三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器亮度閾值自動(dòng)測(cè)定技術(shù)

劉寶寶　李濤　荀鵬

摘要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種光電混合型的計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)被人們稱為三值光學(xué)計(jì)算機(jī)。現(xiàn)就三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器亮度閥值自動(dòng)測(cè)定技術(shù)進(jìn)行探討和分析，通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行具體闡述。

關(guān)鍵詞：三值光學(xué)計(jì)算機(jī)；解碼器；亮度；閥值自動(dòng)測(cè)定

2000年出現(xiàn)了一種三值光學(xué)計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)是一種電光混合型的計(jì)算機(jī)，主要是把偏振方向和光強(qiáng)度相結(jié)合來表示三值信息，通過液晶以及其表面覆蓋的偏振片所組成的陣列光閥，來進(jìn)行光學(xué)處理器的構(gòu)造，同時(shí)還設(shè)置了和電子計(jì)算機(jī)相互交換信息的通道，即解碼器和編碼器。三值光學(xué)計(jì)算機(jī)具有電控制、光傳送、光運(yùn)算以及電光混合儲(chǔ)存等特點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及對(duì)三值光學(xué)計(jì)算機(jī)研究的深入，很多的新問題逐漸顯露出來。現(xiàn)就三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器亮度閥值自動(dòng)測(cè)定技術(shù)進(jìn)行研究和分析，根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行具體的闡述。

1 三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的概述

1.1 三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的光學(xué)構(gòu)件

三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)主要如圖1所示，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)三態(tài)光編碼器主要是用來把二值電信號(hào)轉(zhuǎn)為三值光信號(hào)，其中光學(xué)處理器主要用于改變光信號(hào)的狀態(tài)，從而來完成計(jì)算，其主要分為4個(gè)區(qū)域，在本文分別是以VV，VH，HH，HV來表示；三態(tài)光解碼器中的4個(gè)攝像頭分別用于對(duì)光學(xué)處理器各個(gè)分區(qū)的拍攝，在此基礎(chǔ)上獲取這4個(gè)分區(qū)的解碼圖像，并通過這4個(gè)解碼圖像中同一位置上的像素亮暗狀態(tài)來獲得光學(xué)處理器相關(guān)的輸出結(jié)果，最后根據(jù)這個(gè)結(jié)果通過電信號(hào)方式輸出，來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

1.2解碼器的構(gòu)造

解碼器的功能是完成光信號(hào)到電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，光計(jì)算機(jī)最后將使用感光陣列來采集輸出光信號(hào)，從而完成光電之間的轉(zhuǎn)換。但是由于研究的局限性，當(dāng)前的解碼器主要是通過攝像頭來進(jìn)行圖像的采集，將預(yù)定閥值和液晶像素當(dāng)前的灰度值進(jìn)行比較，以此來判斷該像素的明暗狀態(tài)。

解碼器主要是由四個(gè)圖像傳感器所構(gòu)成的，分別用于運(yùn)算器四個(gè)分區(qū)輸出的光信號(hào)采集，簡(jiǎn)而言之就是計(jì)算結(jié)果，并將其轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。在本文中的解碼實(shí)驗(yàn)中，光學(xué)解碼器系統(tǒng)主要是由嵌入式系統(tǒng)來控制，在本文中通稱為解碼器下位機(jī)。在控制圖像采集的過程中，應(yīng)將圖像傳感器中的每一個(gè)像素的灰度值都儲(chǔ)存在這個(gè)下位機(jī)中。由于在圖像傳感器表面，液晶像素所呈現(xiàn)的圖像面積要比傳感器像素的面積大，因此，在每一個(gè)液晶像素、圖像傳感器中的某塊區(qū)域的像素必須要有相同的感光量，我們將這些區(qū)域中某一像素的灰度值來作為傳感器整個(gè)區(qū)域的灰度值，并將其傳到上位機(jī)。

2 三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器亮度閾值自動(dòng)測(cè)定技術(shù)具體闡述

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，一個(gè)分區(qū)一共有576個(gè)液晶像素，每一個(gè)液晶像素的坐標(biāo)都是通過上位機(jī)傳到下位機(jī)，同時(shí)還要將液晶屏和攝像頭固定住，在解碼器上位機(jī)的基礎(chǔ)上來比較液晶像素的閥值和灰度值。

2.1 閥值和像素的相關(guān)概念

2.1.1 因偏振片和液晶制作上的不完善，所以光學(xué)處理器的暗狀態(tài)并不是完全性質(zhì)上的“黑”，即相對(duì)于亮狀態(tài)而言，其灰度值比較暗。為了確保判斷亮暗的可靠性，我們可以在每一個(gè)像素中設(shè)置一個(gè)暗閥值和亮閥值，將低于暗閥值的灰度值液晶像素作為暗塊，將高于亮閥值的灰度值像素作為亮塊。如果灰度值在這兩個(gè)閥值之間的話，則該液晶像素塊中的值為無效像素。如果只設(shè)置了一個(gè)閥值，雖然不會(huì)產(chǎn)生無效像素的現(xiàn)象，但是當(dāng)像素塊發(fā)生異常的時(shí)候，卻不能及時(shí)地被檢查出來。

