Принципиальное устройство волокна
Оптическое волокно имеет два концентрических слоя: ядро (сердцевина) и оптическая оболочка. Внутренне ядро предназначено для переноса света. Окружающая его оптическая оболочка имеет отличный от ядра показатель преломления и обеспечивает полное внутренне отражение света в ядро.
Волокна имеют дополнительную защитную оболочку вокруг оптической оболочки. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, предохраняет ядро и оптическую оболочку от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства. Защитная оболочка не влияет на процесс распространения света по волокну, а всего лишь предохраняет от ударов.
Свет заводится внутрь волокна под углом, большим критического, к границе ядро/оптическая оболочка и испытывает полное внутреннее отражение на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет и в дальнейшем будет отражаться в границу. Таким образом, луч света будет двигаться зигзагообразно вдоль волокна.
Свет, падающий на границу под углом меньшим критического, будет проникать в оптическую оболочку и затухать по мере распространения в ней. Оптическая оболочка не предназначена для переноса света, и свет быстро затухает.
Внутренне отражение служит основой для распространения света вдоль обычного оптического волокна.
Специфические особенности движения света вдоль волокна зависит от многих факторов, включая:
· Размер волокна.
· Состав волокна.
· Процесс инжекции света внутрь волокна.
· Классификация волокон.
Оптические волокна могут быть классифицированы по двум параметрам. Первый – материал, из которого сделано волокно:
· Стеклянное волокно имеет как стеклянное ядро, так и стеклянную оптическую оболочку.
· Стеклянное волокно с пластиковой оптической оболочкой (PSC).
· Пластические волокна имеют пластиковое ядро и пластиковую оптическую оболочку.
Второй способ классификации основан на индексе преломления ядра и модовой структуре света. Есть три основные особенности волокон в соответствии с этой классификацией.
Первая особенность – различие входного и выходного импульса, это связано с затуханием его мощности. Вторая особенность - траектория лучей, возникающих при распространении света. Третья особенность – распределение значений показателей преломления в ядре и оптической оболочке для различных видов волокон.
Ниже приведены основные характеристики волокон со ступенчатым и со сглаженным импульсом.
Волокна со ступенчатым индексом
Многомодовое волокно со ступенчатым индексом – наиболее простой тип волокон. Оно имеет ядро с диаметром от 100-970 микрон, может быть чисто стеклянным, PSC или пластиковым. Поскольку свет испытывает отражение под различными углами, на различных траекториях в различных модах, длина пути, соответствующая различным модам, также отличается. Таким образом, различные лучи затрачивают разное время на прохождение одного и того же расстояния. Свет, попадающий в волокно в одно и тоже время, достигает противоположного конца в различные моменты времени. Световой импульс расплывается во времени, это называется модовой дисперсией. Это ограничивает возможную полосу пропускания оптических волокон, расплывание импульсов приводит к перекрыванию крыльев соседних импульсов. Вследствие этого трудно отличить один импульс от другого, в результате чего информация теряется.
Волокно со сглаженным импульсом
Одна из возможностей исключения модовой дисперсии - использование сглаженного профиля показателя преломления. В этом случае ядро состоит из большого числа концентрических колец. При удалении от центральной оси ядра показатель преломления каждого слоя снижается. Известно, что свет движется быстрее по среде с меньшим показателем преломления, поэтому, чем дальше расположена траектория светового луча от центра, тем быстрее он движется. Каждый слой ядра отражает свет. В отличие от ситуации со ступенчатым
профилем показателя преломления, когда свет отражается от резкой границы между ядром и оптической оболочкой, здесь свет постоянно и более плавно отражается от каждого слоя ядра. Лучи, которые проходят более длинные дистанции, делают это большей частью по участкам с меньшим показателем преломления, двигаясь при этом быстрее. Свет, распространяющийся вдоль центральной оси, проходит наименьшую дистанцию, но с минимальной скоростью. В итоге все лучи достигают противоположного конца одновременно. Использование сглаженного профиля показателя преломления приводит к уменьшению дисперсии до 1нс/км.
Одномодовое оптоволокно
Другой путь уменьшения модовой дисперсии заключается в уменьшении диаметра ядра до тех пор, пока волокно не станет эффективно передавать только одну моду. Оно имеет чрезвычайно малый диаметр 5-10 микрон. Поскольку данное волокно переносит одну моду, модовая дисперсия в нем отсутствует. Одномодовое волокно позволяет достичь полосы пропускания от 50-100 ГГц на км. Особенностью распространения излучения в одномодовом режиме подчеркивает еще одно отличие одномодового волокна от многомодового. В одномодовом волокне излучение переносится не только внутри ядра, но и в оптической оболочке, в связи с этим, возникает дополнительные требования к переносу энергии в этом слое.
Обработка сигнала
Вследствие того что аналоговый сигнал практически не поддается обработки для его хранения необходимо большое количество магнитных носителей, а передавать его на большие расстояния без усилителей невозможна, возникла необходимость в оцифровки видеосигнала перед его обработкой.
Оцифрованный сигнал сжимается до 1000 крат, передается с помощью компьютерных сетей на любое расстояние, анализируется сложными программными и аппаратными модулями с целью выявления движения в кадре, возможность цифрового увеличения требуемого изображения, хранить оцифрованную информацию становится гораздо проще чем аналоговую (Время записи при отключенном детекторе движения, запись ВИ только на внутренний носитель 40GB, 32 ВК, 1к/с для каждой ВК, ч/б изображение, 768х288 15 – 18, 75 часов).
Для оцифровки видеосигнала применяют устройства -фреймграбберы. В зависимости от целей производителя при создании граббера могут быть использованы различные технологии, поскольку создано большое количество схем, которыми она может комплектоваться. Контроллеры оцифровки бывают двух типов: предназначенные для промышленных и научных приложений или для работы в области мультимедиа.
Грабберы, использующиеся в научных целях для контроля процесса производства, конвертируют видеосигнал с наиболее возможной точностью, внося минимальные искажения. Мультимедийные контроллеры сначала конвертируют сигнал, а затем в эстетических целях изменяют его так, чтобы картинка была более привлекательной. Из-за совершенно различных областей применения контроллеры двух разных типов не могут быть взаимозаменяемыми, хотя некоторые производители мультимедийных плат подают их как “универсальное” решение для всех видов приложений.
Мультимедийный контроллер компонуется таким набором микросхем, которые значительно изменяют видеоинформацию, тем самым внося большое количество артефактов и шума. Эти изменения, которые не присутствуют в изначальном сигнале, могут привести к ошибкам измерения на последующих стадиях обработки и анализа информации. При использовании таких контроллеров в приложениях, которые требуют высокой точности (технологические измерения, микроскопия, инспектирование целостности поверхностей), внесенные изменения могут привести к ложным результатам.
Оцифровка сигнала
В эпоху компьютерных технологий для решения многих прикладных задач в самых различных областях человеческой деятельности (наука, промышленное производство, медицина, кинематография и т.д.) требуется провести оцифровку видеосигнала, т.к. изображение, представленное в цифровом виде проще и быстрее обрабатывать (редактировать) и легче хранить.
Контроллеры оцифровки (грабберы) видеоизображения позволяют произвести захват и анализ сигнала, несущего визуальную информацию. Как правило, они представляют собой встраиваемые платы, подключающиеся к одной из компьютерных платформ. Платы видеозахвата преобразует исходное изображение источника видеосигнала в поток данных, которые могут храниться в цифровом виде, а также обрабатываться, анализироваться и отображаться на экране монитора. Видеосигнал может поступать от самых различных источников: видеокамеры, спецвидеомагнитофона, телевизионного тюнера, мультиплексора с подключенными к нему камерами и подобных этим устройств. Эти источники могут давать композитный (полный) видеосигнал, содержащий яркостную и цветоразностную (в случае цветного видео) составляющие, а также сигналы синхронизации или компонентный видеосигнал, когда различные составляющие сигнала передаются по отдельным линиям (как, например, в случае S-Video, когда яркостный и цветоразностный сигналы передаются раздельно). Кроме того, цветные видеосигналы могут иметь одну из тех принятых в мире стандартных систем кодирования цвета, - NTSC, PAL, SECAM, или их разновидности.
Оцифрованное изображение, полученное в результате видеозахвата, приобретает дополнительно следующие параметры:
разрешение, которое определяет количество элементов изображения и выражается количеством точек (пикселей) по горизонтали и вертикали (256х256, 640х480, 768х576 и др.);
отношение ширины пикселя к его высоте (обычно это 1: 1, но бывают и другие, например, 4: 3);
глубина представления цвета; определяет количество цветов или оттенков одного цвета, измеряется в битах (8 бит – 256 цветов(оттенков серого для монохромного изображения). 10 бит – 1024, 16 бит – 65 536);
частота кадров (Frames Per Second – FPS), скорость с которой кадры сменяют друг друга за единицу времени, обычно за секунду 25 кадров в секунду хватает для того, чтобы изображение было плавным, без скачков.
Контроллеры оцифровки видеоизображения бывают различных типов, различаются по размерам и форме, но несмотря на разницу в дизайне и характеристиках, они, с небольшими исключениями имеют общие принципы функционирования.
Прием видеосигнала
“Передний край” платы – это блок на который приходит сигнал с подключенного устройства. Большинство контроллеров видеооцифровки имеют встроенный мультиплексор – электронный переключатель, который позволяет выбирать один из нескольких видеовходов. Таким образом, к некоторым платам можно подключить до четырех (наиболее эффективно) и более источников видеосигнала. Вдобавок, для выполнения определенных задач многие монохромные грабберы имеют так называемый “цветовой барьер” или фильтры цветности. Необходимость получения монохромного изображения от цветного источника обосновывается тем, что цветная составляющая сигнала может являться причиной интерференционных узоров, которые снижают качество картинки. Фильтры цветности удаляют цветовую составляющую для более качественного приема сигнала и более точного его анализа.
Преобразование аналогового сигнала в цифровой
Аналого-цифровой (АЦ) преобразователь превращает входящий видеосигнал (имеющий аналоговый вид) в цифровые данные, с которыми может
работать компьютер. Технология преобразования аналогового видео сигнала в цифровой называется импульсной модуляцией (ИМ). Теория утверждает что аналоговый видеосигнал можно преобразовать в цифровой если частота выборки по крайней мере в два раза превосходит частоту аналогового сигнала. Выборка представляет собой процесс считывание амплитуды видеосигнала. Результат каждого считывания записывается в виде восьмибитового числа, а затем полученное цифровое представление изображения записывает в буфер собственной памяти. Содержимое буфера постоянно обновляется с частотой смены кадров - т.е. каждые 40 мс.
Так как преобразование происходит в режиме реального времени, используются конвертеры, работающие на частоте 20 МГц и выше. Надо учесть, что их производительность сильно зависит от блока хронометража и синхронизации (timing& synchronization circuitry), ибо именно этот блок отвечает за точное выполнение конверсии.
Некоторые контроллеры имеют возможность программной настройки параметров диапазона приема сигнала (изменение заданных по умолчанию значений), это помогает получить лучшую по качеству картинку при обработке сигнала малой мощности. Возможность тонкого тюнинга порта приема точно под характеристики входящего сигнала позволяет добиться более точной оцифровки.
Синхронизация
Этот блок состоит из систем хронометража, синхронизации и управления приемом изображения. Вместе с блоком конверсии они составляют “сердце” контроллера оцифровки. Схема хронометража может работать как на фиксированной частоте (в случае контроллеров, которые принимают видеосигналы стандартных форматов), так и на частотах, задаваемых программно (в случае контроллеров, принимающих нестандартные видеосигналы, - сигналы малораспространенных кодировок). Работа схемы хронометража жестко связана с работой схемы синхронизации, которая согласует такты схемы хронометража и импульсы входящего видеосигнала.
Платы оцифровки могут иметь дополнительную схему синхронизации на случай видеосигналов, имеющих малое отношение сигнал/шум или не жестко зафиксированную, меняющуюся со временем, частоту. Эти схемы восстанавливают поврежденную/измененную частотность импульсов путем добавления пропущенных импульсов и игнорируя дополнительные. Такие схемы чрезвычайно полезны для получения чистого изображения от сильно “шумящих” источников сигнала, таких как видеомагнитофоны или камеры, передающих сигнал по очень длинному кабелю.
Схема управления приемом изображения позволяет внешним сигналам включать и подготавливать плату для захвата входящего сигнала. Подобные сигналы зачастую связаны с какими-либо процессами, такими, как движение объектов съемки по конвейеру, или другими промышленными ситуациями. Эта схема необходима там, где нужна только периодическая работа платы, а не постоянная.
Обработка изображения
Блок обработки изображения формирует данные после того, как картинка была оцифрована АЦ- конвертером. Таблицы перекодировки (Look-UpTables – LUTs) используются для обработки данных изображения и обычно бывают двух типов: входные (Input LUTs – ILUTs) и цветовые (Palette-matching LUTs). Входные таблицы перекодировки используются для изменения цифровых данных изображения в реальном времени, а также для инверсии и изменения значений шкалы полутонов (шкалы оттенков серого цвета).Конечно, после того, как изображение будет передано в компьютер, все эти операции можно осуществить, используя программное обеспечение, но с помощью аппаратных средств платы это будет сделано намного быстрее. Цветовые таблицы перекодировки, которые часто присутствуют в монохромных контроллерах оцифровки, используются для управления цветовой палитрой компьютера для того, чтобы запущенные программы не отображали монохромные изображения с цветовыми аберрациями.
Схема масштабирования и выделения позволяет уменьшить цифровое изображение ( а в некоторых случаях – увеличить) как по оси Х так и по оси Y перед тем, как переслать его в компьютер. Выделение позволяет выбрать интересующий участок изображения и не учитывать все оставшиеся данные. Управление размером и выделение нужной части изображения уменьшает время обработки и передачи информации. Это необходимо для приложений, которые критичны ко времени, когда требуется обработать много объектов, например, изображение лиц людей на проходной, номеров машин на оживленной автотрассе.
Взаимодействие с шиной PC
Блок взаимодействия с шиной PCI, которая имеет разрядность 32 бита и является стандартным внутренним интерфейсом для большинства современных компьютеров. При работе с видеоприложениями для управления большим объемом данных и обеспечения наибольшей из возможных полосы пропускания обычно требуется технология bus master, которая позволяет передавать данные со скоростью до 132 Мб/с. После того, как данные пересланы в системную память, они могут быть обработаны и проанализированы.
Управление камерой
Блок управления генерирует сигналы, необходимые для настройки и контроля работы камеры, с которой снимается изображение. Сигналы могут содержать информацию о горизонтальной и вертикальной синхронизации, частоте обновления изображения или команду о сбросе текущих настроек. Таким образом, этот блок позволяет устанавливать такие параметры камеры, которые требуются для различных приложений.
Цифровой ввод/вывод
Блок цифрового ввода/вывода позволяет контроллеру ввода/вывода обмениваться данными с внешними устройствами, используя транзисторно-транзисторную логику (Transistor-Transistor Logic – TTL). В большинстве случаев, задачи управления промышленными процессами требуют именно данного типа совместимости. Платы оцифровки, которые имеют блок цифрового ввода/вывода, экономят затраты и силы, которые в противном случае были бы потрачены на покупку, инсталляцию, программирование и подсоединение отдельного контроллера цифрового ввода/вывода.
Аспекты работы контроллеров оцифровки видеоизображения
Входное сопротивление канала.
Некорректное значение входного сопротивления может привести к отражению сигнала, что приведет к искажению входящей видеоинформации (ее дублированию на экране). Чтобы такого не произошло, нужно убедиться, что входной импеданс составляет 75 Ом. Это значение совпадает с выходным сопротивлением видеоисточников, и поэтому не будет являться причиной появления дефектов изображения.
Фильтрование входящего сигнала
Фильтры цветности, которые используются в монохромных грабберах для удаления цветовой составляющей из видеосигнала, позволяют произвести качественный прием и более точный анализ информации. Однако, если данные фильтры спроектированы неверно, они удалят и дополнительную информацию, которая необходима для получения детализированного изображения. Поэтому, нужно удостовериться, что плата оснащена высококачественными фильтрами, которые не сужают полосу пропускания и удаляют только цветовую информацию.
Уровень вносимых ошибок
Если блоки приема и конверсии сделаны с ошибками, то они вносят помехи, сильно искажающие видеоданные. Самыми важными являются не характеристики вносимого платой шума: суммарная нелинейность и среднеквадратическое отклонение, которые измеряются в единицах, называющихся lsb (Least Significant Bit - младший значимый разряд). Lsb характеризует точность цифрового представления серых тонов. Суммарная нелинейность характеризует отклонение серого цвета, полученного контроллером, от серого цвета исходного изображения, а среднеквадратичное отклонение – помехи, вносимые схемами платы. Чем меньше величины обеих характеристик, тем выше качество работы контроллера. Если они не превышают 0, 5 lsb, то это значит, что данный граббер является превосходным инструментом для оцифровки изображения.
Популярное:
