Методи та апаратно-орієнтовані алгоритми синтезу процесорів швидких перспективних перетворень у системах візуалізації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 004.383.5

Методи та апаратно-орієнтовані алгоритми синтезу процесорів швидких перспективних перетворень у системах візуалізації

05.13.13 - обчислювальні машини, системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Васильєв Микола Валерійович

Харків - 2003



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Руденко Олег Григорійович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри електронних обчислювальних машин.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Хажмурадов Манап Ахмадович, Національний науковий центр "Харківський фізико-технічний інститут", начальник відділу математичного забезпечення;

- кандидат технічних наук, Голубничий Дмитро Юрійович, Харківський військовий університет, ст. викладач кафедри обчислювальних систем та мереж.

Провідна установа - Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра спеціалізованих комп'ютерних систем, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться 22.10.2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки (61166, м. Харків, пр. Леніна, 14).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки (61166, м. Харків, пр. Леніна, 14).

Автореферат розісланий 19.06.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.І. Саєнко



АНОТАЦІЯ

Васильєв М.В. “Методи та апаратно-орієнтовані алгоритми синтезу процесорів швидких перспективних перетворень у системах візуалізації”. - Рукопис. відеоінформація геометричний спецпроцесор

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.13 - обчислювальні машини, системи та мережі, Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2003.

Дисертаційна робота присвячена питанням розробки методів та апаратно-орієнтованих алгоритмів синтезу процесорів швидких перспективних перетворень у системах візуалізації, які здійснюють синтез геометрично змінюваних зображень у реальному часі.

Проведено дослідження алгоритмів апаратурної реалізації типових геометричних перетворень. Виведено формули апаратно-орієнтованих алгоритмів швидких перспективних перетворень, які є адаптованими для програмно-апаратної реалізації процесорів реального часу, що задовольняють критеріям точності і швидкодії. Досліджені питання збіжності цих алгоритмів, а також одержано аналітичні співвідношення для часу виконання і похибок реалізації функції перспективних перетворень.

Розроблено структуру спецпроцесора швидких геометричних перетворень зображень реального часу та запропоновано архітектуру системи обробки відеоінформації реального часу на базі розробленого спецпроцесора. Реалізовано програмно-апаратну систему візуалізації на основі синтезованого процесора швидких геометричних перетворень.

Ключові слова: апаратно-орієнтований, система візуалізації, спецпроцесор, реальний час, перспективне перетворення.



АННОТАЦИЯ

Васильев Н.В. “Методы и аппаратно-ориентированные алгоритмы синтеза процессоров быстрых перспективных преобразований в системах визуализации”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.13 - вычислительные машины, системы и сети. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2003.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки методов и аппаратно-ориентированных алгоритмов синтеза процессоров быстрых перспективных преобразований в системах визуализации, синтезирующих геометрически изменяемые изображения в реальном времени.

В работе проанализированы существующие методы и алгоритмы выполнения геометрических преобразований. Рассмотрены видовые и перспективные преобразования, а также особенности восприятия объемных изображений человеческим глазом. Показано, что в некоторых случаях “псевдоперспективные” изображение довольно подобны объектам, которые наблюдаются человеческим глазом. Проанализированы основные математические методы и алгоритмы построения специализированных процессоров обработки информации. В качестве методов построения специализированных процессоров избраны методы псевдоповоротов вектора и разностно-итерационные методы вычисления сложных функций и математических операций. Такой выбор методов обусловлен областью применения этих методов, а также определяется видом функциональной зависимости, которая подлежит реализации, и конкретными ограничениями, которые накладываются практикой.

