Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Cелективность [лат.; см. селективный] - способность радиоприемного устройства выделить сигнал нужной радиостанции из большого числа сигналов, посылаемых другими радиостанциями.
ТОПОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ, твердофазные р-ции, протекающие локально, в определенных участках твердого тела, там же локализуется и твердая фаза продукта. Типичные топохимические реакции: выщелачивание горныхпород, восстановление металлов из руд, обжиг, нек-рые стадии фотографич. процесса, хим, травление.
В большинстве случаев топохимические реакции начинаются в области протяженных дефектов кристаллич. решетки (дислокаций, границ зерен и т. п.), где потери энергии на деформацию связей хим. подсистемы с решеткой уменьшаются и существует нек-рый свободный объем, облегчающий переориентацию реагирующих частиц и их взаимодействие (см. Реакции в твердых телах). В результате образуются зародыши новой фазы продукта и формируются новые протяженные дефекты-межфазные границы между исходной твердой матрицей и твердой фазой продукта. Дальнейший рост фазы продукта происходит вследствие р-ции на этих границах, а скорость процесса пропорциональна площади пов-сти раздела фаз, к-рая вначале растет, а затем уменьшается по мере слияния отдельных частиц фазы продукта.
Такая кинетика действительно наблюдается в тех случаях, когда продукты р-ции легко выделяются из исходной матрицы, без существенного нарушения ее структуры. Если же в результате формирования новой фазы изменяется локальная структура матрицы в зоне р-ции, скорость топохимических реакций резко падает уже при малых степенях конверсии. Так происходит, напр., при твердофазной полимеризации ряда гетероциклов и диацетиленовых соед. из-за амортизации участков кристаллич. матрицы реагентов на границе с зародышами фазы продукта.
Т. обр., для топохимических реакций характерно, что кинетика р-ции обусловлена топографией тела в зоне р-ции. Этот смысл отражен в термине "топохимические реакции" (введен В. Кольшуттером в 1919). Однако при таком подходе не учитывается, в какой степени хим. структура и пространств. строение продукта связаны со структурой матрицы, т. е. с расположением частиц в решетке твердого тела.
Согласно совр., более строгому определению, топохимические реакции-это такие твердофазные процессы, при к-рых исходная конфигурация частиц в решетке твердого тела однозначно определяет конфигурацию продукта, т.к. межмолекулярные взаимод. в решетке препятствуют переориентации реагирующих частиц при перемещении хим. подсистемы вдоль координаты р-ции. Впервые такой "топохим. контроль" был обнаружен Дж. Шмидтом и М. Коэном в 1964 при исследовании фотодимеризации разл. кристаллич. модификаций коричной к-ты С6Н5СН=СНСООН. В кристаллах а-модификации в соответствии со структурой решетки образуется всегда только труксиловая к-та, вкристаллах b-модификации -труксиновая:
Помимо высокой селективности по хим. структуре продукта, топохимические реакции отличаются и стереоселективностью. Так, при жидкофазной фотодимеризации производных бутадиена с фенильными (Ph) и тиофеновыми (Th) заместителями возникают два энантиомгра I и П. Однако в монокристаллах, образованных смесью этих мономеров, под действием асимметричного поля решетки происходит преим. образование одного из энантиомеров -I или II, в зависимости от того, как возбужденные молекулы мономеров взаимод. с полем решетки:
При определенных условиях топохимической реакции кристаллографич. оси образующихся кристаллов продукта ориентированы относительно кристаллографич. осей исходной матрицы. Иными словами, кристаллы реагентатопохимически преобразуются в кристаллы продукта. Такое преобразование возможно, если мех. напряжения, сопровождающие твердофазную р-цию, не нарушают упорядоченного расположения частиц, что имеет место, напр., при фотоциклодимеризации диенов, ступенчатой фотоциклополимеризации нек-рых производных дивинилбензола. Однако во мн. случаях, напр. при полимеризации кристаллич. мономеров, структурная корреляция между исходнойматрицей и продуктом существует только в начальной стадии р-ции.
В решетке аморфного твердого тела структура отдельных ячеек различна, соответственно и структура фазы продукта топохимической реакции оказывается неоднородной. Напр., при фотодимеризации стеклообразных эфиров коричной к-ты, в отличие от аналогичной р-ции в кристаллич. к-те, селективность по хим. структуре продукта не имеет места.
Топохимические реакции используются в орг. и неорг. синтезе. На основе топохимических реакций фотоциклоприсоединения в кристаллах бифункцион. диоле-финовых соед. разработаны методы получения новых оптически активных полимеров (см. Твердофазная полимеризация). Важное значение имеет топохим. полимеризация кристаллич. диацетиленов, в результате к-рой образуются полимерные кристаллы, состоящие из вытянутых регулярных цепей с сопряженными связями. Эти кристаллы перспективны как материал нелинейной оптики и мол. электроники.
Анизотропия — антипод изотропии (инвариантности свойств по отношению к выбору направления) и характерна практически для любой материи с пространственно-упорядоченными структурными элементами.
