...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Попов Георгий Леонтьевич

Глаз часто сравнивают с фотоаппаратом: хрусталик — это объектив, фокусирующий изображение на сетчатку; зрачок — диафрагма, сужающаяся при большой освещенности предмета и расширяющаяся при малой: сетчатка — фотопленка, на которой фиксируется изображение предмета. Конечно, сходство здесь чисто внешнее, процессы, которые происходят в сетчатке глаза, на самом деле гораздо сложнее процессов, происходящих в фотопленке.

Сетчатка глаза состоит из множества светочувствительных элементов, или, как их называют, фоторецепторов — палочек и колбочек, соединенных с окончаниями волокон зрительного нерва. Два элемента

изображения воспринимаются отдельно, если они попадают на две рядом расположенные колбочки. Каждая колбочка присоединена к отдельному окончанию нервных волокон. С помощью этих колбочек различаются мелкие детали изображения. Палочки подсоединяются к окончаниям нервных волокон группами и позволяют судить о яркости данного участка изображения. Следовательно, любое изображение, сфокусированное хрусталиком на сетчатку, разбивается на отдельные элементы. При различной яркости этих элементов по-разному раздражаются нервные окончания и в них возбуждаются биотоки различной силы. По волокнам зрительного нерва (этого удивительного, состоящего почти из 150 млн "проводов" природного "кабеля связи") биотоки передаются в мозг.

Человек постоянно учится у природы, копирует ее, стремится превзойти ее наивысшие достижения. Так были созданы "искусственная гортань" и "искусственное ухо". Сейчас во многих устройствах автоматики и связи успешно трудится "искусственный глаз" — фотоэлемент, который служит для преобразования яркости света в электрический ток. Например, фотолюбителям знаком прибор, определяющий экспозицию при съемке, — фотоэлектрический экспонометр. Направляя его "глаз" на объект съемки, можно измерить яркость отраженного от объекта света. Свет, попадая на катод фотоэлемента, выполненный из специального светочувствительного материала, выбивает из него электроны. В цепи фотоэлемента появляется электрический ток: чем ярче свет, тем больше ток.

Итак, яркость элемента изображения можно измерить с помощью "электронного глаза" — фотоэлемента. Как вы помните, в изображении размером всего лишь со спичечный коробок насчитывается до 200000 таких элементов. Ясно, что измерить яркость каждого из них с помощью своего собственного фотоэлемента, как это делается в глазу человека, лишено всякого смысла. Как же быть?

Обратите внимание на то, как вы читаете эту книгу. Ваши глаза скользят по строке слева направо, затем вы переходите к началу другой строки и т. д. до конца страницы. Словом, вы "просматриваете" все элементы строки (буквы, знаки препинания) последовательно. Можно сказать, что при чтении книги происходит построчная развертка текстового изображения.

Именно по такому принципу "просматривает" изображение "электронный глаз" в современных факсимильных (от латинских слов facsimile — делай подобное) аппаратах, предназначенных для передачи на расстояние различного рода изображений — документов, чертежей, рисунков, фотографий и др. Для этого с помощью источника света и системы оптических линз формируют световое пятно, сфокусированное так, чтобы освещать на передаваемом изображении площадку размером не более 0,1х0,1 мм. Это световое пятно перемещается сначала вдоль одной строки, затем переходит на другую и движется по ней — и так до конца последней строки. Свет, отражаясь от каждой элементарной площадки, попадает на фотоэлемент и вызывает ток. Его сила зависит от яркости отраженного света, а последняя — от яркости освещенной площадки. Таким образом, при переходе светового пятна на изображении от одной элементарной площадки к другой ток в цепи фотоэлемента меняется пропорционально яркости площадок: мы получаем точную электрическую копию изображения!

Теперь представьте, что с помощью такого вот "электронного глаза" мы рассматриваем изображение, состоящее только из двух цветов: черного и белого. Очевидно, каждый элемент изображения (напомним, что размером он всего 0,1х0,1 мм) будет представлять собой либо черную, либо белую площадку, напоминая чередованием шахматную доску. Черные площадки практически полностью поглощают падающий на них свет. Яркость отраженного ими света при этом настолько ничтожна, что при просмотре черных площадок ток в цепи фотоэлемента не возникает. Отсутствие тока (нулевое его значение)

удобно обозначить цифрой 0. Наоборот, площадки белого цвета почти полностью отражают падающий на них свет, и при попадании на них светового луча ток в цепи фотоэлемента скачком принимает максимальное значение. Обозначим сто цифрой 1. Таким образом, перемещая световое пятно, а вслед за ним и наш "искусственный глаз" вдоль каждой строки изображения, получаем на выходе фотоэлемента последовательность импульсов, которая есть ничто иное, как двоичный цифровой код изображения. Этот код можно либо поместить в электронную память, либо передать по линии связи.

— А как получить ток в виде двоичных импульсов, если изображение имеет плавные переходы от белого цвета к черному, как, например, на фотографии? — спросит читатель. — Ведь в этом случае ток в цепи фотоэлемента будет меняться тоже плавно.

Законный вопрос. Чтобы на него ответить, вспомним, каким образом мы поступали, когда имели дело с плавным изменением звукового давления, точнее, с плавным изменением его "электрической копии" — тока микрофона. В этом случае включали на выходе микрофона АЦП, который с помощью встроенного в него электронного ключа выделял отсчетные значения тока и затем, "взвешивая" их на "электронных весах", вырабатывал двоичный импульсный код.

При двоичном кодировании фотографии нужно прежде всего решить вопрос, с какой частотой АЦП должен брать отсчетные значения тока в цепи фотоэлемента. Ясно, что за промежуток времени, пока "рассматривается" один элемент изображения, нужно взять хотя бы одно отсчетное значение, иначе информация об этом элементе будет пропущена. Например, если световое пятно освещает каждую элементарную площадку изображения в течение 1 с, то и отсчетные значения тока следует брать не реже чем через 1 с. Если же на "рассматривание" элемента изображения тратится времени в 10 раз меньше, т. е. 0,1 с, то каждую секунду нужно выделять, по крайней мере, 10 отсчетных значений. Вот такой интервал.

В современных факсимильных аппаратах световое пятно и фотоэлемент перемещаются вдоль строк изображения с помощью механических систем. Световому лучу удается при этом "пробегать" за 1 с более 2000 элементов изображения — своеобразный световой спринт. Нетрудно подсчитать, что на "просмотр" одного такого элемента приходится отрезок времени, не превышающий 1/2 000 = 0,0005 с = 500 мкс. Через такие интервалы (или чаще, но не реже) и должен выделять отсчетные значения тока АЦП. Заметьте, чтобы не потерять информацию при кодировании звукового сигнала, приходилось брать его отсчетные значения гораздо чаще: через 125 мкс для речи и через 25 мкс для сигналов с более богатой звуковой палитрой — музыки, шума прибоя, щебетания птиц и т. п. Это сравнение не относится к факсимильным аппаратам, предназначенным для передачи газет, где скорость развертки значительно выше: более 200000 элементов изображения в секунду, в результате необходимо брать отсчеты тока в 100 раз чаще — через 5 мкс.

Мы уже упоминали, что для удовлетворительного воспроизведения фотографии достаточно сохранить всего 20 градаций полутонов при переходе от белого тона к черному. Это означает, что каждое отсчетное значение тока должно сравниваться в АЦП с одним из 20 эталонных значений, соответствующим той или иной градации яркости. Для этих целей можно было бы использовать АЦП, кодирующий каждое отсчетное значение 5-разрядным двоичным кодом. Но, поскольку промышленностью выпускаются стандартные 8-разрядные микросхемы АЦП, удобнее использовать их. Кстати, это позволяет сохранять в изображении до 255 градаций яркости и делать тем самым его цифровую копию еще более точной, приближенной к оригиналу.

…В конце XIX века в преступном мире Парижа возник переполох. В руки полиции все чаще стали попадать действовавшие ранее безнаказанно матерые преступники. Резко повысить раскрываемость преступлений помогла созданная начальником Бюро судебной идентификации парижской префектуры Альфонсом Бертильоном картотека "словесных портретов" преступников, нарисованных со слов свидетелей.

К сожалению, словесные портреты не гарантируют высокой точности опознания разыскиваемых лиц: часто облик, созданный по указаниям свидетелей, весьма далек от реальности. Наличие у следователя фотографий подозреваемых лиц значительно повышает вероятность опознания. В распоряжении следственных органов имеются фотокартотеки, в которых хранятся тысячи фотографий представителей преступного мира.