Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана каф. РЛ-6 «Технологии приборостроения»

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ВЕЛИЧИНЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВЯЗЕЙ В КЛЕТОЧНОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ

Студент группы РЛ6 62

Колоколов А.В.

Научный руководитель

доц. Малышев К.В.

Москва – 2014

1. Постановка задач исследования

Объект исследования–плоская клеточная нейронная сеть (КНС) из 16 ячеек по горизонтали и 16 ячеек по вертикали. Каждая ячейка состоит из нелинейного резистораR_NL и ёмкости величиной С=1 пФ. Связь между ячейкамиосуществляется с помощью сопротивлений величинойR. Максимальный ток в цепи I_max=1 мА.

Предмет исследования–искажения изображенияпри изменении величины сопротивления связей между ячейками КНС.

Исходное состояние проблемы–методика преобразования изображений лежит в основе математической модели, реализованной в виде программы, с помощью которой и предполагается проводить исследование.

Цель работы:исследоватьпреобразование изображения в клеточной нейронной сети в зависимости от сопротивления связи между элементами

Гипотеза исследования: изменение величины сопротивления связи при прочих постоянных параметрах системы влияет на качество изображения, получаемого в КНС.

Задачи исследования:

1) Исследовать преобразование изображения в КНС при изменении сопротивления связи Rмежду ячейками, когда ВАХ нелинейного элемента имеет форму Морфу.

1. Введение

   1. Клеточные нейронные сети (КНС)

Клеточные нейронные сети представляют собой совокупность одинаковых элементов, соединённых между собой связями. КНС бывают одномерные и многомерные. В нашем случае рассматривается двумерная КНС, состоящая из N_xячеек по горизонтали и N_yячеек по вертикали. Эти сети позволяют производить параллельную обработку любых сигналов. Подобная обработка замечательна тем, что многократно повышается скорость обработки сигнала в отличие от последовательной обработки.

1. Методика преобразования изображения в КНС

В данном исследовании применяется двумерная КНС размерностью N_x*N_yячеек. Ячейка состоит из ёмкости Cи нелинейного сопротивления R_NL. Элементы связаны между собой сопротивлениями R. (рис.1) Каждой ячейке КНС соответствует свое напряжение.

Изображение, преобразованное в КНС, представляет собой совокупность точек, имеющих белый, серый или чёрный цвет. Под каждой точкой располагается ячейка КНС с соответствующим напряжением. Интенсивность цвета точки пропорциональна этому напряжению.

Подобно одномерной КНС, двумерную можно описать аналогичным изображением.

U_k-1,_n

U_k,_n

U_k,_n+1

U_k,_n-1

U_k+1,_n

Рис.1 Двумерная КНС

В формуле (2) первые два слагаемых представляют собой диффузионную силу F_дифф, а третье – реакционную F_реакт. Диффузионная сила позволяет сгладить участки сигнала, т.е. снижает кривизну отдельных участков, уменьшает всплески и горы, заполняет долины. Чем выше кривизна участка, тем с большей скоростью он сглаживается, и как следствие это позволяет сгладить довольно высокие пики зашумлённых участков сигнала. Реакционая сила позволят исправить искажения сигнала, вызванные диффузионной силой, т.е. она противодействует диффузионной силе, оттягивает ямы вниз, а холмы вверх.

Величина относительных искажений δ_отн вычисляется по формуле (3):

1. Результаты работы

При исследовании изменялось сопротивление связи Rмежду ячейками КНС. Rпринимало следующие значения: 1 Ом, 3 Ом, 10 Ом, 30 Ом, 100 Ом. Остальные параметры были постоянны:

• Число ячеек=16*16

• С=1 пФ

• I_max=1 мА

• T=10пс

• U_m=0,5В

• dU=0,5В

1. Исследование преобразования изображения при изменении сопротивления связи

На рисунках 2-3показаны изображения в разные периоды времени в КНС, имеющей ВАХ Морфу. Белый цвет точки соответствует напряжению 1 В, белый – 0 В.

Р ис. 2 Преобразование изображения при сопротивлении связи 1 Ом

Рис. 3 Преобразование изображения при сопротивлении связи 100 Ом

Рис. 4 Относительные искажения изображения при сопротивлении 1 Ом

Рис. 5 Относительные искажения изображения при сопротивлении 100 Ом

Выводы по этой задаче:

1) Из рисунков 2-3 видно, что наиболее близкое к эталону изображение получается при сопротивлении связи R=1 Ом. Это происходит вследствие того, что при увеличении сопротивления диффузионная сила, отвечающая за расплывание изображения, уменьшается и в итоге мы получаем нечёткое изображение.

2) Из рисунков 4-5 видно, что относительные искажения преобразования изображения при увеличении сопротивления почти не изменяются.

1. Выводы

1. Исследовано преобразование изображения при изменении сопротивления связи. Выявлено, что при увеличении сопротивления чёткость изображения падает.

2. Относительное искажение изображения изменяется незначительно при увеличении сопротивления.