Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 56
Текст из файла (страница 56)
При этом емкости фотодиодов снова заряжаются, стирая сохранившиеся в них заряды. Время ~„ „ определяет накопленную ячейкой энергию светового потока, а следовательно, ее чувствительность. Адресный импульс подается на выбранную строку матрицы, и все ячейки этой строки считываются параллельно.
Таким образом, в фотодиодной матрице организуется параллсльно- 6.3. Датчики изображения последовательное считывание информации (' параллельно Элементов строки, последователыю строк, причем в произвольном порядке). Схема телекамеры с фотодиодной маириией представлена на рис. 6.16, в. Генератор тактовых импульсов устанавливает рабочую частоту, а устройство управления определяет последовательность опроса ячеек матрицы. Формирователь адреса устанавливает амплитуду и длительность адресных импульсов и распределяет их по адресным входам матрицы в соответствии с заданным порядком считывания. Данные из ячеек поступают через усилители считывания и АЦП в буфер|тое устройство, используемое для сстласования последовательности и скорости вывода данных из камеры и их ввода в процессор обработки изображении.
Частота вывода кадров определяется временем ~„~„и варьируется в диапазоне 2ОО;..5ООО Гц. у О 8 Рис. б.16. Фотодиодная телекамера: а — ~лехтричесх~я схем~ ячейки; б — схемв фотолиоавой матрацы; в — схема телекамеры б. Системы технического зрения Телекамеры с фотодиодной матрицсй используются в специальных задачах робототехники. Их достоинства: возможность поэлементной адресации, высокое быстродействие„малые масса и габаритные размеры, высокая механическая прочность и надежность; недостатки — малая разрешающая способность и шум сигнала ~вследствие различия фотоэлектрических характеристик отдельных ячеек). В .заключение этого параграфа приведем сравнительную характеристику наиболее часто применяемых отечественных.
датчиков изображения (табл..6.7). Табяииа 6.7 Сравнительная характериетнка датчиков изображении 6.4. Устройства ввода и хранения изображения 6.4.1. Общие сведении Рассмотренные выше вопросы преобразования информации в СТЗ были посвящены получению изображения в датчике СТЗ.: Этот этап, называемый восприятием информации, выполнястся без участия вычислительных средств. Остальные же этапы ~предварительная обработка, сегментация, описание и т. д.) предполагают использование вычислительных ресурсов СТЗ. В этои* связи особое значение приобретает правильное построение устройств ввода изображений — фреймграбберов (от англ. ~«атедгаЬЬег — захват изображенияК осуществляющих вводи фильтрацию видеоинформации и определяющих форму представления и способ обработки данных в процессоре СТЗ.
Конструктивно устройство ввода обычно выполняют в виде печатной платы, установленной на шине компьютера СТЗ, на входной разъсм которой поступает стандартный видеосигнал. Выходная информация зависит от назначения и сложности устройства ввода, В ряде случаев это просто интерфейс между телекамерой и компьютером, в других —. блок предварительной обработки, выполняющий значительную долю функций СТЗ. 6.4. Устройства ввода и хранения изобразсения Структура интерфейса, а также объем требуемой памяти для хранения изображений в значительной мере определяются видом представляемой информации (строка, бинарный массив, полутоновое или цветное изображение), а также типом телевизионного датчика.
Хотя в большинстве случаев выходным сигналом датчика является стандартный видеосигнал, параметры интерфейса зависят от размера кадра изображения и от того, черно-белое или цветное изображение подлежит обработке. Например, передача одного кадра черно-белого изображения сравнительно небольшого размера 512х 512 в стандартном телевизионном режиме требует ввода в память около 13 10 элементов изображе- 6 ния в секунду, т. е. пропускной способности канала не менее 1,7 Мбайт/с, тогда как обработка цветного изображения того жс формата требует уже 5 Мбайте. Для современных неспециализированных компьютеров такая задача в реальном масштабе времени трудно выполнима.
Для ее упрощения довольно часто используют буферизацию (например, для ввода по четверти кадра) либо аппаратную выборку графического (контурного) изображения, при которой из полного массива выбирается только самая необходимая информация. Следовательно, ввод видеоинформации, а также и другие этапы преобразования (реализуемые программными средствами) можно рассматривать как последовательное уменьшение размерности информационного массива, т. с.
сжатие информации. Основными задачами фреймтраббера являются: кодирование видеосигнала (в том числе его квантование и дискретизация), частотная фильтрация, буферизация и ввод массива данных. Кодированием видеосигнала называется процедура представления черно-белого или цветного изображения дискретным массивом двоичных данных, однозначно соответствующим исходному массиву.
Процедура кодирования включает дискретизацию и квантование сигналов яркости и цветности. Дискретизация — это представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью сго значений (отсчетов), взятых через определенный промежуток времени — период дискретизации Тд. Дискретизация реализует преобразование развертки видеосигнала У (Г) в решетчатую функцию У ~Ид1, где й — целое число (обычно 100 нс < Тд < 1,5 мкс). Функция преобразования прн дискретизации имеет вид У (г) — ь |3 ~ИТД-+ У~, где ~, ~ — дискретные огсчсты абсциссы х и ординаты у отдельных точек светочувствительной поверхности телекамеры.
(они однозначно опреде-. ляются через периоды строчной и кадровой развсрток). В случае цветного изображения имеют место преобразования: 277 6. Сисие,иы технического зрети Здесь индексы К К Ъ'определяют соответствующую компоненту полного видеосигнала. Чем меньше период Тд и выше частота дискретизации ~д —— 1/Тл, тем меньше различие между исходным сигналом и его дискретизированным значением. Ступенчатый вид дискрстизированного сигнала может быть сглажен фильтром нижних частот, с помощью которого обычно аналоговый сигнал восстанавливают из дискретизированного.
Однако при этом нсобходимо выполнение ограничения ~, > 2Д„,~, гдето,~х — верхняя частота спектра исходного аналогового сигнала (это условие определяется известной теоремой Найквиста — Котельникова). Если ограничсние не выполняется, то дискретизация сопровождается необратимыми искажениями. Поэтому при дискрегизации телевизионного сигнала с граничной частотой б МГц необходимо, чтобы ~; > 12...14 МГц. Квантование — амплитудное преобразование сигналов яркости и цветн~~т~ — ~редс~а~л~е~ злобой з~м~ну текущего знач~~и~ сигнала б~~жайши~ фиксированным значением из соответствующего уровня квантования.
Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значения сигнала на конечное число интервалов — шагов квантования. Чаще всего при квантовании происходит представление абсолютного значения решетчатой функции У; в двоичном виде. Функция преобразования при квантовании описывается зависимостью ЦО(л) -+ 2ПЛЦЮ, где л — разрядность АЦП; ЛУ; = У „,;„— разрсшающая способность АЦП, соответствующая ~~н~~ал~но~у уровню видео~игн~~а (уровню б~л~го сигнала).
Таким образом, в результате кодирования полный видеосигнал преобразуется в трехмерную дискретную функцию изображения (Ууц~)у вида (УУУ~ )" = У(л, ~, З~, У1, УЦ, У~„, Г), где (У~~~у);; — дискретная амплитуда пикселя, расположенного на пересечении ~'-й строки и~-го столбца кадра. Искажения сигнала, возникающие в процессе квантования, называют шумом квантования. Обычно при оценке шума вычисляют разность между исходным сигналом б' и его квантованным значением У,(и), а в качестве показателей шума принимают среднее квадратичное значение этой разности. Особенностью шума квантования является его связь непосредственно с сигналом, поэтому его нельзя устранить последующей фильтрацией.
Шум квантования убывает с увеличением числа уровней квантования и. Нормой считается и = 1О, что при двоичном кодировании позволяет квантовать ви- о.4. Устройства вводи и хринвлия изображения деосигнал на 1024 уровня. (Для монохромного изображения эти уровни называются градациями яркости.) Таким образом, в результате проведенных преобразований видеосигнал представляет собой последовательность кодовых слов, каждое из которых передается в течение одного интервала дискретизации.
Способы квантования и дискретизации видеосигнала в СТЗ в значительной степсни определяют ее эксплуатационные показатели — быстродействие и разрешающую способность. Быстродействие СТЗ связано со временем ввода и врсменем обработки данных процессором СТЗ. Как правило, оно задается числом обрабатываемых изображений в секунду и зависит от размера и типа изображения, а также числа градаций яркости. Как уже отмечалось, работа с изображением требует широкой полосы пропускания канала передачи данных. В режиме реального времсни длительность обработки одного поля изображения в тсмпс кадровой развертки не должно превышать 20 мс. Для улучшения качества изображения необходимо увеличить частоту развертки кадра до 85...120 Гц, С этой целью устройства ввода-вывода изображения оснащают графическими процессорами. Например, при 24-битовом представлении известного изображения размером 1024х 768 элементов с частотой развертки кадра 85 Гц поток информации, определяющий скорость передачи данных, должен быть более 200 Мбайт/с.
Обеспечить такую пропускную способность канала в СТЗ одиошинной архитектуры затруднительно. Заметим, что частота строчной развертки устройства вывода изображения (например, монитора) должна составлять не менее 768 85 = 66 кГц, Основными путями решения проблемы реального времени при вводевыводс изображсния являются; разработка новых типов локальных шин (подобных тем, которые устанавливают на графических станциях) и создапис специализированного быстродействующего программного обеспечения. Так, локальная шина, построенная по схеме АОР (Ассе1ега~ед бгар1псв Рог1), обеспечивает пропускную способность канала 533 Мбайт(с (имепно с такой скоростью возможен обмен данными между процессором, видеоадаптером и оперативной памятью).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