Анизотропия является характерным свойством монокристаллов и означает, что в общем случае свойства кристалла в различных направлениях различны и лишь в частных случаях могут быть одинаковыми. Анизотропия кристаллов обусловлена различной плотностью упаковки атомов и молекул в кристаллической решетке в различных направлениях. Важным следствием существования кристаллографической анизотропии является образование текстуры — преимущественной ориентациизерен в поликристаллических материалах. Ее формирование приводит к анизотропии функциональных свойств металлических изделий, подвергнутых термомеханической обработке (прокату, штамповке и др.), волокнистых и пленочных материалов, многих композиционных материалов. На формирование комплекса магнитных свойств веществ и материалов большое влияние оказывает магнитокристаллическая анизотропия. Анизотропия свойственна также жидким кристаллам и движущимся жидкостям.
Как известно [1], скользящие окна (маски), применяемые для обработки изображений, представляют собой таблицы действительных чисел (весовых коэффициентов) размером . Их действие на локальную область изображения с центром в элементе fi,j состоит в усреднении с весами – коэффициентами маски значений яркости элементов изображения в окне .
Так, значение яркости элемента gi,j изображения - результата (назовем его откликом) для маски
определяется из соотношения
(1)
Индексы i,j в (1) пробегают почти все значения, соответствующие размеру исходного изображения, за исключением граничных полос (в данном случае – за исключением первой и последней строки, а также первого и последнего столбца матрицы исходного изображения). Таким образом, результат требует доопределения границ [2], но учитывая, что размеры изображений обычно много больше размеров масок, неопределенными граничными элементами результата можно просто пренебречь и ограничиться изображением – результатом меньшего размера. Далее в этой статье рассматриваются неадаптивные маски, т.е. такие, коэффициенты которых постоянны (не зависят от координат или яркостей пикселов текущей области)
Наиболее распространены в практике маски размера (Лапласа, Превитта, Собела, Кирша, Робертса и т.д.) ввиду их высокой вычислительной эффективности. Выражение (1) представляет собой определение дискретной свертки функции f с ядром M. Если представить непрерывную функцию f(x, y), являющуюся образующей для дискретного аналога fi,j , в виде разложения в ряд в окрестности точки (x,.y)
(2)
то можно реализовать свертку (1), принимая p = h, q = k. Понятно, что в случае маски можно ограничиться в (2) частными производными не выше второго порядка. Тогда
(3)
Здесь мы приняли обозначения
и т.д.
В пределе, когда можно считать, что , ( – размер изображения), выражение (3) определяет некоторый линейный дифференциальный оператор второго порядка , действующий на непрерывную функцию изображения:
(4)
Выражение (4) можно трактовать как двумерную свертку функции f(x, y) с ядром
(5)
Ядро свертки в этом случае является обобщенной функцией на бесконечно малом носителе (аналог окна маски в дискретной области).
Окончательно, выражение для дифференциального оператора, соотвествующего маске М будет следующим:
(6)
Предложенный подход открывает возможности классификации известных и создания новых ядер свертки для обработки изображений. В самом деле, линейный дифференциальный оператор второго порядка в общем виде может быть записан как
, (7)
где матрица [amn] симметрична.
Если формально записать уравнение характеристик в виде
, (8)
то ясно, что при заданной матрице amn оно описывает некоторое коническое сечение. Заметим, что вводимые нами термины и определения здесь и далее обозначаются курсивом. Маски, для которых a22 = 0 назовем однородными, в противном случае - неоднородными.
2. Классификация масок
Предлагается классифицировать маски по типу конического сечения, соотвествующего уравнению характеристик. Классификация конических сечений хорошо известна [3] (Приложение 1). Например, применим этот принцип классификации к маске "Лаплас-1" . Согласно (6) ей соответствует дифференциальный оператор с характеристикой , которая описывает действительную точку пересечения двух мнимых прямых.
Удобно далее записывать маски в матричных обозначениях (круглые скобки), имея в виду, однако, что для масок отсутствует понятие "матричного произведения", но сумма масок имеет смысл вследствие линейности (1). Таким образом, будем записывать маски в виде:
(9)
Тем не менее, если маске М поставить в соответствие матрицу mp,q, а дифференциальному оператору в (3) матрицу
, (10)
то оказывается справедливой
Теорема 1
Сумма собственных значений произведения равна
3. Обратная задача
Обратная задача, состоящая в нахождении коэффициентов маски Mс, соответствующей заданному дифференциальному оператору , решается весьма просто, если применить каноническое разложение. Легко убедиться, что
, , ,
, , (11)
Отсюда непосредственно следует, что
(12)
Таким образом, применение канонического разложения (11) позволяет решить обратную задачу весьма простыми средствами, без привлечения дополнительных условий. Назовем маску вида (12) канонической. Опуская ряд громоздких преобразований, приведем выражение, прямо связывающее коэффициенты исходной и канонической масок:
(13)
Произвольной маске М и ее каноническому аналогу Мс соответствует один и тот же дифференциальный оператор, но их дискретные свертки с некоторым изображением f, вообще говоря, не совпадают. Это связано с тем, что мы ограничились в (3) производными второго прядка. Поэтому следует ожидать более точного совпадения откликов, если изображение не содержит слишком резких перепадов яркости.
Приведем пример. Однородной маске Кирша
(14)
соответствует гипербрлический оператор (Приложение 2):
(15)
с матрицей характеристики (8)
(16)
Выражение для канонической маски Кирша согласно (13) будет следующим:
(17)
Профиль отклика оператора (15), действующего на двумерный гауссиан представлен на рис. 1.
а) б)
Рис. 1. Профиль отклика оператора Кирша, действующего на гауссиан (а) и соответствующая контурная карта (б) профиля.
На рис. 2. представлено тестовое изображение fi,j размером P = Q = 128 и глубиной 8 бит -а), отклик gi,j оператора Кирша -б) и канонического оператора Кирша gci,j -в)
а) б) в)
Рис. 2. Тестовое изображение fi,j (а) отклик оператора Кирша gi,j (б) и отклик канонического оператора Кирша gci,j (б).
Относительную разность откликов можно оценить, как
, (18)
где стандартное отклонение откликов g и gc равно
, (19)
а амплитуда полусуммы откликов
(20)
В случае тестового изображения (Рис. 2.)
Amp = 4049, и Dev = 0,038 (21)
Таким образом достаточно малая относительная разность откликов Dev, что наглядно видно из сопоставления рис. 2 (б) и (в), позволяет равноправно использовать как исходные, так и канонические маски.
В табл. 1 приведены результаты вычислений канонических аналогов для известных масок, широко применяемых при обработке изображений. Здесь же даны величины Dev для конкретного изображения рис. 2.
Таблица 1.
Сравнение исходной и канонической форм масок
|
Название |
Маска |
Характеристика |
Каноническая маска |
Dev |
|
Кирша (0) |
0,038 |
|||
|
Кирша (45) |
0,023 |
|||
|
Робинсона (0) |
0,036 |
|||
|
Робинсона (45) |
0,024 |
|||
|
Собела |
0,026 |
|||
|
Превитта (0) |
0,036 |
|||
|
Превитта (45) |
0,022 |
|||
|
Робертса-1 (0) |
0,039 |
|||
|
Лапласа-2 |
0,028 |
|||
|
Градиент по xи y |
0,052 |
|||
|
Blur |
0,018 |
|||
|
Маска сглаживания № 2 |
0,016 |
|||
|
Маска сглаживания № 3 |
0,01 |
Маски
Робертса-1 (45): , Робертса-2: , Лапласа-1: ,
градиент по x: , градиент по y: - сами являются каноническими
Из табл. 1. видно, что канонические маски Собела и Превитта (0) с точностью до постоянных множителей совпадают с маской градиента по x (назовем их эквивалентными) Каноническая маска Превитта (45) эквивалентна канонической маске градиента по x и y, маски Лаплас-1 и Лаплас-2 также эквивалентны.
Эти примеры показывают, что каждой канонической маске может соответствовать множество эквивалентных неканонических масок (образуя класс эквивалентности).
|
Маска |
Дифференциальный оператор |
Характеристическая матрица |
|||||||
|
|
|||||||||
|
Инварианты |
Собственные значения |
Канонические параметры |
|||||||
|
I |
D |
A |
A’ |
l1 |
l2 |
a |
b |
P |
e |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
- |
- |
- |
- |
|
Действительная прямая |
|||||||||
|
|
|||||||||
|
Профиль производной |
|
||||||||
|
Амплитудно – частотная характеристика фильтра |
|||||||||
|
K(u,v) = 1 |
Примечание:
-пояснения к терминам - в тексте
-обозначения канонических параметров характеристики и ее инвариантов соответствуют Приложению 1
ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.
До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.
Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя.
После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.
Архитектура пикселей у производителей разная.
Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)
Обозначения на схеме субпикселя ПЗС: 1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 — оксид кремния;
6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;
7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;
8 — кремниевая подложка p-типа.
Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых—преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.
Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий— он либо «срикошетит» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается — необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.
В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p-типа оснащается каналами из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n -типа создаётся потенциальная яма, назначение которой— хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.
Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.
Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.
Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра— то есть усилителю.
В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.
«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.
Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя — при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame matrix smear).
Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.
Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame — transfer CCD). Матрица с буферизацией кадра В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания— строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.
Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.
Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD -matrix), в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра— в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром— его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования. Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров— не менее 30кадров секунду. Матрица с буферизацией столбцов Зачастую в отечественной литературе матрицы с буферизацией столбцов ошибочно именуют «чересстрочными». Вызвано это, наверное, тем, что английские наименования «interline» (буферизация строк) и «interlaced» (чересстрочная развёртка) звучат очень похоже. На деле же при считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной разверткой (progressive scan), а когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй— чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan).