三值光学计算机解码器亮度阈值自动测定技术

刘宝宝　李涛　荀鹏

摘要：随着信息技术的不断发展，出现了一种光电混合型的计算机，这种计算机被人们称为三值光学计算机。现就三值光学计算机解码器亮度阀值自动测定技术进行探讨和分析，通过相关的实验来进行具体阐述。

关键词：三值光学计算机；解码器；亮度；阀值自动测定

2000年出现了一种三值光学计算机，这种计算机是一种电光混合型的计算机，主要是把偏振方向和光强度相结合来表示三值信息，通过液晶以及其表面覆盖的偏振片所组成的阵列光阀，来进行光学处理器的构造，同时还设置了和电子计算机相互交换信息的通道，即解码器和编码器。三值光学计算机具有电控制、光传送、光运算以及电光混合储存等特点。随着信息技术的不断发展以及对三值光学计算机研究的深入，很多的新问题逐渐显露出来。现就三值光学计算机解码器亮度阀值自动测定技术进行研究和分析，根据相关的实验来进行具体的阐述。

1 三值光学计算机的概述

1.1 三值光学计算机的光学构件

三值光学计算机的结构主要如图1所示，从图中我们可以发现三态光编码器主要是用来把二值电信号转为三值光信号，其中光学处理器主要用于改变光信号的状态，从而来完成计算，其主要分为4个区域，在本文分别是以VV，VH，HH，HV来表示；三态光解码器中的4个摄像头分别用于对光学处理器各个分区的拍摄，在此基础上获取这4个分区的解码图像，并通过这4个解码图像中同一位置上的像素亮暗状态来获得光学处理器相关的输出结果，最后根据这个结果通过电信号方式输出，来实现光信号到电信号之间的转换。

1.2解码器的构造

解码器的功能是完成光信号到电信号之间的转换，光计算机最后将使用感光阵列来采集输出光信号，从而完成光电之间的转换。但是由于研究的局限性，当前的解码器主要是通过摄像头来进行图像的采集，将预定阀值和液晶像素当前的灰度值进行比较，以此来判断该像素的明暗状态。

解码器主要是由四个图像传感器所构成的，分别用于运算器四个分区输出的光信号采集，简而言之就是计算结果，并将其转换成为电信号。在本文中的解码实验中，光学解码器系统主要是由嵌入式系统来控制，在本文中通称为解码器下位机。在控制图像采集的过程中，应将图像传感器中的每一个像素的灰度值都储存在这个下位机中。由于在图像传感器表面，液晶像素所呈现的图像面积要比传感器像素的面积大，因此，在每一个液晶像素、图像传感器中的某块区域的像素必须要有相同的感光量，我们将这些区域中某一像素的灰度值来作为传感器整个区域的灰度值，并将其传到上位机。

2 三值光学计算机解码器亮度阈值自动测定技术具体阐述

在本实验系统中，一个分区一共有576个液晶像素，每一个液晶像素的坐标都是通过上位机传到下位机，同时还要将液晶屏和摄像头固定住，在解码器上位机的基础上来比较液晶像素的阀值和灰度值。

2.1 阀值和像素的相关概念

2.1.1 因偏振片和液晶制作上的不完善，所以光学处理器的暗状态并不是完全性质上的“黑”，即相对于亮状态而言，其灰度值比较暗。为了确保判断亮暗的可靠性，我们可以在每一个像素中设置一个暗阀值和亮阀值，将低于暗阀值的灰度值液晶像素作为暗块，将高于亮阀值的灰度值像素作为亮块。如果灰度值在这两个阀值之间的话，则该液晶像素块中的值为无效像素。如果只设置了一个阀值，虽然不会产生无效像素的现象，但是当像素块发生异常的时候，却不能及时地被检查出来。

2.1.2 从图1中，我们可以看出，摄像头所拍摄的对象是光学运算器和编码器结合在一起的一种光学组件输出图像，这种光学组件主要是由三层液晶和四层偏振片所构成的，其各层的液晶工作状态在一定程度上将会影响输出图像的灰度值。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会有所不同，在实验过程中，为了确保这些暗状态能够正确解码，所设置的暗阀值必须要高于次亮状态的灰度，且小于亮阀值的灰度。

2.2 设定阀值的流程，设置无效像素

2.2.1 在设定阀值的时候，必须要考虑到以下三个方面的内容。

第一，解码器摄像头所拍得到的解码图形中的暗像素与亮像素之间的明暗对比度应该保持在40%-60%范围以内；第二，解码图像的不同区域明暗对比度有所差别；第三，随着环境的不断变化，解码图像中的各个区域也会发生着不同程度的变化。此外，鉴于解码器只能拍摄一些光学处理器的输出表面，因此，在解码图像中其像素的空间位置不会发生变化，只有明暗随着光学处理器输出结果的变化而发生改变。故在解码器中的每一个像素中设置明暗阀值，以此确保解码器工作的准确性、可靠性。

2.2.2 设置阀值的流程主要如下。第一，将所有的像素以及相关备用像素设置为0，如果将运算器中的所有输出状态设置为暗状态，这时若某一个像素的灰度值超过170，这种像素一般视为无效像素，其备用像素栏的最高位置为1。如果将运算器中的所有像素输出状态设置为亮状态，这时若某一个像素的灰度值低于100，则该像素被视为无效像素，其备用像素栏的最高位置也为1。第二，通过运算器中所显示的图案，来进行次亮块灰度值的采集，接着重复以上的步骤三次，将三次灰度值的平均值来作为该液晶像素的暗阀值。第三，重复以上的步骤，对这些像素进行初步的筛选，将一些异常的像素筛除掉，以此来明确每个像素的暗阀值和亮阀值。此外，整个阀值的设置流程需要进行40次图案的设置，其设定的时间主要取决于运算器和上位机之间的通信时间。

2.2.3 无效像素的处理。一般处理无效像素的方法主要有以下两种：第一，将无效像素的位置记录下来，在系统运行过程中，自动地跳过这些无效像素；第二，在系统中设置一些备用的像素，如果其中某一个像素无效，可以通过备用像素来代替，这样整个系统的像素总数与逻辑序列就会保持不变。

2.2.4 阀值设定系统的相关启动策略主要有以下几种：第一，当系统重启以后，系统在初始化过程中就会实行阀值自动测定，该过程中也是对解码器系统与液晶控制系统的自检；第二，每连续工作三十分钟，系统就会进行阀值自动测定，以此来将各种因素造成的误差消除掉，防止出现解码错误现象。第三，在每次解码运算后，如果其检测结果有无效像素，应及时上报监控系统，将本次计算废弃，并且重新启动阀值自动测定系统。

参考文献

[1]雷镭，金翊.三值光学计算机解码器亮度阈值自动测定技术[J].计算机工程与设计，2012，33（1）：233-237.

[2]王先超，姚云飞，孙道德，等.三值光学计算机中运算请求调度[J].计算机工程与应用，2012，48（25）：42-47，104.

[3]李双凤，金翊.三值光学计算机数据位与运算部件像素的映射技术[J].计算机工程与设计，2010，31（5）：1077-1080.

[4]尹逊玮.三值光计算机解码器数据采集与传输系统的设计实现[D].上海：上海大学，2008.

[5]左开中，金翊，彭俊杰，等.三值光计算机百位量级解码器的设计[J].中国激光，2009，36（4）：823-827.

作者简介：刘宝宝（1989，7，30-），山东威海人，学历本科。

李涛（1989，11，6-），陕西汉中洋县人，学历本科。

荀鹏（1991，2，3-），江苏溧阳人，学历本科。