Обработка изображений на основе аналоговых нейрокомпьютеров (стр. 3 из 7)
Наиболее распространенный НПВ – аналоговое математическое моделирование по методу непрямой аналогии, основанному на операционно-блочном построении модели, когда каждой операции и функции уравнений исходного оригинала в модели соответствует подобный операционный блок (сумматор, интегратор, блок умножения и деления, функциональный преобразователь и т.п.). Используя достаточный набор типовых операционных блоков, можно решать широкий класс математических задач. Программирование аналоговых вычислительных машин (АВМ) заключается в составлении схемы аналоговой модели, представляющей собой схему соединения друг с другом типовых операционных блоков в соответствии с заданной задачей, и в расчете настраиваемых параметров операционных блоков, так называемом масштабировании модели.
Например, нелинейное неоднородное обыкновенное дифуравнение второго порядка:
при начальных условиях:
может быть запрограммировано к решению на АВМ следующим способом.
Схема аналоговой модели составляется методом понижения порядка (выделением высшей производной и последовательным её интегрированием) и методом неявных функций, условно полагая искомые
якобы вначале известными: 
Блок 1 – аналоговый сумматор со стандартным оператором:
Блок 4 – инвертор с оператором:
.Блоки 2,3 – аналоговые интеграторы со стандартным оператором:
.Блок БУ – аналоговый блок умножения с оператором:
, гдеk – коэффициент нормирования шкалы выходного напряжения:
,а
- предельное значение шкалы на выходе операционного блока ( 
в АВМ типа МН – 7).Решение дифференциального уравнения начинается в момент времени t=0 синхронного замыкания пусковых ключей К1, К2 на входах интеграторов и завершается по окончании переходных процессов. Следовательно, в процессе вычислений все операционные блоки модели функционируют параллельно и одновременно. Этим и объясняется возможность повышения производительности на основе НПВ.
В исходном состоянии модели при разомкнутых ключах К1, К2 выполняется подготовка АВМ: ввод значений коэффициентов передачи (КП) К11,…, К14, К21, К31 и начальных условий, соединение операционных блоков по схеме модели.
Масштабирование модели состоит в расчете КП: К11,…, К14, К21, К31; НУ:
и машинной переменной правой части Uy с учетом масштабов переменных. Оно заключается в выводе масштабных уравнений модели на основе сопоставления сходственных систем уравнений оригинала и модели.Уравнения оригинала со вспомогательными переменными х1, х2 и обязательной нормировкой величины коэффициентов в левой части уравнений К=1:
Уравнения модели как совокупность стандартных операторов операционных блоков (при выводе масштабных уравнений начальные значения интегралов вначале не учитываются.):
Уравнения модели, преобразованные в сходственную с оригиналом дифференциальную форму:
Уравнения модели, преобразованные путем замены машинных величин на математические величины оригинала с учетом их масштабов:
где
Нормированные уравнения модели:
Масштабные уравнения модели, полученные путем сопоставления коэффициентов в одноименных членах нормированных уравнений модели и оригинала в соответствии с необходимостью тождественности сходственных уравнений модели и оригинала:
из которых однозначно находятся требуемые величины КП операционных блоков модели.
Масштабные соотношения НУ и правых частей:
Основной недостаток данного типа НПВ – сравнительно большая погрешность решения задач, которая даже при относительной погрешности операционных блоков, построенных, как известно из схемотехники, на прецизионных резисторах и конденсаторах и операционных усилителях с очень большим коэффициентом усиления КУ=105…107, равной dОБЛ=100D/Umax=0,01…0,1%, достигает dмодели»1…5% из-за накоплений их погрешностей в сложных схемах аналоговых моделей.
Точность неалгоритмических вычислений повышают путем частичного или полного перехода от аналогового к цифровому моделированию, сохраняя основные преимущества НПВ – параллельное функционирование операционных блоков в вычислительном процессе. Применяются два основных подхода:
Реализация операционных блоков на цифровой схемотехнической элементной базе;
Распределение с учетом допустимой погрешности вычислений частей сложной задачи между аналоговым и цифровым процессорами.
ЭВМ, построенные с использованием сочетания аналогового и цифрового НПВ, т.е. аналогового и цифрового моделирования, называется гибридными вычислительными машинами (ГВМ), а ВС, представляющие собой комплекс ЦВМ и АВМ, объединенных с помощью ЦАП и АЦП, – гибридными (аналого-цифровыми) вычислительными комплексами (ГВК или АЦВК).
Следовательно, к НПВ, кроме аналогового математического моделирования, относятся:
· Цифровое моделирование (конечно-разностное и разрядное моделирование);
· Аналого-цифровое моделирование (частичное использование с целью повышения производительности параллельного НПВ в аналоговой части);
· Цифровой НПВ на основе неалгоритмического потокового программирования по степени готовности операндов, а не последовательности команд, как это принято в традиционно-абстрактной модели ЦВМ фон-Неймана.
Последний НПВ позволяет использовать для повышения производительности естественный параллелизм операций, имеющийся в большинстве решаемых задач. Однако он реализуется на основе особой функциональной и структурной организации цифрового процессора и особого машинного языка низкого уровня, отличающегося от ассемблера ЦВМ фон-Неймана, оставаясь по основным чертам абстрактной модели цифровой машиной, и поэтому к ГВМ не относится. ЭВМ этого типа организации принято называть потоковыми ЦВМ.
Особое место среди ГВМ занимают получившие весьма широкое распространение цифровые процессоры сигналов. В них не используется НПВ, а к ГВМ они относятся потому, что на входном и выходном их портах ввода-вывода дополнительно подключаются входной АЦП и выходной ЦАП, позволяющие по цифровым алгоритмическим программам обрабатывать аналоговые сигналы после их квантования по времени и по уровню. В настоящее время они успешно вытесняют сложную и недостаточно стабильную и технологичную преобразующую и вычислительную аналоговую схемотехнику. Однако для того, чтобы они с достаточной точностью обрабатывали широкополосные аналоговые сигналы (диапазон частот спектральных составляющих от 1 до 10 МГц) предъявляются очень высокие требования, как к быстродействию их элементной базы, так и производительности процессора. В них применяются сверхпараллельные функциональные узлы АЛУ, например однотактные матричные блоки умножения, однотактные параллельные двигатели и особая конвейерная организация структуры АЛУ и т.п. Со всеми этими методами организации, позволяющими повысить производительность, мы ознакомимся в этой дисциплине. Начнем с особенностей организации ГВМ и ГВК.
Аналоговое математической моделирование с применением аналоговой электронной и оптоэлектронной элементной базы на физическом уровне в настоящее время применяется сравнительно редко только в тех случаях, когда это дает выигрыш по сравнению с цифровой схемотехникой в 100…1000 раз по производительности, потребляемой мощности и габаритам. Это электронные и оптоэлектронные СБИС аналоговых нейрокомпьютеров, позволяющие строить узкоспециализированные ЭВМ, решающие некоторые сложные задачи за 10 мкс…1 мс. Это аналоговые процессоры нечеткого логического вывода, имитирующие в системах автоматики действия человека-оператора. Это однотактные оптические устройства преобразования Фурье плоских изображений, представляющие собой две системы линз, между которыми на пути световых лучей помещается полупрозрачный электрически управляемый транспарант обрабатываемого изображения. Результаты обработки снимаются матрицей фото-электрических преобразователей в задней фокальной плоскости. Машины такой организации относятся к специализированным и будут рассмотрены в следующей дополнительной учебной дисциплине.