Периферийные устройства электронно-вычислительных систем (ЭВС) Рабочая тетрадь студента Осенний семестр 2008 г. Автор: к.т.н. Галямова Е.В., Кафедра «Компьютерные системы и сети» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Тема: Устройства и системы ввода информации в ЭВМ Курс: «Периферийные устройства ЭВС» Лекции 1, 05/09/08 Автор: Галямова Елена Валентиновна, к.т.н., доцент каф. ИУ6

Классификация устройств ввода информации в ЭВМ

Кодирование и сжатие информации при вводе в ЭВМ Международный стандарт шрифта OCR - A. Коды ASCII. Коды ABCDIC. UNICODE Стандарт двумерного кодирования CCITT Алгоритмы сжатия JPEG, GIF и др. Фрактальный алгоритм сжатия 3D объектов

Проблемы системы оператор - ЭВМ

Работа серийной ЭВМ средней производительности, Массачусетский технологический колледж В неделю - 77 пользователей. в день - 31 пользователь, до 49 сеансов работы за пультом. Длительность сеанса - 58 мин, 18% времени - ЭВМ в состоянии насыщения, 8 пользователей одновременно. 4% времени – ожидание обслуживания запроса. В среднем : –число одновременно работавших пользователей составляло 5,7. –Скорость ввода 1,9 строки/мин на пользователя, –скорость вывода - 3,9 строки/мин. –на каждого пользователя каждые 10 с приходилась одна строка входной или выходной информации. –продолжительность цикла равна 34 с = 10 сек -, в течение которых ЭВМ воспринимает сообщение и выдает ответ, 24 с - оператор размышляет и набирает новое сообщение.

Расчет критического числа пользователей (Пример) 3 месяца работы ЭВС 300 пользователей 112 час 8·10 4 команд N = 35,2 / (0,88 + 0,56) = 24,4 (чел.). N = t обд 3 / (t проц + t зам )

Затраты времени на выполнение программ разного характера где n - число правильно считанных символов, R - длина алфавита, T - время отображения всей поступившей информации.

Характеристики оператора ЭВМ Емкость памяти человека бит (Государственная библиотеки РФ - около бит) Кратковременная память человека - около 3 байт Скорость восприятия оператором внешней информации: –70% информации - зрительные органы, пропускная способность сетчатки глаза 107 бит/с. –Средняя скорость восприятия зрительной информации - 25 бит/с. –При считывании с экрана ЭЛТ C=(n·log 2 R)/T, где n - число правильно считанных символов, R - длина алфавита, T - время отображения Пропускная способность при работе за дисплеем: –при чтении про себя - 45 бит/с, –при громком чтении - 30 бит/с, –корректорская работа - 18 бит/с, –набор на клавиатуре - 16 бит/с. Скорость вывода звуковой информации 1,2 бит/с.

УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО СЧИТЫВАНИЯ ТЕКСТОВ Функции читающих автоматов: - сканирование в целях получения сигналов, соответствующих оптическому изображению; - эффективное с точки зрения представления изображения кодирование результирующих сигналов; - принятие решения о принадлежности анализируемого знака к одному из классов.

Принципы распознавания образов

Метод Зондов Рецептор - чувствительный элемент, способный реагировать на изменение внешних воздействий: фотоэлемент, терморезистор, вариконд, сегнетоэлектрик, прибор с зарядовой связью другие.

Методы исключения неопределенности Стилизация - Международный стандарт шрифта OCR – A Увеличение кодового расстояния – дополнительные зонды Линейки рецепторов (а), б - электровоз, в - нефтепромысел, г - пассажирский самолет

Статистические методы распознавания Выбор порога яркости Вычисление достоверности Отделение текста от картинок (вычисление среднего)

Этапы распознавания декомпозиция страницы – «белые коридоры» Идентификация символа - коды эталонов символов Кодирование в машинных кодах Программное решение (таблица эталонов) Аппаратное решение

Искусственный интеллект сканера При распознавании склеек возникают три задачи: построение множества возможных границ символа, организация их перебора для нахождения наилучшего набора и проведение разрезов.

Событийное распознавание не более 0,003 сек на символ

Метод распределения масс 0,008 с на символ

Метод контурного анализа Щ и Ш З и Э 0, ,008 сек на один символ

Корреляционный метод Автоматический ввод рукописных текстов (1) 10 Автокорреляционная функция: Вес эталона: Условие идентификации символа:

Сжатие графической информации (стандарт CCITT)

Контрольные вопросы 1.Что понимается под образом в читающих автоматах? 2.На какие три этапа распадается процесс распознавания образов? 3.Назовите элементную базу считывающих головок. 4.Для чего применяется и в чем заключается стилизация считываемых символов? 5.Что значит термин кодовое расстояние и как оно определяется? 6.Какими способами и для чего можно увеличить кодовое расстояние? 7.Как сказывается правильность выбора порога яркости в сканере на достоверности распознавания символа? 8.В чем заключается идентификация считанного символа? 9.Перечислите три основных составляющих искусственного интеллекта и какие из них присущи читающим автоматам. 10.Назовите четыре метода распознавания символов. 11.Каково в среднем время распознавания сканерами одного символа? 12.Какие программные средства поставляются в комплекте со сканерами? 13.По какому методу производится распознавание рукописных символов? 14.Что представляет собой автокорреляционная функция анализируемого символа при считывании? 15.Какой принцип сжатия графических изображений рукописного текста использует стандарт CCITT или стандартный алгоритм READ (метод сжатого кодирования длин серий)?

Устройства автоматического ввода одноконтурных изображений Метод изопараметрических линий

Метод изопараметрических линий А = А(а 1, а 2,..., а n ), где а i - значение длины i-го отсчетного полярного радиуса, n = 360 o /, где – шаг квантования по углу.

Стилизация одноконтурных изображений

Анализатор изображений на основе сетчатки из фотоэлементов

Устройства автоматического ввода многоконтурных и полутоновых изображений

Ввод полутоновых изображений Вырождение полутонового изображения в многоконтурное: I Метод - градиента (лапласиана) яркости; II Метод: уровень яркости В ср определяется как среднее арифметическое значение яркости всех точек изображения:

Статистический метод

Считывание цветных изображений

Строение полупроводниковой матрицы рецепторов, считывающей цветные изображения

Контрольные вопросы 1.Поясните, в чем заключается метод изопараметрических линий, применяемый в устройствах ввода одноконтурных изображений. 2.Перечислите шесть основных деталей считывающей ЭЛТ. 3.Каким образом проводится сжатие информации на этапе анализа одноконтурного изображения? 4.Как сжатие информации на этапе анализа влияет на величину кодового расстояния образов? 5.Назовите тип растра, применяемого в устройствах ввода многоконтурных, полутоновых и цветных изображений 5.Каким образом перед проведением анализа полутоновое изображение превращается в многоконтурное? 6.Какие характеристики цвета выбраны в качестве признаков распознавания при вводе цветных изображений? 7. Поясните, что означает понятие константы цвета в устройствах ввода цветных изображений. 8.Каким прибором измеряются значения коэффициента спектрального отражения при вводе цветных изображений? 9.Какой объем информации позволяют кодировать современные устройства ввода изображений, в том числе цветных? 10.В каких единицах этот объем измеряется?

Состав информационной сиcтемы ЛА Система наблюдения Система машинного зрения Датчики и приборы Объекты управления Система управления Алгоритмы распознавания База эталонных изображений

Алгоритмыраспознавания и кодирования изображений Алгоритмы группового кодирования RLE Алгоритм Зива-Лемпеля Статистические алгоритмы –Поэлементный коррелятор (оптика) –Зонный алгоритм Лапласа (радиолокация) Рекурсивный алгоритм Нониуса Алгоритм GPEG Алгоритмы кодирования трехмерной информации –Сплайн-функции –Развертка Пеано –Фрактальный алгоритм Автоматизированное сравнение алгоритмов распознавания

Факторы, влияющие на точность распознавания: Снижение контрастности Сужение динамического диапазона изображений Влияние НЧ и ВЧ фильтрации Перекос АЧХ аналогового тракта системы наблюдения

Математическое определение распознавания Под распознаванием понимается соотнесение (части) наблюдаемого изображения Z с одним из априорно заданных изображений-эталонов {a i }, либо выявление невозможности такого соотнесения.

