三值光學計算機解碼器亮度閾值自動測定技術

劉寶寶　李濤　荀鵬

摘要：隨著信息技術的不斷發展，出現了一種光電混合型的計算機，這種計算機被人們稱為三值光學計算機。現就三值光學計算機解碼器亮度閥值自動測定技術進行探討和分析，通過相關的實驗來進行具體闡述。

關鍵詞：三值光學計算機；解碼器；亮度；閥值自動測定

2000年出現了一種三值光學計算機，這種計算機是一種電光混合型的計算機，主要是把偏振方向和光強度相結合來表示三值信息，通過液晶以及其表面覆蓋的偏振片所組成的陣列光閥，來進行光學處理器的構造，同時還設置了和電子計算機相互交換信息的通道，即解碼器和編碼器。三值光學計算機具有電控制、光傳送、光運算以及電光混合儲存等特點。隨著信息技術的不斷發展以及對三值光學計算機研究的深入，很多的新問題逐漸顯露出來。現就三值光學計算機解碼器亮度閥值自動測定技術進行研究和分析，根據相關的實驗來進行具體的闡述。

1 三值光學計算機的概述

1.1 三值光學計算機的光學構件

三值光學計算機的結構主要如圖1所示，從圖中我們可以發現三態光編碼器主要是用來把二值電信號轉為三值光信號，其中光學處理器主要用于改變光信號的狀態，從而來完成計算，其主要分為4個區域，在本文分別是以VV，VH，HH，HV來表示；三態光解碼器中的4個攝像頭分別用于對光學處理器各個分區的拍攝，在此基礎上獲取這4個分區的解碼圖像，并通過這4個解碼圖像中同一位置上的像素亮暗狀態來獲得光學處理器相關的輸出結果，最后根據這個結果通過電信號方式輸出，來實現光信號到電信號之間的轉換。

1.2解碼器的構造

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

解碼器主要是由四個圖像傳感器所構成的，分別用于運算器四個分區輸出的光信號采集，簡而言之就是計算結果，并將其轉換成為電信號。在本文中的解碼實驗中，光學解碼器系統主要是由嵌入式系統來控制，在本文中通稱為解碼器下位機。在控制圖像采集的過程中，應將圖像傳感器中的每一個像素的灰度值都儲存在這個下位機中。由于在圖像傳感器表面，液晶像素所呈現的圖像面積要比傳感器像素的面積大，因此，在每一個液晶像素、圖像傳感器中的某塊區域的像素必須要有相同的感光量，我們將這些區域中某一像素的灰度值來作為傳感器整個區域的灰度值，并將其傳到上位機。

2 三值光學計算機解碼器亮度閾值自動測定技術具體闡述

在本實驗系統中，一個分區一共有576個液晶像素，每一個液晶像素的坐標都是通過上位機傳到下位機，同時還要將液晶屏和攝像頭固定住，在解碼器上位機的基礎上來比較液晶像素的閥值和灰度值。

2.1 閥值和像素的相關概念

2.1.1 因偏振片和液晶制作上的不完善，所以光學處理器的暗狀態并不是完全性質上的“黑”，即相對于亮狀態而言，其灰度值比較暗。為了確保判斷亮暗的可靠性，我們可以在每一個像素中設置一個暗閥值和亮閥值，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。如果只設置了一個閥值，雖然不會產生無效像素的現象，但是當像素塊發生異常的時候，卻不能及時地被檢查出來。

2.1.2 從圖1中，我們可以看出，攝像頭所拍攝的對象是光學運算器和編碼器結合在一起的一種光學組件輸出圖像，這種光學組件主要是由三層液晶和四層偏振片所構成的，其各層的液晶工作狀態在一定程度上將會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有所不同，在實驗過程中，為了確保這些暗狀態能夠正確解碼，所設置的暗閥值必須要高于次亮狀態的灰度，且小于亮閥值的灰度。

2.2 設定閥值的流程，設置無效像素

2.2.1 在設定閥值的時候，必須要考慮到以下三個方面的內容。

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比度應該保持在40%-60%范圍以內；第二，解碼圖像的不同區域明暗對比度有所差別；第三，隨著環境的不斷變化，解碼圖像中的各個區域也會發生著不同程度的變化。此外，鑒于解碼器只能拍攝一些光學處理器的輸出表面，因此，在解碼圖像中其像素的空間位置不會發生變化，只有明暗隨著光學處理器輸出結果的變化而發生改變。故在解碼器中的每一個像素中設置明暗閥值，以此確保解碼器工作的準確性、可靠性。

2.2.2 設置閥值的流程主要如下。第一，將所有的像素以及相關備用像素設置為0，如果將運算器中的所有輸出狀態設置為暗狀態，這時若某一個像素的灰度值超過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。如果將運算器中的所有像素輸出狀態設置為亮狀態，這時若某一個像素的灰度值低于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，通過運算器中所顯示的圖案，來進行次亮塊灰度值的采集，接著重復以上的步驟三次，將三次灰度值的平均值來作為該液晶像素的暗閥值。第三，重復以上的步驟，對這些像素進行初步的篩選，將一些異常的像素篩除掉，以此來明確每個像素的暗閥值和亮閥值。此外，整個閥值的設置流程需要進行40次圖案的設置，其設定的時間主要取決于運算器和上位機之間的通信時間。

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，在系統運行過程中，自動地跳過這些無效像素；第二，在系統中設置一些備用的像素，如果其中某一個像素無效，可以通過備用像素來代替，這樣整個系統的像素總數與邏輯序列就會保持不變。

2.2.4 閥值設定系統的相關啟動策略主要有以下幾種：第一，當系統重啟以后，系統在初始化過程中就會實行閥值自動測定，該過程中也是對解碼器系統與液晶控制系統的自檢；第二，每連續工作三十分鐘，系統就會進行閥值自動測定，以此來將各種因素造成的誤差消除掉，防止出現解碼錯誤現象。第三，在每次解碼運算后，如果其檢測結果有無效像素，應及時上報監控系統，將本次計算廢棄，并且重新啟動閥值自動測定系統。

參考文獻

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作者簡介：劉寶寶（1989，7，30-），山東威海人，學歷本科。

李濤（1989，11，6-），陜西漢中洋縣人，學歷本科。

荀鵬（1991，2，3-），江蘇溧陽人，學歷本科。