Получены аппаратно-ориентированные алгоритмы быстрых перспективных преобразований для реализации на существующей элементной базе, которые удовлетворяют критериям точности и быстродействия, а также исследованны вопросы сходимости этих алгоритмов. Это дает возможность упрощения аппаратурной реализации систем обработки видеоинформации, за счет высокой однородности синтезированных структур с помощью разработанных алгоритмов. Также были получены аналитические соотношения для времени выполнения и погрешностей реализации функции быстрых перспективных преобразований. Это дало возможность выполнять вычисления с повышенным быстродействием и приемлемой точностью. Предложен метод устранения погрешности от отсутствия сходимости итерационного процесса в устройствах, которые реализуют принцип псевдоповоротов вектора.

Была разработана структура спецпроцессора быстрых геометрических преобразований изображений реального времени. Применение разработанных структур спецпроцессоров позволило выдавать частичные результаты, не дожидаясь окончания процесса. Предложены варианты распараллеливания процедуры реализации функции перспективных преобразований между специализированным процессором и управляющей ЭВМ. Предложена архитектура системы обработки видеоинформации реального времени на базе разработанного спецпроцессора. А также осуществлена техническая реализация программно-аппаратной системы быстрых геометрических преобразований, подсистем геометрических преобразований изображений и формирования графических данных.

Разработанные и исследованные в диссертации модели, алгоритмы и устройства были использованы при решении задач обработки видеоинформации в Харьковской областной государственной телерадиокомпании (г. Харьков, Украина), а также в ЗАО Региональной телекомпании “Тонис-Центр” (г. Харьков, Украина) в виде блока телевизионных видеоэффектов, что разрешило повысить качество видеопродукции, а также сократить время ее производства.

Ключевые слова: аппаратно-ориентированный, система визуализации, спецпроцессор, реальное время, перспективное преобразование.



ABSTRACT

Vasiliev N.V. “Methods and hardware-focused algorithms of synthesis fast perspective transformations processors in visualization systems”. - Manuscript.

А thesis to compete for a candidate's degree in technical sciences, speciality 05.13.13 - computers, systems and networks. - Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov, 2003.

The dissertation is devoted to questions of development models, algorithms and structures processors fast perspective transformations working in visualization systems in real time and synthesizing the image with a high degree of realness.

The researches realization of hardware algorithms typical geometrical transformations. Deduced the formulas hardware focused algorithms of fast perspective transformations, which are adapted for hardware-software realization of real time processors, which satisfy to criteria of accuracy and speed. Investigated the questions of convergence algorithms , and also received the analytical relations for time of performance and function realization errors of perspective transformations.

Developed the structure of real time fast geometrical transformations processor, and offered the system architecture of real time videoinformation processing on the basis of developed processor. Realized the visualization system on the basis of the fast geometrical transformations processor.

Keywords: hardware-focused, visualization system, application-specific processor, real time, perspective transformation.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В імітаторах візуальних обстановок тренажерів транспортних засобів, а також при підготовці та в процесі трансляції телепередач на телецентрах та відеостудіях при виконанні складного перебивання кадрів, при монтажі та підготовці передач та фільмів, виникають проблеми, що пов'язані з обробкою “живих” зображень, гнучкістю процесу обробки, критерієм реального часу, якістю одержаного зображення та його відповідністю державним і міжнародним стандартам в області передачі й обробки телевізійних сигналів. Всі ці проблеми виникають при здійснюванні геометричних перетворень і відображенні реальних “живих” зображень за умов незалежності часу виконання перетворень від кількості елементів дискретизації зображення, а також при керуванні виконанням геометричних перетворень “живого” зображення в реальному часі.

Вимоги, яким повинні задовольняти вищевказані системи, що дозволяють реалізувати досить широкий комплекс перетворень, диктують необхідність використання в складі системи програмувальних засобів, а вимоги простоти обслуговування і низьких вартісних показників націлюють на використання найпростіших з них: мікропроцесорів і персональних ЕОМ.

Однак на цей час продуктивності найпростіших програмувальних засобів недостатньо для реалізації перетворення координат великих масивів елементів зображення в реальному часі. Тому в системі необхідна наявність апаратних засобів обробки інформації, що повинні бути досить універсальними і мати можливість перебудовуватися в залежності від виконання різних геометричних перетворень.

Існуючі на цей час системи провідних західних фірм, таких як Sony, Panasonic та інших, відрізняються вузькою спеціалізацією пристроїв за функціональним призначенням. Висока вартість необхідного користувачеві набору технічних засобів не дозволяє його придбати, а в Україні такі системи не випускаються. Декілька зразків пристроїв телевізійних відеоефектів "Естамп", які виготовлено в Росії (Санкт-Петербурзі) є громіздкими, ненадійними і не відповідають світовому рівню за функціональними можливостями. Тому гостро повстає питання створення на території України систем, які здійснюють перетворення зображень у реальному часі.

Для того, щоб здійснювати перетворення зображень у реальному часі, програмувальні засоби повинні встигати здійснювати необхідні обчислювальні операції за період розгорнення зображення на пристрої візуалізації. Це можуть бути незначні попередні обчислення, результат яких, впливаючи на апаратні засоби, буде основою для виконання перетворень координат усього масиву елементів розкладання зображення відповідно до заданого перетворення.

Для досягнення реального часу виконання перетворень незалежно від складності зображень використовуються принципи, що дозволяють виконувати обробку реальних зображень, які вводяться з телевізійної камери або з яких-небудь зовнішніх носіїв інформації, без їхнього попереднього аналітичного опису.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних і госпдоговірних тем, що виконувалися в Харківському національному університеті радіоелектроніки. Синтезовані і досліджені в дисертації алгоритми були використані під час виконання робіт №410 “Розробка теоретичних основ і нових архітектурних принципів створення тренажерних систем різного призначення” (№ДР0198U004440), №390 “Розробка політики і концепцій побудови захищених інформаційних технологій, розробка і дослідження методів і математичних моделей обробки і захисту інформації в системах і мережах” (№ДР0198U004445), у яких автор брав участь, як виконавець. Розроблені і досліджені в дисертації моделі, алгоритми і пристрої були використані при вирішенні задач обробки відеоінформації у Харківській обласній державній телерадіокомпанії (м. Харків, Україна), а також у ЗАТ Регіональної телекомпанії “Тоніс-Центр” (м. Харків, Україна).

Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є розробка методів та апаратно-орієнтованих алгоритмів синтезу процесорів швидких перспективних перетворень у системах візуалізації, що здійснюють синтез геометрично змінюваних зображень у реальному часі.

Основні задачі наукового дослідження:

· дослідження можливих підходів до задачі побудови спецпроцесорів геометричних перетворень у реальному часі та обґрунтування вибору алгоритму синтезу;

· розробка апаратно-орієнтованих алгоритмів швидких геометричних перетворень, що задовольняють критеріям точності і швидкодії;

· розробка структури спецпроцесора швидких геометричних перетворень і визначення його місця в системах обробки відеоінформації реального часу;

· розробка і моделювання на ЕОМ алгоритмів, що реалізують афінні і проективні перетворення зображень, які генеруються;

· експериментальна перевірка результатів роботи і їхнє використання для вирішення конкретних прикладних задач.

Об'єкт дослідження - процес синтезу геометрично змінюваних зображень у системах візуалізації реального часу.

Предмет дослідження - алгоритми і структури спецпроцесорів швидких геометричних перетворень реального часу.

Методи дослідження - методи аналітичної геометрії і обчислювальної математики, що дозволили синтезувати різницево-ітераційні алгоритми обчислення складних геометричних функцій і математичних операцій; теорія імовірності; теорії матриць; методи математичного й імітаційного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

· вперше отримано апаратно-орієнтовані алгоритми швидких перспективних перетворень, які задовольняють критеріям точності і швидкодії, що дозволило спростити апаратурну реалізацію систем обробки відеоінформації за рахунок високої однорідності синтезованих структур;

· вперше одержано аналітичні співвідношення для часу виконання і похибок реалізації функції швидких перспективних перетворень, що дозволило за рахунок використання методу усунення похибки від відсутності збіжності ітераційного процесу, робити обчислення з підвищеною швидкодією і заданою точністю;

· вперше розроблено структуру спецпроцесора швидких геометричних перетворень зображень реального часу, яка за рахунок процесу одержання часткових результатів без очікування повного закінчення процесу обчислення дозволила розпаралелювати процедури реалізації функції перспективних перетворень.

Практичне значення отриманих результатів. Результати теоретичних досліджень реалізовані новими алгоритмами, що забезпечують одержання заданих перспективних перетворень зображень у реальному часі. Отримані алгоритми дозволяють розширити спектр перетворень зображень у реальному часі, які виконуються на сучасному устаткуванні, а також підвищити якість зображення, що перетворюється.

Розроблені в роботі апаратно-орієнтовані алгоритми швидких перспективних перетворень та розроблені структури спецпроцесорів швидких геометричних перетворень зображень реального часу були використані при розробці цифрових пристроїв телевізійних відеоефектів, які експлуатуються в складі апаратно-студійних блоків у штатно передбаченому місці включення блоків відеоефектів. Застосування розроблених алгоритмів дозволило спростити апаратурну реалізацію систем обробки інформації (за рахунок високої однорідності), а також робити обчислення з підвищеною швидкодією і заданою точністю. Застосування розроблених структур спецпроцесорів швидких геометричних перетворень зображень реального часу дозволило видавати часткові результати, не чекаючи повного закінчення процесу, що робить їх зручними в обчислювальних системах потокового типу.

Розроблені і досліджені в дисертації моделі, алгоритми та пристрої були використані при вирішенні задач обробки відеоінформації у Харківській обласній державній телерадіокомпанії (м. Харків, Україна) (акт від 05.02.2003), а також у ЗАТ Регіональної телекомпанії “Тоніс-Центр” (м. Харків, Україна) (акт від 12.02.2003) у вигляді блоку телевізійних відеоефектів, що дозволило підвищити якість відеопродукції, а також скоротити час її виробництва.

Основні положення, висновки і рекомендації, які викладені в дисертаційній роботі, використано при підготовці курсів “Системи цифрової обробки інформації”, “Моделювання систем” і “Цифрові системи керування” на кафедрі ЕОМ Харківського національного університету радіоелектроніки.

Особистий внесок здобувача. Основні результати отримані особисто автором. У роботах, написаних зі співавторами, здобувачу належить: у [1, 8] - опис апаратно-орієнтованих методів швидкої геометричної обробки зображень; [2] - розробка алгоритмів захисту відеоінформації, заснованих на методах обчислення складних геометричних функцій і математичних операцій; [4] - аналіз похибок методів проектування спецпроцесорів швидких геометричних перетворень; [6] - розробка структури апаратно-програмних засобів керування систем відображення інформації; [9] - розробка апаратно-орієнтованих алгоритмів перетворення зображень у реальному часі.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 3-й, 4-й, 6-й і 7-й Міжнародних конференціях "Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації" (Туапсе, 1997р., 1998р., 2000р., 2001р.), 1-му, 2-му Міжнародних молодіжних форумах "Електроніка і молодь у XXI столітті" (Харків, 1997 р., 1998 р.), на міській конференції "Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих учених м. Харкова" (Харків, 1998р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 друкованих праць, 3 з яких - в наукових фахових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури з 110 найменувань, чотирьох додатків. Робота містить 34 ілюстрації, 3 таблиці. Загальний обсяг роботи складає 196 сторінок, у тому числі 135 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, якій присвячена дана дисертаційна робота. Сформульовано основну мету і задачі дослідження. Надано коротку анотацію отриманих у дисертації результатів, відзначена їхня наукова та практична цінність, наведені дані про впровадження результатів роботи.