Алгоритм GPEG (Joint Photographic Expert Group) Стандарт кодирования полноцветных изображений Последовательность шагов: –Преобразование цветов RGB в YCrCb(YUV) –Матрицы 8х8 –ДКП (дискретное косинусное преобразование) –Квантование –64-х элементрный вектор –Алгоритм группового кодирования –Алгоритм Хаффмана

Фрактальный алгоритм сжатия IFS – Iterated Function System Примеры фракталов в природе: –"нити" огня на границах солнечных пятен –береговая линия моря –папоротник Барнсли –ветви деревьев Реализация алгоритма – машина Барнсли

Oпределение фрактала Фрактал - структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Бенуа Мандельброт, 1977 Fractus - состоящий из фрагментов - предложено Бенуа Мандельбротом в 1975 году для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур Свойство фрактала - самоподобие

Типы фракталов Геометрические Алгебраические Стохастические

Решето Серпинского (1915) (Вацлав Серпинский – польский математик) - на основе равностороннего треугольника

Свойства фрактальных фигур: каждый уровень подобен целому «тонкая структура» – допускается бесконечное увеличение теоретическая многомерность (можно продолжать в любом количестве измерений) Чем больше масштаб, тем больше длина – понятие «фрактальной размерности»

Множества Жюлиа-Фату x n+1 = f(x n ) x n+1 = x n 2 + c

Введение элемента случайности в фрактальное изображение

Последовательность шагов в фрактальном алгоритме Аппроксимация изображения квадратами – доменные блоки Ранжированное уменьшение доменной области (х2) Перевод доменной области в ранговую (афинное преобразование) Масштабирование по яркости в фиксированное число раз (0,75)

АЦП, это: Квантование по времени Квантование по уровню Кодирование

Теорема Котельникова В. А. КотельниковВ. А. Котельников, 1933 год «О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи»1933 Одна из основополагающих теорем в теории и технике цифровой связи. Теорема отсчётов Котельникова - Уиттакера Найквиста Шеннона (теоре́ма Коте́льникова) гласит, что, если непрерывный сигнал x(t) имеет спектр, ограниченный частотой Fmax, то он может быть однозначно и без потерь восстановлен по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой:Найквистанепрерывныйспектр где Fmax верхняя частота в спектре, или, по-другому, по отсчётам, взятым с периодом: Говоря шире, теорема Котельникова говорит о том, что непрерывный сигнал можно представить в виде следующего ряда: Под интегральной суммой написана формула отсчетов фунцкии x(t). Мгновенные значения этой функции есть значения дискретизированного сигнала в каждый из моментов времени.

Спектр сигналов, Дельта функция, частота дискретизации

Квантование по уровню

АЦП - ЦАП Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). аналоговыйсигналцифровой сигнал Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя). ЦАП Технические характеристики: Погрешность Быстродействие Динамический диапазон

Разрешение АЦП Разрешение (разрядность) АЦП: количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе Измеряется: – в разрядах 256 дискретных значений (0..255) - разрядность 8 – в терминах входного сигнала, например, в вольтах. Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, деленной на количество выходных дискретных значений.вольтах Пример 1 Пример 2 Диапазон входных значений от 0 до 10 вольт от 10 до +10 вольт Разрядность АЦП 12 бит 14 бит Уровней квантования 2 12 (4096) 2 14 (16384 ) Разрешение по напряжению: (10-0)/4096 = 2.44 мВ (10-(-10))/16384 = 1.22 мВ Отношение сигнал/шум входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядностиОтношение сигнал/шум Эффективная разрядность (effective number of bits ENOB).

Типы преобразования Линейные АЦП Нелинейные АЦП –логарифмические АЦП, –АЦП с a-законом или μ-закономa-закономμ-законом

Технические характеристики АЦП Точность/погрешность –Ошибки квантования –Апертурные ошибки Нелинейность –интегральная нелинейность (INL) и –дифференциальная нелинейность (DNL).

Наложение спектров (алиасинг) Два разных синусоидальных сигнала, при оцифровке неотличимых: высокочастотный (красный) и низкочастотный (синий).

ЦАП

Типы АЦП АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП АЦП последовательного приближения АЦП с поразрядным уравновешиванием АЦП дифференциального кодирования Интегрирующие АЦП АЦП с уравновешиванием заряда Конвейерные АЦП Сигма-Дельта АЦП

Типы АЦП АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП АЦП последовательного приближения АЦП с поразрядным уравновешиванием АЦП дифференциального кодирования Интегрирующие АЦП АЦП с уравновешиванием заряда Конвейерные АЦП Сигма-Дельта АЦП

Система ввода-вывода аналоговой информации в ЭВМ

Блок-схема типового "36-бит" SOHO-сканера (CCD-технология) Собственный шум CCD-матрицы и Аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Виктор Жиляев Технология сканирования BET от UMAX 8 февраля

Технология BET (Bit Enhancement Technology)

Сравнение двух технологий сканирования С использованием BETБез использования BET Результат сканирования с BET: Результат сканирования без BET: