Нелинейная формирующая система

Нелинейная формирующая система относится к области вычислительной техники, а именно к области обработки или формирования изображения, и может быть использована для формирования векторного случайного поля, в частности, в системах обработки видеоинформации. Достигаемым техническим результатом является расширение класса генерируемых векторных случайных полей (изображений), что обусловлено возможностью учета нелинейных статистических зависимостей между элементами изображений, в том числе тех, параметрическое описание характеристик которых затруднено или невозможно. Для этого нелинейная формирующая система, содержит генератор шума, генератор случайных чисел, блок управления, устройство визуального вывода, блок анализа, блок последовательных сумматоров, мультиплексоры, блок нелинейных цифровых фильтров. 9 ил.

Полезная модель относится к вычислительной технике, а именно к области обработки или формирования изображений. В частности, заявленная нелинейная формирующая система может быть использована для формирования (синтеза) векторного случайного поля с заданными статистическими характеристиками синтезируемой реализации, учитывающая нелинейные взаимосвязи между элементами исходного изображения (модели изображения).

Известен способ генерирования векторных сигналов (см., например, патент Японии 60-73788, опубл. 1987 г.). Устройство, реализующее данный способ, содержит последовательно соединенные генератор случайных чисел, сумматор, буферную память. Кроме того, генератор случайных чисел взаимно соединен с еще одной буферной памятью. Однако указанное устройство способно генерировать узкий класс векторных сигналов, определяемых постоянной линейной шириной, что является его недостатком.

Известен векторный генератор (патент РФ 2100842 от 27.12.1997 г.), содержащий генератор шума, блок цифровых фильтров, блок последовательных сумматоров, мультиплексор, устройство визуального вывода, генератор случайных чисел, блок управления. Недостатком данного устройства является то, что он формирует векторное случайное поле (изображение) с произвольными статистическими характеристиками.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является векторный синтезатор (патент РФ 2266566 от 20.12.2005), содержащий генератор шума, цифровые фильтры, подключенные к первому входу сумматоров, мультиплексоры, генератор случайных чисел, блок управления, устройство визуального вывода, блок анализа, состоящий из блоков декодирования кодовых групп и фильтров нижних частот, причем выходы блока анализа подключены к входам блока управления, i-я (i=1, 2,, n) группа выходов генератора шума по s (s1) выходов в каждой группе подключена к соответствующим первым s входам i-го блока цифровых фильтров, ко вторым s входам которого подключены соответствующие s выходов i-ой группы первых выходов блока управления, а s выходов; i-ой группы вторых выходов последнего связаны с соответствующими первыми s входами i-го блока последовательных сумматоров, вторые s входов которого подключены к соответствующим s выходам i-го блока цифровых фильтров, s выходов i-го блока последовательных сумматоров связаны с соответствующими s входами; i-го мультиплексора, выходы n мультиплексоров подключены к соответствующим n входам устройства визуального вывода, первый, второй и третий дополнительные выходы блока управления подключены соответственно к входу генератора шума, первому и второму входам генератора случайных чисел, выходы которого подключены к входам n мультиплексоров, а четвертый дополнительный выход блока управления в параллель связан с дополнительными входами каждого блока последовательных сумматоров, причем i-ые блоки цифровых фильтров и последовательных сумматоров содержат соответственно по s узкополосных цифровых фильтров и s последовательных сумматоров.

Недостатком прототипа является то, что учет нелинейных статистических зависимости генерируемой случайной реализации осуществляется за счет рандомизации (под рандомизацией понимается случайный характер выбора альтернативы из множества альтернатив в соответствии с некоторым заданным дискретным распределением вероятности), то есть определяется набором параметрических семейств дискретных распределений вероятности, что ограничивает класс генерируемых векторных случайных полей (изображений).

Задачей полезной модели является разработка нелинейной формирующей системы, позволяющей учитывать нелинейные статистические зависимости между элементами изображений, в том числе те, параметрическое описание характеристик которых затруднено или невозможно, что позволит расширить класс генерируемых векторных случайных полей (изображений).

