книги / Микропроцессоры в телевидении

Рис. 2.28. К иллюстрации метода плоских сечений и получения псевдообъемных изображений по сечениям:

внутреннюю структуру всего объекта в трехмерном пространстве. Метод получения сечений проиллюстрирован на рис. 2.28,а.

Метод плоских сечений позволяет для получения трехмерной структуры обходиться значительно меньшим объемом вычислений, чем прямой метод, по его двухмерным проекциям. Спектр Фурье распределения вещества в некотором сечении объекта получается из спектра Фурье соответствующей проекции. Если спектры Фурье получать при достаточно малом шаге по углу, то набор спектров с помощью обратного преобразования Фурье позволяет получить изображение объекта в некотором его сечении. Шаг по углу опре­ деляет плотность заполнения пространства спектров и соответст­ венно детальность воспроизводимой картины. Однако чем меньше шаг, тем большую дозу облучения получает объект. Понятно, что в медицинской практике увеличение дозы весьма нежелательно. Поэтому большую перспективу имеют рентгенотелевизионные ус­ тановки, позволяющие резко снизить требуемую дозу. А исполь­ зование МП в них приводит к возможности в короткие сроки осу­ ществлять обратное преобразование Фурье, формировать видео­ сигнал и воспроизводить изображение на ТВ индикаторе.

81

С помощью МП можно формировать псевдообъемное изобра­ жение по полученным сечениям объекта с формированием при необходимости различных разрезов, вырезов. Для этого строят с определенным шагом сечения, перпендикулярные полученным и параллельные друг другу (рис. 2.28,6). Алгоритм построения псев­ дообъемных изображений приведен на рис. 2.29.

Для формирования объемных ТВ изображений используют

стереотелевизионные устройства с МП в органах «зрения» роботов и роботизированных систем. Для обеспечения действий роботов в трехмерной среде необходимо анализировать пространственное положение предметов. Наибольшее количество информации при этом можно получить от визуальных (телевизионных) датчиков. Задачи распознавания объектов, заполняющих среду, окружаю­ щую робот, определения их пространственных координат относи­ тельно робота целесообразно рассматривать комплексно, основы­ ваясь на методах стереофотограмметрии [52].

Структурная схема стереотелевизионной системы, построенной на основе использования двух ТВ камер, и система координат, связывающая положение точек объекта в плоскости датчиков ви­ деосигналов и в трехмерном пространстве, показаны на рис. 2.30. Положение координатных осей принято следующим [52]. Коорди­ натные системы хпУп и хпуп лежат в плоскости датчиков видео­ сигналов (в плоскости изображений). Оси вспомогательной сис­ темы координат XYZ выбраны так: ось X параллельна базису и направлена от левого канала к правому; ось Z совпадает с опти­ ческой осью левого канала; ось У перпендикулярна плоскости XO„Z и направлена вверх по отношению к плоскости, на которой

расположен объект. Оси системы, определяющей положение объекта, на­ правлены следующим образом. Ось X' параллельна базису стереосистемы; ось Z' — проекция оптической оси ле­ вого канала на плоскость, на которой расположен объект; ось У' перпен­ дикулярна этой плоскости и проходит через начало координат X, У, Z.

Для получения видеосигналов луч­ ше всего использовать ПЗС-датчики, имеющие жесткий растр. Перед вы­ числением координат точек необходи­ мо идентифицировать одинаковые точ­ ки на правом и левом снимках. Это можно, осуществить либо путем рас­ познавания изображений, либо марки­ руя точки с помощью, например, ла­ зерного излучения. При этом точки

Рис. 2.29. Алгоритм построения псевдообъем­ ных изображений

82

можно выделять либо пороговым методом, либо с помощью узко­ полосной фильтрации. Вычисляет координаты микропроцессор [52]:

где В — базис стереонаблюдения; Н — высота центров проекции над плоскостью, на которой расположен объект; F — фокусное расстояние объектива.

83

Рис. 2.31. Алгоритм работы стереотелевизионной системы

Координаты, определенные по (2.65), далее используют для выработки решений на продвижение робота и для формирования псевдообъемного ТВ изображения. Алгоритм работы МП при всем этом показан на рис. 2.Э1.

Глава 3.

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В ЦИФРОВОМ ТЕЛЕВИДЕНИИ

3.1. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗО­ ВАТЕЛИ

На вход МП надо подавать цифровые сигналы, а ТВ сигналы, как правило, аналоговые или близкие к аналоговым. Поэтому при использовании МП в телевидении требуется преобразовать анало-

84

говые сигналы в цифровые и обратно, т. е. осуществить цифроаналоговое преобразование. Для этих преобразований применяют аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразо­ ватели.

Сигнал, описывающий двухмерное плоское изображение по од­ ной координате вдоль каждой строки, имеет аналоговый вид, а по другой при формировании кадра дискретизирован переходами от строки к строке. При использовании матричных датчиков (на­ пример, ПЗС-матрицы) видеосигналы дискретизиррваны по обеим пространственным координатам.

Аналоговый сигнал превращается в цифровой следующим об­ разом. Вначале через интервалы времени, определяемые теоремой Котельникова, снимают отсчеты видеосигнала, т. е. сигнал дискре­ тизируют. Затем каждый отсчет делят на выбранное число уров­ ней, т. е. квантуют по уровню. Квантованные уровни отсчетов ко­ дируют, т. е. каждому из них по определенному правилу ставят в соответствие комбинацию каких-либо, а на практике импульс­ ных сигналов (элементов кода) [53]. Совокупность принятых ком­ бинаций образует код. Простейший код состоит из порядковых номеров уровней квантования отсчета сигнала в двоичной системе счисления.

Все операции, связанные с превращением аналогового видео­ сигнала в цифровой (дискретизация, квантование и первоначаль­ ное кодирование отсчетов), обычно осуществляет аналого-цифро­ вой преобразователь, восстановление аналогового сигнала из циф­ рового (выполнение обратных операций.) — цифро-аналоговый преобразователь. Существуют две разновидности АЦП: парал­ лельный и последовательный, а также множество вариантов ком­ бинированных АЦП.

Параллельные АЦП работают по принципу одновременноговоздействия сигнала на совокупность пороговых устройств, с по­ мощью которых сигнал сравнивают с системой опорных уровней, отображающих шкалу квантования [53]. Последовательные АЦП работают по принципу последовательного во времени определения момента равенства преобразуемого отсчета и уравнивающего сиг­ нала, который изменяется в соответствии с подбираемым цифро­ вым кодом [53].

Цифро-аналоговые преобразователи по структуре и аппаратур­ ной реализации проще, чем АЦП тех же разрядности и быстро­ действия, так как разряды кодовой комбинации поступают на ЦАП параллельно и не требуется развертывать процесс преобра­ зования во времени.

Использование МП в АЦП и ЦАП позволяет программировать желаемые характеристики преобразователей, в результате чего они становятся гибкими и эффективными. К основным достоинст­ вам АЦП и ЦАП с МП следует отнести возможность одновремен­ но осуществлять цифровую обработку видеосигналов и програм­ мирование характеристик фильтрации.

85

Наиболее быстродействующее аналого-цифровое преобразова­ ние, часто используемое с МП системами, — это метод последо­ вательных приближений. Метод [48] предусматривает использова­ ние внутреннего генерируемого сигнала, с уровнем которого срав­ нивают уровень входного видеосигнала.

Алгоритм преобразования заключается в следующем [48]. Пер­ вый этап — обнуление всех двоичных разрядов числа х. Второй — грубое приближение к уровню входного сигнала, для чего в стар­ шем разряде числа хп устанавливается единица. Число 100...О передается на вспомогательный ЦАП, который вырабатывает сиг­ нал, равный половине первоначального. Третий этап — этот сиг­ нал сравнивается с входным сигналом. Далее, если выработанный вспомогательным ЦАП уровень сигнала больше уровня входного сигнала, то уровень, принятый в качестве приближения, оказыва­ ется завышенным и хп обнуляется. Если же сигнал от ЦАП мень­ ше, то первое приближение недостаточно для уравновешивания и хп= 1. На четвертом этапе устанавливается единица в разряде, следующем за старшим. Новый уровень, принятый в качестве при­ ближения, равный 010 ...0 или 110... 0, передается на вспомога­ тельный ЦАП для получения нового значения внутреннего сигна­ ла. Так же, как и ранее, уровень 1 сохраняется в рассматривае­ мом разряде, если выработанное в ЦАП напряжение меньше входного, и обнуляется в противном случае. Далее к единице при­ равнивается следующий разряд, и процесс повторяется до тех пор, пока не получится полное «-разрядное число, которое является приближенным с точностью до младшего разряда.

Это число запоминается в регистре последовательных прибли­ жений (рис. 3.1) [48].

Описанный выше АЦП (рис. 3.2 [48]) содержит в качестве основных элементов высокостабильный компаратор, регистр пос­ ледовательных приближений, блок ключей, блок резисторов. Вы­ ходной цифровой сигнал формируется в выходном регистре-буфе­ ре. Перед началом аналогово-цифрового преобразования регистр сбрасывается фронтом отрицательного импульса «Пуск». Фронт положительного импульса запускает процесс сравнения. Уровень аналогового входного сигнала сравнивается с уровнем сигнала,

Компаратор

Рис. 3.1. Регистр последовательных приближений

86

<

Цифровой

восьмираз­

рядный

выходной

сигнал

Опорный сигнал

Рис. 3.2. Структурная схема АЦП

который формируется регистром последовательного приближения совместно с блоком ключей, который предназначен для переклю­ чения различных участков цепочки резисторов. Во время процесса преобразования выбрасывается логический нулевой сигнал «Заня­ то». По окончании процесса сигнал переходит на уровень 1. После этого в выходном регистре образуется 8-разрядное двоичное вы­ ходное слово, соответствующее преобразуемому аналоговому вход­ ному видеосигналу [48].

Для выбора метода подключения АЦП к МП системе необхо­ димо проанализировать следующие характеристики АЦП: быстро­ действие; длину слова АЦП по сравнению с разрядностью магист­ рали данных МП системы; сигналы управления и состояния АЦП. К числу основных сигналов состояния и управления АЦП относят: «Запуск» — инициирует начало преобразования входного анало­ гового сигнала в цифровой; «Конец преобразования» (КП) —ука­ зывает на завершение процесса преобразования; «Подключение выхода» (ПВ) — разрешает выдачу информации (необходим для АЦП, имеющих цифровые выходы с тремя состояниями [121]).

Положим, что все АЦП имеют либо внутренние регистры, по­ зволяющие запомнить код преобразованного аналогового сигнала и схемы с тремя состояниями, либо внешнее схемотехническое обеспечение, реализующее эти функции.

Для быстрых АЦП можно просто подключить АЦП к МП сис­ теме, если время преобразования меньше времени выполнения команды (рис. 3.3 [121]). Система подает сигнал на вход «Запуск» АЦП, используя операцию записи, затем считывает преобразован­ ные данные с АЦП. Если время преобразования АЦП несколько больше, чем время выполнения команды, в программе между командами запуска АЦП и считывания с него данных необходимо выполнить цикл задержки на время, необходимое для выполнения процесса преобразования [121]. Для останова работы МП системы на время преобразования можно использовать сигнал КП (рис. 3.4), для получения результата используют команду чтения, во

87

Рис. 3.3. к иллюстрации сопряжения 8-разрядного быстродействующего АЦП и МП системы

время которой формируются сигналы «Запуск» и ПВ. Использова­ ние одновибратора необходимо при подаче на выход сигнала «За­ пуск» импульса, а не логического уровня сигнала. С момента на­ чала процесса преобразования сигнала на выходе КП АЦП по­ является сигнал, указывающий на наличие этого процесса [121]. Выход КП непосредственно соединен со входом WAIT МП БИС, что обеспечивает режим останова работы МПС на время преобра­ зования. Чтобы в процессе выполнения команды чтения успеть пе­ реключить выход КП в режим ожидания, время установки сигнала КП должно быть достаточным для этого. Преимущество такого подключения АЦП заключается в выполнении одной команды чте­ ния для запуска АЦП и ввода данных в МП систему. Данные поступают в МПС за наиболее короткий промежуток времени, определяемый временем преобразования АЦП [121]. При выборе АЦП для такого подключения необходимо учитывать, что время

нахождения в состоянии ожидания некоторых МП БИС ограни­ чено.

Применяя методы подключения ЦАП, аналогичные показанным ■на рис. 3.3, можно достичь максимального числа преобразований в единицу времени, сократив число команд до трех, составляющих цикл выборки одного значения: считывание данных с АЦП, запись данных в стек, зацикливание. Дешифратор при появлении на МА

Рис. 3.4. К иллюстрации сопряжения быстродействующего АЦП и МП системы с использованием сигнала КП

МП системы адреса команды записи в стек запускает АЦП, а при заполнении стека необходимым числом выборок формирует сигнал прерывания [121]. Для МП БИС КР 580ИК80 описанный цикл составляют команды MOVA, М; PUSH PSW и JMP, а суммарная длительность цикла (при тактовой частоте 2 МГц) 14 мкс.

Для обеспечения частоты выборок, большей, чем позволяют описанные методы сопряжения, как и при подключении быстро­ действующих ЦАП, используют двухпортовое быстродействующее ОЗУ. Подключение выполняют по схеме рис. 3.4 с заменой блоков ЦАП на АЦП и изменением направления соответствующей функ­ циональной связи.

Цифро-аналоговые преобразователи делят на два типа: с ре­

зистивными матрицами и безматричные. При создании ЦАП с резистивными матрицами всегда приходится преодолевать труд­

ность, связанную с выбором резисторов, сопротивление которых с очень высокой точностью (до 0,001%) соответствует номинально­ му. Схема простейшего ЦАП с двоично-взвешенными резисторами приведена на рис. 3.5 [48].

На вход ЦАП поступает цифровой сигнал (*п-ь хп- 2 , .... х0 — разряды двоичного числа). Эталонное напряжение U приложено

через ключи sn-i, sn_2, .... So с цифровым управлением к резисто­ рам Ro, ..., Rn-i [48]. Сопротивление i-ro резистора Ri=R02\ Сум­ мируемые на входе операционного усилителя токи пропорциональ­ ны двоичным весам и выходное напряжение

(ЗЛ)

где хп-и .... хп принимают значение 0 или 1.

Рис. 3.5. Схема ЦАП с двоично-взвешенными резисторами

необходимой точностью резистора с наибольшим сопротивлением и перекрытия широкого диапазона номиналов. Выходом из положе­ ния является применение цепочки резисторов с сопротивлениями

Яи 2R. Схема такого ЦАП приведена на рис. 3.6 [48].

В[54] описан быстродействующий 10-разрядный ЦАП на ре­ зисторах с сопротивлениями Я и 2R. Функциональная схема безматричного ЦАП, не содержащего прецизионных элементов, при­ ведена на рис. 3.7 [55].

Преобразующий входные 16-разрядные сигналы ЦАП состоит

из двух одинаковых 8-разрядных. Младший байт входного кода (биты ДО—Д7) и старший байт (биты Д8—Д15) преобразуются в два аналоговых сигнала, которые, поступая на сумматор, обра­ зуют выходной сигнал.

Работа 8-разрядного ЦАП заключается в формировании сту­ пенчатого напряжения, причем число ступенек эквивалентно дво­ ичному коду сигнала на входе ЦАП. Первый 8-разрядный ЦАП, преобразующий восемь младших разрядов входного кода сигнала, состоит из реверсивного счетчика Д1, формирователя ступенча­ того напряжения ДЗД6Д8Д10 (ДЗ — инвертор, Д6 — триггер, Д8 — логический элемент), инвертора Д4, генератора, вырабаты­ вающего пачки импульсов G2, устройства выборки — хранения А1АЗ S1-^S2, управляющего генератора G1, вырабатывающего импульсы с частотой 44,1 кГц.

Осциллограммы напряжений ЦАП, иллюстрирующие его рабо­ ту, приведены на рис. 3.8 [55].

Генератор G2 вырабатывает пачки импульсов длительностью 20 мкс с частотой заполнения 12,8 МГц (рис. 3.8,6). Длительность пачки определяет время преобразования ЦАП. В каждой пачке содержится 256 импульсов. Эта пачка подается на вход 1 счетчика Д1, работающего в режиме обратного счета. Перед этой подачей на счетчик Д1 заносится информационный код, поэтому через промежуток времени Т =М),07 мкс, где N — десятичный эквива­ лент двоичного числа, записанного в счетчик, счетчик вырабаты­ вает сигнал равенства 0 (рис. 3.8,в). Этот сигнал, перейдя через инвертор ДЗ (рис. 3.8,а), воздействует на триггер Д6. На выходе триггера формируется импульс (рис. 3.8,д), длительность которо­ го пропорциональна входному коду ЦАП. Первый вход логичес-

90