10.7. ОСОБЕННОСТИ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ

Представление изображения в виде совокупности элементарных площадок — растр-элементов (РЭ) происходит за счет процесса развертки изображения. Сущность развертки состоит в последовательном перемещении РЭ в плоскости изображения по определенному закону Наиболее широкое применение в факсимильной связи получили прямолинейные развертки с постоянной скоростью.

В зависимости от назначения системы, требований к качеству входного изображения применяются механические, электронные и электрические способы развертки. Развертка является двумерным процессом. Обычно он осуществляется раздельно в направлении оси X (строчная развертка) и в перпендикулярном направлении У (кадровая развертка, иногда называемая подачей).

Механические способы на практике реализуются в виде барабанной, дуювоп и плоскостной разверток. При плоскостной развертке производится перемещение РЭ вдоль строки при плоском расположении оригинала (или копии при записи). При барабанной развертке разложение изображения на элементарные площадки происходит за счет вращательного движения барабана, на котором закреплен оригинал и поступательного движения светового развертывающего элемента, образуемого системой светооптического луча. Возможен вариант, в котором световой луч неподвижен, а барабан осуществляет вращательное и одновременно поступательное движение. Очевидно, строчная развертка осуществляется вращательным движением барабана, а кадровая создается за счет поступательного движения либо самого барабана, либо светового пятна относительно барабана. Линия развертки получается винтообразной (как стружка на токарном станке).

Основными достоинствами развертки барабанного типа являются относительная простота конструктивного выполнения и возможность получения больших скоростей вращения (а значит, и скорости передачи бланка). Однако этим способам развертки присущи и недостатки: ограничение формата бланка по длине и ширине, сложность закрепления бланка на барабане, его деформация при больших скоростях вращения барабана, невозможность создания системы непрерывной подачи оригиналов, что затрудняет организацию автоматической системы передачи.

Рис. 10.14. Дуговая развертка: 1 — оптическая головка, 2 — объектив, 3— призма, 4 — экспонированная пленка, 5 — неподвижная оптическая система, 6 — эмульсионная сторона 7 — рулон фотопленки

Разновидностью барабанного способа развертки является дуговая развертка, принятая в отечественной аппаратуре передачи газет «Газета-2». При этом способе оригинал на передаче или фотопленка на приеме размещаются внутри цилиндрической камеры и за счет разряжения воздуха прижимаются к стенкам камеры. Внутри камеры с помощью вращающейся оптической системы развертывающий элемент перемещается по окружности, образовывая строчную развертку. Кадровая развертка образуется за счет перемещения самой камеры вместе с оригиналом или носителем записи. Дуговая развертка позволяет производить запись на рулонной фотопленке (рис. 10 14).

Значительно большее применение нашла плоскостная развертка. Чаще всего строчная развертка образуется с помощью качающегося зеркала и вспомогательного сферического зеркала, а развертка по кадру осуществляется перемещением оригинала с помощью конвейера в направлении, перпепдикулярпом строкам (рис. 10.15). В плоскостных системах световое пятно, создаваемое оптической системой, проецируется на поверхность зеркала, которое отклоняется относительно своей оси кулачковым механизмом — эксцентриком.

Рис. 10.15 Плоскостная развертка а — принцип развертки, б — принцип образования строки развертки, I — осветитель. 2 — качающееся зеркало, 3 — ось зеркала, 4 — сферическое зеркало, 5 — оригинал изображения, 6 — протягивающее устройство, 7 — фотоэлектрический преобразователь

Рис. 10.16 Плоскостная развертка с помощью ПЗС

При отклонении зеркала световое пятно перемещается от одного края изображения до другого, образовывая строку развертки. Равномерная скорость движения пятна обеспечивается заданным профилем кулачка. Время обратного хода луча может использоваться для передачи вспомогательных сигналов. За время передачи каждой строки оригинал перемещается на одно и то же расстояние, равное шагу кадровой развертки.

Достоинствами плоскостной развертки являются: неограниченная длина бланка, что позволяет автоматизировать процесс передачи сообщений, и простота закрепления оригинала, который не деформируется в процессе передачи. К недостаткам плоскостной развертки следует отнести сложность обеспечения требуемой линейности развертки вдоль строки и при наличии кулачкового механизма ограничение скорости развертки по строке за счет возникновения сильного механического удара кулачкового механизма в момент перехода с прямого луча на обратный.

Для получения больших скоростей вместо качающегося зеркала используют вращающуюся многогранную призму.

В последнее время большое распространение получили электрические способы строчной развертки, в которых строка изображения формируется с помощью миниатюрных точечных опгико-электрических преобразователей, коммутируемых электрическим способом. Применяются линейки из фотодиодов и фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС). Рассмотрим пример реализации плоскостной развертки с использованием линейки из ПЗС, которая позволяет получить разрешающую способность по строке не менее 8 ... 15 лин./мм. Отраженный от объекта передачи свет попадает на фоточувствительные элементы (рис. 10.16). Накопленные электрические заряды от каждого элемента через канал переноса поступают в аналоговый регистр переноса, имеющий МОП-структуру.

Образуемые в этой структуре зарядовые пакеты под действием тактовых импульсов сдвига получают направленное перемещение. Выходное устройство преобразует зарядовые пакеты в электрический сигнал, который в дальнейшем после обработки поступает в линию связи. После окончания цикла развертки N элементов, составляющих одну строку, объект передачи механически перемещается в перпендикулярном направлении на величину, равную размеру растр-элемента. Существенное преимущество такого способа развертки заключается в отсутствии механических узлов, сложных оптических систем, что обеспечивает большую скорость развертки, уменьшенные габариты и простоту.

В ряде случаев в цифровой факсимильной аппаратуре с устранением избыточности кадровая развертка выполняется дискретно-шаговой. Конструктивно она базируется на применении электромеханического привода, создающего строго фиксированные углы поворота (линейные перемещения оригинала или носителя записи) в определенные моменты времени. Для создания таких разверток используются шаговые двигатели. Такой способ развертки облегчает согласование скоростей поступления информации из буферного устройства памяти кодера и сигнала в канал связи, поскольку в случае опасности переполнения памяти можно остановить развертку и на передаче, и на приеме. Шаговые развертки реализуют стартстопную передачу факсимильных сигналов.

Размер растр-элемента (вдоль строки развертки) связан с шагом развертки (по кадру) Шагом развертки принято считать расстояние между осями соседних строк развертки. Выбор зависит от характера изображения и требований к его воспроизведению. В современных факсимильных аппаратах эти величины равны. Таким образом, разрешающая сособность как по строке так и по кадру выбирается одинаковой

Скорость развертки определяется числом строк в минуту и, очевидно, зависит от скорости подачи бланка при плоскостной развертке и скорости вращения при круговых развертках.

Более универсальной характеристикой скорости работы факсимильного аппарата является величина где Q — площадь бланка, — время передачи бланка, мин.

Выразим верхнюю частоту спектра сигнала через параметры развертывающих устройств. Очевидно, что граничная частота спектра будет определяться минимально возможной длительностью сигнала, которая в свою очередь зависит от размера минимального штриха. Этот размер не может быть меньше, чем размер растр-элемента.

Рассмотрим случай барабанной развертки. На окружности барабана диаметром D может уложиться строк развертки. Если считать, что передаваемое изображение состоит из чередующихся тонких черно-белых штрихов размером то тогда один период колебаний фототока образуется чередованием черного и белого штрихов.

Тогда за один оборот барабана таких периодов будет Если учесть, что скорость барабана равна то максимальная частота фототока, т. е. граничная частота спектра сигнала, Гц:

Для плоскостной развертки со скоростью N строк в минуту и длиной строки

Аналогично можно найти и время передачи бланка изображения.

При барабанной развертке на длине барабана уложится строк. При скорости передача бланка составит, мин:

(10.10)

Для аппаратов с плоскостной разверткой под I следует понимать длину строки, а под N — число строк, передаваемых в минуту.

Пользуясь (10.9) и (10.10), можно найти скорость передачи бланка,

(10.11)

при

(10.12)

Развертка определяет последовательность во времени процессов поэлементного анализа и синтеза изображений. Эти процессы должны быть синхронными и синфазными. При несовпадении скоростей разверток происходит удлинение или укорочение строк развертки, что в конечном итоге приводит к перекосу изображения. Нормы на перекос изображения определяют способы синхронизации передающего и приемного аппаратов. На практике используются принудительные и автономные способы синхронизации.

Обозначим через а — угол перекоса (отклонения от вертикальной линии). Тогда можно показать, что

(10.13)

где — длина строки изображения; — шаг подачи; AN — разность скоростей вращения передающего и приемного барабанов.

Поскольку то между частотой f питающего напряжения и линейной скоростью и растр-элемента существует линейная зависимость. Тогда условие правильного воспроизведения копии состоит в выполнении неравенства где — заданная норма перекоса.

Например, в факсимильной аппаратуре общего назначения допустим перекос не более 1 мм на каждые 100 мм длины развертки по кадру. Отсюда . Приняв параметры мм, мм, получим, что Эта величина и определяет стабильность задающих генераторов передатчика и приемника.

В факсимильной аппаратуре в основном используется автономная синхронизация. В данном случае развертывающие устройства передачи и приема работают независимо, но с равными скоростями. Это достигается путем применения высокостабильных задающих генераторов, управляющих частотой питания синхронных двигателей разверток.

Принудительная синхронизация осуществляется путем передачи специальных синхросигналов по каналу связи, управляющих скоростью развертки синтезирующего устройства.

Кроме синхронизации необходимо осуществлять фазирование аппаратов. Для этого перед началом связи с передатчика на приемник передается информация о фазовом положении оригинала. В простейшем случае при барабанной развертке на барабане расположена черная полоса, прилегающая к краю оригинала, а при плоскостной развертке — расположенная на транспортном механизме. Во время развертки изображения в момент прохождения этой полосы возникают фазовые импульсы, которые управляют положением развертывающего устройства приемника. Существуют автоматические, полуавтоматические и ручные способы фазирования. При принудительной синхронизации процессы фазирования полностью аналогичны строчной и кадровой синхронизациям телевизионных систем.

Рассмотрим принципы построения синтезирующих устройств и основные способы записи изображений.

Синтезирующие устройства приемных аппаратов состоят из устройства развертки, определяющего последовательность приема элементов изображения, и записывающего устройства, регистрирующего яркость элементарных площадок, и создают копию изображения оригиналов. В случае записи на светочувствительные материалы узел записи содержит также светооптическую систему.

По способам записи синтезирующие устройства делятся на открытые и закрытые. При открытом способе записи регистрация производится на открытой для света бумаге. Такой способ позволяет в некоторой степени контролировать качество записи на приеме. К открытым способам относятся: электрохимический, электротермический, чернильный способы записи.

При закрытом способе записи регистрация производится с помощью светового луча на светочувствительный материал — фотобумагу или фотопленку, которые помещаются в изолированную от света кассету.

При этом способе достигается высокое качество копии как двухградационных, так и полутоновых изображений.

Фотографическая запись применяется в основном в аппаратах, передающих полутоновое изображение, и в аппаратуре передачи газет.

В настоящее время в факсимильных аппаратах для передачи документальной информации в основном применяется электротермическая запись. Сущность этого способа записи состоит в тепловом воздействии электрического тока факсимильного сигнала на термочувствительный носитель. Для термозаписи разработана и используется специальная электротермическая бумага. Она состоит из трех слоев - металлизированного слоя, контактирующего с поверхностью барабана, графитизированного слоя и верхнего токопроводящего слоя, с которым соприкасаются записывающий (или записывающие) элементы, выполняемые обычно в виде металлических иголок.

Факсимильный сигнал подводится к барабану (корпусу аппарата) и иголкам. Под действием электрического тока сигнала происходят прожигание верхнего слоя и обнажение графитизированного слоя, в результате чего осуществляется окрашивание бумаги.

В современных записывающих устройствах в качестве записывающих электродов применяется термолинейка, ряд точечных электродов, конструктивно расположенных в линию длиной в строку развертки. При принятом стандарте разложения такая линейка содержит 1728 электродов. Напряжение на электроды подается последовательно в соответствии со значениями факсимильного сигнала в определенные моменты времени. Формируемое изображение получается точечным (дискретным), но площади точек настолько малы, что глаз не замечает этой структуры.

Термозапись обладает большими преимуществами; недостатками является ограниченный срок хранения копий на термобумаге.

Разновидностью термозаписи является запись на обыкновенную бумагу с использованием эффекта термонереноса. Он заключается в том, что между бумагой и термолинейкой протягивается специальная термопленка с графитизированным слоем, обращенным к бумаге; в момент записи пленка прижимается к бумаге и за счет нагревания графитный слой переносится на бумагу. Происходит своеобразное термокопирование, в котором роль копировальной бумаги выполняет термопленка.

Аналогичный процесс происходит при электрохимическом способе записи. Окрашивание под действием электрического тока происходит в токопроводящей бумаге, пропитанной специальным составом, который чернеет под действием электрического тока. Этот способ позволяет получать полутоновые изображения с небольшим числом (до восьми) градаций яркости.

Недостатками способа являются необходимость поддержания влажности бумаги и ограниченный срок храпения копии.

Во многих факсимильных аппаратах применяется электростатическая запись, осуществляемая на слое диэлектрика многоэлектродной системой записи. Этот способ обладает большими преимуществами: запись происходит на обычную бумагу, возможно получение очень больших скоростей записи (до 6000 строк/мин), высокую разрешающую способность (до 16 лин/мм). Изображение на бумаге практически не поддается старению.