Перший розділ присвячено огляду літератури та постановці задач дослідження. Розглянуто задачі виконання геометричних перетворень і апаратно-орієнтованих алгоритмів реалізації цих перетворень у системах візуалізації реального часу. Проаналізовано існуючі методи та алгоритми виконання геометричних перетворень. Розглянуто видові і перспективні перетворення, а також особливості сприйняття об'ємних зображень людським оком. Показано, що в деяких випадках “псевдоперспективні” зображення виглядають досить правдоподібно.

Надано рекомендації щодо вибору точки спостереження не дуже близької до об'єкта, особливо в тих випадках, коли кут , показаний на рис. 1, приблизно дорівнює 90° ( - сферичні координати точки спостереження ). При цьому практично виключений сильний ефект перспективи для вертикальних ліній.

Показано, що для більш реалістичного вигляду зображення краще обмежувати не фактичне значення кута спостереження , а приблизно витримувати співвідношення

, (1)

де - значення відстані об'єкта від точки спостереження.

З (1) випливає, що вибір надто малого значення відстані , може бути джерелом утруднень.

Проаналізовано основні математичні методи та алгоритми побудови спеціалізованих процесорів обробки інформації. Більш детально розглянуті матричні методи, таблично-алгоритмічні методи, методи, які базуються на перерахункових схемах, метод псевдоповоротів вектора та різницево-ітераційні методи обчислення складних функцій і математичних операцій. Такий вибір методів для детального розгляду обумовлений областю кращого застосування того чи іншого методу побудови спеціалізованого процесора, що визначається видом функціональної залежності, яка підлягає реалізації, та конкретними обмеженнями, що накладаються практикою. Зроблено висновки щодо доцільності використання різницево-ітераційних методів для реалізації складних геометричних функцій перспективних перетворень. Це пов'язано з тим, що вони є дуже зручними при апаратній реалізації в двійковій системі з фіксованою комою. Ці методи дозволяють при простій апаратурній реалізації робити обчислення з підвищеною швидкодією і потрібною точністю для більшості задач керування промислово-технологічними процесами і фізичними об'єктами. Робота таких спецпроцесорів може бути описана різницевими і диференційними рівняннями. Як показують дослідження та експериментальна перевірка, кількість ітерацій, як правило, не перевищує розрядності аргументу реалізованої функції. Основним принципом обчислень є одночасне вирішення системи двох і більш рекурентних різницевих рівнянь шляхом ітераційного циклу простих операцій додавання і зсуву.

Спецпроцесори зазначеного класу дозволяють видавати часткові результати, не чекаючи повного закінчення процесу. Ця обставина робить їх зручними в обчислювальних системах потокового типу.

На підставі проведеного аналізу існуючих методів і алгоритмів виконання геометричних перетворень зображень сформульовано мету, яка полягає в розробці методів та апаратно-орієнтованих алгоритмів і структури спецпроцесора перспективної обробки зображень у системах реального часу і задачі дослідження. Для опису геометричних перетворень запропоновано використовувати різницево-ітераційні методи обчислення складних функцій.

У другому розділі розглянуто один з апаратно-орієнтованих методів цифрового перетворення зображень - метод псевдоповоротів вектора, що складається з перетворення координат, визначення положення нових елементів на площині вихідного зображення - інтерполяції елементів-сусідів для одержання рівня яскравості елемента в знайденій позиції, та вивчено питання апаратурної реалізації функцій геометричних перетворень.

Показано, що алгоритми цифрового перетворення значно розрізняються за продуктивністю. Основними оцінюваними параметрами системи є її продуктивність і використання ресурсів. Дано рекомендації щодо використання однопрохідного та двохпрохідного варіантів алгоритму перетворення. Однопрохідна система добре працює, якщо кут повороту зображення не перевищує 5°. При повороті на великі кути продуктивність системи різко падає. Двохпрохідна система, навпаки, добре працює з будь-якими величинами кута повороту і її продуктивність зберігається приблизно постійною.