Поставленная задача решается тем, что в нелинейную формирующую систему, содержащую генератор шума, мультиплексоры, генератор случайных чисел, блок управления, устройство визуального вывода, блок анализа, состоящий из блоков декодирования кодовых групп и фильтров нижних частот, причем выходы блока анализа подключены к входам блока управления, a s выходов i-ой группы вторых выходов последнего связаны с соответствующими первыми s входами i-го блока последовательных сумматоров, s выходов i-го блока последовательных сумматоров связаны с соответствующими s входами i-го мультиплексора, выходы n мультиплексоров подключены к соответствующим n входам устройства визуального вывода, первый, второй и третий дополнительные выходы блока управления подключены соответственно к входу генератора шума, первому и второму входам генератора случайных чисел, выходы которого подключены к входам n мультиплексоров, а четвертый дополнительный выход блока управления в параллель связан с дополнительными входами каждого блока последовательных сумматоров, причем i-ые блоки последовательных сумматоров содержат по s последовательных сумматоров, дополнительно включены блоки нелинейных цифровых фильтров, подключенные к первым входам блоков последовательных сумматоров, при этом i-я (i=1, 2,, n) группа ходов генератора шума по s (s1) выходов в каждой группе подключена к соответствующим первым s входам i-го блока нелинейных цифровых фильтров, ко вторым s входам которого подключены соответствующие s выходов i-ой группы первых выходов блока управления, вторые s входов i-го блока последовательных сумматоров подключены к соответствующим s выходам i-го блока нелинейных цифровых фильтров, причем i-е блоки нелинейных цифровых фильтров содержат по s нелинейных цифровых фильтров, включающих в себя элемент задержки, умножители и сумматор.

Новая совокупность существенных признаков, а именно включение нелинейных цифровых фильтров, позволяет учесть в генерируемой случайной реализации нелинейные статистические зависимости между элементами изображений, в том числе тех, параметрическое описание характеристик которых затруднено или невозможно и тем самым расширить класс генерируемых векторных случайных полей (изображений).

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленной нелинейной формирующей системы, отсутствуют. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности "новизна".

Заявленное устройство может быть декомпозировано до уровня известных функциональных блоков, модулей, узлов, описанных в литературе, зарегистрированных установленным порядком в патентных реестрах. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общая структурная схема нелинейной формирующей системы;

на фиг.2 - схема блока управления;

на фиг.3 - схема соединения элементов блока управления;

на фиг.4 - схема блока нелинейных цифровых фильтров;

на фиг.5 - схема нелинейного цифрового фильтра;

на фиг.6 - схема блока последовательных сумматоров;

на фиг.7 - схема последовательного сумматора;

на фиг.8 - блок анализа;

на фиг.9 - блок декодирования кодовых групп.

Нелинейная формирующая система, показанная на фиг.1, содержит генератор шума 1, n блоков нелинейных цифровых фильтров 2.1-2.n, n блоков последовательных сумматоров 3.1-3.n, n мультиплексоров 4.1-4.n, устройство визуального вывода 5, генератор случайных чисел 6, блок управления 7, блок анализа 8.

При этом i-я (i=1, 2,, n) группа выходов генератора шума 1, по s (s1) выходов в каждой группе, подключена к соответствующим первым s входам i-го блока нелинейных цифровых фильтров 2.i, ко вторым s входам которого подключены соответствующие s выходов i-ой группы первых выходов блока управления 7, s выходов i-ой группы вторых выходов блока управления 7 связаны с соответствующими первыми s входами i-го блока последовательных сумматоров 3.i, вторые s входов которого подключены к соответствующим s выходам i-го блока нелинейных цифровых фильтров 2.i. (2n×s+2) выходов блока анализа 8 подключены к входам блока управления 7, а s выходов i-го блока последовательных сумматоров 3.i связаны с соответствующими s входами i-го мультиплексора 4.i, выходы n мультиплексоров 4.1-4.n подключены к соответствующим n входам устройства визуального вывода 5. Первый (а), второй (б) и третий (с) дополнительные выходы блока управления 7 подключены соответственно к входу генератора шума 1, второму (М) и первому (К) входам генератора случайных чисел 6, а четвертый дополнительный выход (д) блока управления 7 в параллель связан с дополнительными входами каждого блока последовательных сумматоров 3.1-3.n. Причем i-ые блоки нелинейных цифровых фильтров 2.i и последовательных сумматоров 3.i содержат соответственно по s нелинейных цифровых фильтров 2.i-1 - 2.i-s и s последовательных сумматоров 3.i-1 - 3.i-s.

Блок управления 7 может быть реализован по схеме, показанной на фиг.2, и включает 2 группы 7-1_1,1 - 7-1_1n×s и 7-1_2,1 - 7-1_2,n×s, по n×s регистров в каждой, 2 группы 7-2_1,1 - 7-2_1,n×s и 7-2_2,1 - 7-22,n×s, по n×s шифраторов в каждой, кроме того, в блоке управления 7 имеется дополнительно 2 регистра 7-1_д1, 7-1_д2 и 2 шифратора 7-2 _д1, 7-2_д2, задающий генератор 7-3 и блок переключателей 7-4. При этом выход задающего генератора 7-3 подключен в параллель к входам всех регистров 7-1. К другим трем входам каждого регистра 7-1 подключены соответствующие три выхода каждого шифратора 7-2. На входы всех шифраторов 7-2 подаются нелинейные статистические характеристики случайной реализации или через блок переключателей 7-4 управляющие напряжения.

Схема соединения каждого из регистров 7-1 и шифраторов 7-2 структурно показана на фиг.3. Кроме того, на фиг.3 также показаны задающий генератор 7-3 и блок переключателей 7-4. При этом выходы А0, A1, A2 каждого из шифраторов 7-2 подключены к входам Д0, Д1, Д2 каждого из регистров 7-1 соответственно. Выход задающего генератора 7-3 подключен к входу С1 каждого из регистров 7-1. Статистические характеристики или управляющее напряжение U через блок переключателей 7-4 подаются на адресные входы I1-I8 каждого шифратора 7-2.

Каждый i-ый (i=1, 2,, n) блок нелинейных цифровых фильтров 2.i может быть реализован по схеме, показанной на фиг.4. Каждый блок цифровых фильтров 2.i (см. фиг.5) состоит из s нелинейных цифровых фильтров 2.i-j (j=1, 2,, s), каждый из которых включает в себя элемент задержки 2.i-j-1, умножители 2.i-j-2 - 2.i-j-5 и сумматор 2.i-j-6. На фиг.5 показано, что входной сигнал (от блока 1) подается параллельно на вход элемента задержки 2.i-j-1 и первые входы умножителей 2.i-j-2 и 2.i-j-3, выход элемента задержки 2.i-j-1 соединен параллельно с первым входом умножителя 2.i-j-5 и со вторым входом умножителя 2.i-j-2, выход которого соединен с первым входом умножителя 2.i-j-4. Отсчеты выходного сигнала снимаются (к блоку 3) с выхода сумматора 2.i-j-6, к входам которого подключаются выходы умножителей 2.i-j-3 - 2.i-j-5, вторые входы которых являются входом управляющих напряжений от блока 7.

Каждый i-ый (i=1, 2,, n) блок последовательных сумматоров 3.i может быть реализован по схеме показанной на фиг.6 и включает s последовательных сумматоров 3.i-j (j=1, 2,, s). Каждый последовательный сумматор 3.i-j (см. фиг.7) состоит из сумматора 3.i-j-1 и триггера 3.i-j-2. При этом выход С_n сумматора связан с D входом триггера, Q выход триггера связан с входом C_n+1 сумматора. Выход S сумматора является выходом схемы.

Блок анализа 8, показанный на фиг.8, включает (2n×s+2) блоков декодирования кодовых групп 8.1-1 - 8.1-(2n×s+2) и (2n×s+2) фильтров нижних частот 8.2-1 - 8.2-(2n×s+2). Каждый блок декодирования кодовых групп состоит из преобразователя последовательного кода в параллельный 8.1-k-1 (k=1, 2,, 2n×s-2) и формирователя сигнала 8.1-k-2 (k=1, 2,, 2n×s+2) (см. фиг.9). Фильтры нижних частот могут быть выполнены, как показано на рисунке 1.22, а (стр.22) в Справочной книге радиолюбителя-конструктора. А.А.Бокуняев, Н.М.Борисов и др.; под ред. Н.И.Чистякова - 2-е изд., исправ. - М.: Радио и связь, 1993 г.

Блок управления 7 может быть выполнен на основе известных элементов, так регистр 7-1 может быть выполнен на серийной микросхеме К155 ИР1 как показано на странице 103 в книге Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы - Челябинск: Металлургия, 1989 г. При этом входы данных S1, Д3, выходы данных Q0, Q1, Q2, тактовый вход С2 и вход разрешения параллельной загрузки РЕ не используются.

