности графика. Для умень­шения этой погрешности либо делается неравномерным движение качающегося зеркала, либо изменяется при расшифровке форма носителя, на которой записано графическое изображение.

Рис. 12.7. Электронное развертывающее устройство:

Гр – график; Л – линза; ФД₁ – фотодатчик отраженного света; ФД₂ – фотодатчик проходящего света

Рис. 12.8. Применение видикона: Гр – график; Л – линза; В – видикон

На рис. 12.8 графическое изображение преобразуется в фотопроводящем слое (трехсернистая сурьма, окись свинца и др.) видикона (типа ПЗС-матрицы) в потенциальный рельеф, который при последующем режиме коммутации преобразуется в токовый сигнал, определяемый изме­нением потенциала фотопроводящего слоя в освещенных точках.

В настоящее время разработано и используется довольно боль­шое количество разнообразных сканирующих ИС, предназначен­ных для расшифровки непересекающихся, пересекающихся цвет­ных и одноцветных графических изображений (функций времени).

Рис. 12.9. Структурные схемы расшифровки графиков

Структурные схемы ИС расшифровки одной кривой с оптико-механическим сканирующим устройством (рис. 12.9) включают лентопротяжный механизм ЛПМ, обеспечивающий непрерывное или шаговое перемещение ленты, сканирующие устройства СкУ, фотодатчики, воспринимающие начало Н, конец К рабочего диа­пазона графика, и фотодатчики О, отмечающие момент пересече­ния сканирующего луча и кривой, а также генераторы пилообраз­ных кривых G/, импульсов GN, ключи k₁ и k₂ и счетчики импуль­сов. На рис. 12.9 показаны три типичные структурные схемы. На схеме, содержащей генератор G/, луч перемещается поперек ленты с постоянной скоростью. При этом перемещении выделяется j-я ордината кривой.

С помощью фотоприемников Н и О, триггера Т и ключа k₁ от­крытого в течение Δt_j, происходит суммирование импульсов от GN и формирование z_j.

В этой схеме суммарная погрешность δ расшифровки зависит от погрешности нелинейности G/.

На схеме с входным сигналом z_j⁽¹⁾ удается уменьшить суммар­ную погрешность благодаря тому, что перемещение сканирующего луча определяется кодом z_i и не связано с временным преобразо­ванием.

Схема, содержащая генератор G/ и шкалу линейной меры М, вы­полнена так, что отсутствует погрешность из-за нелинейности пре­образования I(z_ij/l_ij). Это достигается тем, что при сканировании луч раздваивается и один из лучей перемещается по шкале линей­ной меры М, вызывая генерирование импульсов {е}, суммируемых счетчиком 2.

Обычно значения z_j и номер ординаты либо вводятся в устрой­ства памяти, либо регистрируются на перфоленте или печатающем устройстве.

Основные характеристики оптико-механических устройств: ко­личество кривых — до 30, скорость расшифровки — до 2400 орди­нат/с, погрешность абсолютная — до ±0,1 мм, относительная — от ±0,1% до ±2%. крутизна кривой — до 87°, шаг квантования — от 0,25 до 4 мм.

Рис. 12.10. Пересечение и касание участков кривых

Значительно усложняются структуры и алгоритмы ИС при рас­шифровке пересекающихся одноцветных графиков. Пересекающие­ся графики применяют из-за стремления уменьшить погрешность одновременной регистрации нескольких величин путем использо­вания для записи всей ширины носителя. Графики могут иметь об­щие точки при пересечении П или касании К (рис. 12.10). Если кривые не имеют особых отметок (цвет, толщина линий и т. п.), то для расшифровки таких записей в ИС должны приниматься специальные меры. Способы распознавания пересекающихся одно­цветных кривых сводятся к схемно-логическим и алгоритмическим способам. Схемно-логические способы распознавания применяются обычно при небольшом количестве кривых.

Рис. 12.11. Определение «опасной» близости кривых:

а – по разности ординат; б – по интервалам времени между пересечениями

Включение устройств или программ распознавания кривых, как правило, производится с помощью специального блока, определя­ющего «опасную» близость кривых. В этом блоке сравнивается разность ординат h_i с заранее установленной мерой близости е (рис. 12.11,а); при наклонном движении сканирующего луча срав­нивается приращение Δl_i с заданной величиной Δ (рис. 12.11,б).

Наиболее простой способ распознавания кривых на «опасных» участках связан с определением знака производных кривых или разностей значений их ординат (рис. 12.12).

В точках пересечения кривых (рис. 12.12,а) разность значений ординат равна нулю, a |δ(Δl)| отличны от нуля и могут быть больше заданного уровня.

В точке касания (рис. 12.12,б) |Δl| и вторые разности |δ(Δl)| близки к нулю. Эти признаки могут быть использованы при по­строении схемных решений.

Однако при числе пересекающихся кривых более двух схемные решения различения ординат кривых становятся громоздкими.

Тогда используется экстраполя­ция кривых с помощью аппрок­симирующих многочленов или статистическая экстраполяция и оценивается степень близости реализованных ординат кривых к предсказанным значениям.

Рис. 12.12. Определение кривых первых и вторых разностей ординат:

а – при пересечении; б – при касании

Из аппроксимирующих мно­гочленов часто используется многочлен Ньютона относитель­но невысокой (3…5) степени.

Увеличение количества используемых при предсказании отсче­тов более трех-четырех может не привести к повышению точности прогнозирования из-за влияния погрешностей составляющих.

Естественно для выполнения прогнозирования и решения во­проса об отнесении реализованных отсчетов к определенным кри­вым использовать микропроцессорную технику.