При розгляді реалізації синусно-косинусних функцій і операцій множення і ділення методом псевдоповоротів вектора, геометрична інтерпретація якого наведена на рис. 3, зроблено висновки щодо того, що значення кутів , на які треба повертати вектор на і-му кроці, зручно вибирати такими, щоб їхні тангенси були рівні цілому степеню двійки. Така вимога диктується міркуваннями структурного спрощення пристрою - заміни операції множення операцією зсуву. Загальний член послідовності кутів у цьому випадку буде мати вигляд

.

Реалізація операції множення і ділення виконується за єдиним для них алгоритмом методом синхронного обертання двох векторів:

;

; (2)

, .

Початкові умови й оператор повороту для кожної операції мають вигляд:

для множення

(3)

для ділення

(4)



де і - операнди.

Обґрунтовано доцільність використання даних методів для вирішення перерахованих вище задач.

Позначено джерела похибок методу псевдоповоротів вектора. Зроблений аналіз можливих похибок обчислювача переслідував дві мети: визначення можливої точності реалізації алгоритмів та вибір доцільної розрядності обчислювача.

Точність рішення задачі визначається рядом похибок. Це: похибки методу; похибки вихідної інформації; похибки обчислень за рахунок округлення проміжних результатів.

Сутність першої похибки полягає в тому, що обчислення заданих функцій замінюється апроксимуючою задачею. Внаслідок цього можна одержати деяке наближення до точного рішення вихідної задачі.

Похибки вихідної інформації визначаються наближеним завданням величин коефіцієнта деформації вектора і поточним кутом повороту вектора . Похибка у завданні найбільш істотно виявляється в процесі операцій зсуву, тому вона буде врахована при аналізі залежності третьої похибки.

Третя похибка визначається сумою числового ряду, що являє собою геометричну прогресію, перший член якої є

а знаменник - , де - основна розрядність регістрів; - додаткова розрядність координатних регістрів.

Повна похибка визначається як



.

В роботі показано, що ця похибка задовольняє нерівності

.

Ця нерівність є аналітичним співвідношенням повних похибок реалізації функції швидких перспективних перетворень, а формула основної похибці наведена у третьому розділі.

Отримані аналітичні залежності значень похибок є максимальними, що іноді приводить до апаратурної надмірності. Уникнути можливої апаратурної надмірності без твердих вимог до максимально припустимої похибки можливо при використанні статистичного аналізу похибок. Запропоновано метод усунення похибок від незбіжності ітераційного процесу в пристроях, що реалізують принцип псевдоповоротів вектора. Використання даних методів принципово нічим не відрізняється від алгоритмів, заснованих на принципі псевдоповоротів вектора, за винятком більш складних схем керування.

У третьому розділі обґрунтована доцільність реалізації функції перспективних перетворень методами псевдоповоротів вектора, а також одержані необхідні аналітичні вирази, які використовуються при реалізації перспективних перетворень.

Виведено співвідношення для координат екрана перетвореного перспективного зображення, які є адаптованими для програмно-апаратної реалізації:



; (5)

, (6)

де , , , , , , , , - елементи матриці перетворень точки у точку (рис. 1);

, - координати екрану перетвореного зображення.

Проведено дослідження апаратно-орієнтованих алгоритмів реалізації типових геометричних перетворень. Запропоновано варіанти розпаралелювання процедури реалізації функції перспективних перетворень між спеціалізованим процесором і керуючою ЕОМ.

Розглянуто реалізації елементарних математичних функцій, що складають основу функції перспективних перетворень.

На основі методів реалізації типових геометричних перетворень були отримані алгоритми для обчислення і за формулами (5) і (6).

Якщо ввести позначення

=; = =; =

та використати ітераційні процеси реалізації елементарних функцій, можна одержати такі співвідношення:

;

;

;

;

;

; (7)

;

;

;

;

.

В роботі виведено початкові умови для отриманого апаратно-орієнтованого алгоритму (7) та умови для знакових констант, за допомогою яких обчислено (5) та (6) і які мають вигляд, аналогічний (3), (4).