Шифратор 7-2 может быть выполнен на серийной микросхеме КМ 555 ИВ1 по рис.1.100 (стр.138), описанному в Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы - Челябинск: Металлургия, 1989 г. При этом на разрешающий вход Е1 напряжение запрета не подается, кроме того два дополнительных выхода GS (групповой сигнал) и ЕО (разрешение от выхода) не используются. На адресные входы I1-I8 подается напряжение низкого уровня от блока анализа или от переключателей блока управления, в качестве которых могут использоваться любые серийные переключатели (например МТ-1).

Задающий генератор 7-3 можно построить на любых инвертирующих элементах, например, как показано на рисунке 7.9, а (стр.240) в книге Потемкина И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики - М.: Энергоатомиздат, 1988 г. Причем выход задающего генератора 7-3 в параллель подключен к блокам 1, 3, 6 и к шифраторам 7-1.

Каждый нелинейный цифровой фильтр 2.i-j (i=1, 2,, n; j=1, 2,, s) из блока цифровых фильтров 2.i может быть выполнен на основе серийных элементов задержки, умножителей и сумматора по известным схемам, например, представленным в книге Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. Справочник - М.: Радио и связь, 1985 г. на рисунке 2.1 (стр.48) и в книге Ланнэ А.А. Нелинейные динамические системы: синтез, оптимизация, идентификация. - Л.: ВАС, 1985, - 240 с. на рисунке 5.13 (стр.199).

Каждый последовательный сумматор 3.i-j (i=1, 2,, n; j=1, 2,, s) из блока последовательных сумматоров 3.i может быть выполнен на серийных элементах по известным схемам, например, представленным на рисунке 1.114 (стр.150-154) в книге Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы - Челябинск: Металлургия, 1989 г. При этом вход рециркуляции 4, вход управления рециркуляцией 3, слагаемое А, слагаемое В, сумма сумм не используются. Последовательные входы 1, показанные на рис.1.114 вышеупомянутой книги, используются как входы от блоков 2.i и 7 в заявленном устройстве.

Каждый мультиплексор 4.i (i=1, 2,, n) может быть выполнен на основе серийных микросхем. Так, например, в книге Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы - Челябинск: Металлургия, 1989 г. на рисунке 1.102 (стр.140-141), показан мультиплексор на микросхеме К155 КП1, при этом на вход разрешения Е напряжение высокого уровня не подается и адресные входы S0, S1, S2, S3 - запараллеливаются.

В качестве устройства визуального вывода 5 можно использовать монитор ПЭВМ.

Генератор случайных чисел 6 может быть выполнен по схеме, описанной в Изобретениях стран мира, 1988, 3, авторское свидетельство СССР 1345191 от 15.10.1987 г. При этом входы 9, 10 и выходы 11₁11_K, указанные на схеме описания указанного изобретения, являются соответственно К, М входами и выходами генератора случайных чисел 6 в заявленном устройстве (см. фиг.1).

Генератор шума 1 может быть выполнен на основе серийных микросхем (например, на микросхемах К 555 ЛА3 или К 561 ЛА7).

Нелинейная формирующая система работает следующим образом. Параметры реализации из канала связи поступают на блок анализа 8, в котором вычисляются ее статистические характеристики и затем подаются на блок управления 7, который осуществляет пересчет этих характеристик в параметры нелинейной формирующей системы. Генератор шума 1 вырабатывает возбуждающий шум , где n - размерность области реализации случайного шума (множество синтезируемых векторов), S_n - число выходов сигнала шума по каждой реализации (размерность синтезируемого вектора), V - число координат поля, который одновременно поступает на n блоков нелинейных цифровых фильтров 2.i (i=1, 2,, n) управление которыми осуществляется с блока управления 7 сигналами . Благодаря тому, что каждый из s нелинейных цифровых фильтров 2.i-j состоит из элемента задержки, умножителей и сумматора, на входы которого подаются соответственно значения входных отсчетов, отсчетов задержанных на интервал дискретизации и результат перемножения входных и задержанных на интервал дискретизации отсчетов, взвешенные за счет умножителей, управление переменными значениями которых осуществляется с блока управления 7, за счет подачи управляющих сигналов (напряжений), представляющих собой результат пересчета статистических характеристик наблюдаемой реализации в параметры нелинейной формирующей системы на выходе каждого из s нелинейных цифровых фильтров 2.i-j получаются сигналы , которые вычисляются на основе текущих значений шума по каждой s-ой составляющей, К-го отсчета v-ой координаты векторного случайного поля следующим образом:

где i - текущее значение переменных;

j - соответствующий компонент текущего управляющего воздействия s-м нелинейным цифровым фильтром n-го блока нелинейных цифровых фильтров;

К_v - К-ый отсчет v-ой координаты векторного случайного поля (vV).

Сигналы , где с выходов нелинейных цифровых фильтров 2.i поступают на первые входы соответствующих последовательных сумматоров 3.i. На вторые входы последовательных сумматоров 3.i поступают сигналы трендовых смещений от блока управления 7. Кроме того, от задающего генератора 7-3 блока управления 7 к каждому из последовательных сумматоров 3.i-j на вход С триггера 3.i-j-2. подается сигнал тактовой частоты для синхронной работы последовательных сумматоров.

Блок управления 7 управляет генератором случайных чисел 6, а он в свою очередь управляет работой мультиплексоров 4.i. С выходов последовательных сумматоров 3.i сигналы поступают на соответствующие мультиплексоры 4, управление которыми осуществляется с помощью генератора случайных чисел 6 сигналами , с помощью которых осуществляется выбор из всего множества последовательностей , поступающих от последовательных сумматоров 3.i, только одной последовательности. С выходов соответствующих мультиплексоров сигналы поступают на устройство визуального вывода 5.

Для синхронной работы используется задающий генератор 7-3 в блоке управления 7. Выходы задающего генератора 7-3 связаны со всеми регистрами 7-1 блока управления 7, с блоками последовательных сумматоров 3.i, с генератором случайных чисел 6.

На каждый нелинейный цифровой фильтр 2.i-j из блока нелинейных цифровых фильтров 2.i, на каждый последовательный сумматор 3.i-j из блока последовательных сумматоров 3.i в блоке управления 7 имеется управляющая пара, состоящая из регистра 7-1 и шифратора 7-2. Кроме того, в блоке управления 7 имеются дополнительно две управляющие пары, состоящие из регистра 7-1_1д и шифратора 7-2_1д для управления работой генератора шума 1 и регистра 7-1_2д и шифратора 7-2_2д, для управления генератором случайных чисел 6 соответственно.

Таким образом, формируется векторное случайное поле со статистическими характеристиками синтезируемой реализации, учитывающими нелинейные статистические зависимости между элементами исходных изображений, в том числе те, параметрическое описание характеристик которых затруднено или невозможно.

Математическое моделирование данной нелинейной формирующей системы в среде Mathcad, показывает возможность генерирования векторных случайных полей, обладающих статистическими характеристиками исходных фотореалистичных изображений.

Нелинейная формирующая система, содержащая генератор шума, мультиплексоры, генератор случайных чисел, блок управления, устройство визуального вывода, блок анализа, состоящий из блоков декодирования кодовых групп и фильтров нижних частот, причем выходы блока анализа подключены к входам блока управления, a s выходов i-й группы вторых выходов последнего связаны с соответствующими первыми s входами i-го блока последовательных сумматоров, s выходов i-го блока последовательных сумматоров связаны с соответствующими s входами; i-го мультиплексора, выходы n мультиплексоров подключены к соответствующим n входам устройства визуального вывода, первый, второй и третий дополнительные выходы блока управления подключены соответственно к входу генератора шума, первому и второму входам генератора случайных чисел, выходы которого подключены ко входам n мультиплексоров, а четвертый дополнительный выход блока управления в параллель связан с дополнительными входами каждого блока последовательных сумматоров, причем i-е блоки последовательных сумматоров содержат по s последовательных сумматоров, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блоки нелинейных цифровых фильтров, выходы которых подключены к первым входам блоков последовательных сумматоров, i-я (i=1, 2, , n) группа выходов генератора шума по s (s1) выходов в каждой группе подключена к соответствующим первым s входам i-го блока нелинейных цифровых фильтров, к вторым s входам которого подключены соответствующие s выходов i-й группы первых выходов блока управления, вторые s входов i-го блока последовательных сумматоров подключены к соответствующим s выходам i-го блока нелинейных цифровых фильтров, причем i-e блоки нелинейных цифровых фильтров содержат по s нелинейных цифровых фильтров, включающих в себя элемент задержки, умножители и сумматор.