2.1.2 從圖1中，我們可以看出，攝像頭所拍攝的對(duì)象是光學(xué)運(yùn)算器和編碼器結(jié)合在一起的一種光學(xué)組件輸出圖像，這種光學(xué)組件主要是由三層液晶和四層偏振片所構(gòu)成的，其各層的液晶工作狀態(tài)在一定程度上將會(huì)影響輸出圖像的灰度值。由于光的衍射作用以及器件的不理想，暗像素和亮像素中的灰度也會(huì)有所不同，在實(shí)驗(yàn)過程中，為了確保這些暗狀態(tài)能夠正確解碼，所設(shè)置的暗閥值必須要高于次亮狀態(tài)的灰度，且小于亮閥值的灰度。

2.2 設(shè)定閥值的流程，設(shè)置無效像素

2.2.1 在設(shè)定閥值的時(shí)候，必須要考慮到以下三個(gè)方面的內(nèi)容。

第一，解碼器攝像頭所拍得到的解碼圖形中的暗像素與亮像素之間的明暗對(duì)比度應(yīng)該保持在40%-60%范圍以內(nèi)；第二，解碼圖像的不同區(qū)域明暗對(duì)比度有所差別；第三，隨著環(huán)境的不斷變化，解碼圖像中的各個(gè)區(qū)域也會(huì)發(fā)生著不同程度的變化。此外，鑒于解碼器只能拍攝一些光學(xué)處理器的輸出表面，因此，在解碼圖像中其像素的空間位置不會(huì)發(fā)生變化，只有明暗隨著光學(xué)處理器輸出結(jié)果的變化而發(fā)生改變。故在解碼器中的每一個(gè)像素中設(shè)置明暗閥值，以此確保解碼器工作的準(zhǔn)確性、可靠性。

2.2.2 設(shè)置閥值的流程主要如下。第一，將所有的像素以及相關(guān)備用像素設(shè)置為0，如果將運(yùn)算器中的所有輸出狀態(tài)設(shè)置為暗狀態(tài)，這時(shí)若某一個(gè)像素的灰度值超過170，這種像素一般視為無效像素，其備用像素欄的最高位置為1。如果將運(yùn)算器中的所有像素輸出狀態(tài)設(shè)置為亮狀態(tài)，這時(shí)若某一個(gè)像素的灰度值低于100，則該像素被視為無效像素，其備用像素欄的最高位置也為1。第二，通過運(yùn)算器中所顯示的圖案，來進(jìn)行次亮塊灰度值的采集，接著重復(fù)以上的步驟三次，將三次灰度值的平均值來作為該液晶像素的暗閥值。第三，重復(fù)以上的步驟，對(duì)這些像素進(jìn)行初步的篩選，將一些異常的像素篩除掉，以此來明確每個(gè)像素的暗閥值和亮閥值。此外，整個(gè)閥值的設(shè)置流程需要進(jìn)行40次圖案的設(shè)置，其設(shè)定的時(shí)間主要取決于運(yùn)算器和上位機(jī)之間的通信時(shí)間。

2.2.3 無效像素的處理。一般處理無效像素的方法主要有以下兩種：第一，將無效像素的位置記錄下來，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，自動(dòng)地跳過這些無效像素；第二，在系統(tǒng)中設(shè)置一些備用的像素，如果其中某一個(gè)像素?zé)o效，可以通過備用像素來代替，這樣整個(gè)系統(tǒng)的像素總數(shù)與邏輯序列就會(huì)保持不變。

2.2.4 閥值設(shè)定系統(tǒng)的相關(guān)啟動(dòng)策略主要有以下幾種：第一，當(dāng)系統(tǒng)重啟以后，系統(tǒng)在初始化過程中就會(huì)實(shí)行閥值自動(dòng)測(cè)定，該過程中也是對(duì)解碼器系統(tǒng)與液晶控制系統(tǒng)的自檢；第二，每連續(xù)工作三十分鐘，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行閥值自動(dòng)測(cè)定，以此來將各種因素造成的誤差消除掉，防止出現(xiàn)解碼錯(cuò)誤現(xiàn)象。第三，在每次解碼運(yùn)算后，如果其檢測(cè)結(jié)果有無效像素，應(yīng)及時(shí)上報(bào)監(jiān)控系統(tǒng)，將本次計(jì)算廢棄，并且重新啟動(dòng)閥值自動(dòng)測(cè)定系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：劉寶寶（1989，7，30-），山東威海人，學(xué)歷本科。

李濤（1989，11，6-），陜西漢中洋縣人，學(xué)歷本科。

荀鵬（1991，2，3-），江蘇溧陽人，學(xué)歷本科。