Одержано співвідношення для розрахунку часу виконання реалізації функції перспективних перетворень на основі (7), яке, як показано, складає суму часів попереднього такту і тактів ітерації

.

Вивчено питання величини похибки реалізації функції перспективних перетворень. Формули для повних похибок обчислень за даним алгоритмом були наведені в другому розділі. Основна похибка обчислення визначається втратою інформації при здійсненні операцій зсуву за рахунок виходу частини її за межі розрядної сітки регістрів зсуву. Максимальне значення похибки за рахунок втрати інформації при її зсуві вправо визначається так:



,

де - кількість розрядів регістра зсуву, відведених для дробової частини числа;

- кількість ітерацій, що відповідає кількості зсувів.

Як показано в роботі, загальна похибка буде трохи меншою за похибку величин, які входять у функцію, за рахунок часткової взаємної компенсації.

У четвертому розділі зроблено аналіз архітектур програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС), які доцільно використовувати при проектуванні апаратури цифрової обробки сигналів. При цьому використовувались такі критерії:

· швидкодія;

· логічна ємність, достатня для реалізації алгоритму;

· схемотехнічні і конструктивні параметри ПЛІС, надійність, робочий діапазон температур, стійкість до іонізуючого випромінювання і т.ін.;

· вартість володіння засобами розробки, що включає як вартість програмного забезпечення, так і вартість апаратних засобів налагодження;

· вартість устаткування для програмування ПЛІС чи конфігураційних ПЗП;

· наявність методичної і технічної підтримки;

· наявність і надійність постачальників;

· вартість мікросхем.

На основі цих критеріїв були зроблені висновки щодо доцільності використання ПЛІС фірми “Altera” і її САПР MAX+PLUS II.

Надано короткий опис системи MAX+PLUS II, за допомогою якої було проведено моделювання і розроблено спецпроцесор швидких геометричних перетворень.

Наведено результати моделювання спецпроцесора швидких геометричних перетворень, а також викладено принципи його функціонування.

Розроблений спецпроцесор входить до складу системи обробки і візуалізації, яка призначена для формування швидких геометричних перетворень на екрані телевізійних відеоконтрольних пристроїв (ВКП). Структура системи спецпроцесора швидких геометричних перетворень зображень реального часу, наведена на рис. 4. Вона містить три підсистеми: підсистему геометричних перетворень, підсистему формування символьних даних і підсистему формування графічних даних. Крім того, у систему входять: пристрій синхронізації, змішувач, блок сполучення з ВКП і ВКП.

Підсистема геометричних перетворень здійснює перспективні перетворення двовимірних зображень, що зберігаються в дискретизованому вигляді в ОЗП зображень візуальних обстановок (ОЗПВ). Перетворення зображень здійснюється методом функціональної регенерації в реальному часі (час перетворення одного кадру зображення не перевищує 20мсек).

Адресний процесор, що складається з обчислювача і генератора адрес, у залежності від параметрів проективних перетворень, які надходять на його вхід від зовнішнього задатчика, генерує послідовність адрес читання інформації з ОЗПВ при розгорненні зображення на екрані растрового ВКП.

Обчислювач адресного процесора реалізовано на ПЕОМ IBM PC.

Підсистема формування символьних даних забезпечує формування на екрані ВКП алфавітно-цифрової інформації. Підсистема складається з ОЗП символів (ОЗПС), генератора символів, пристрою керування ОЗПС, формувача динамічних режимів виділення інформації і комутатора.

Підсистема формування графічних даних формує на екрані графічні інформаційні моделі. Підсистема містить графічний ОЗП (ОЗПГ), блок збільшення точності відображення графічних інформаційних моделей і пристрій керування ОЗПГ.

Вихідні відеосигнали, які формуються підсистемою геометричних перетворень і підсистемами формування символьних і графічних даних, поєднуються в змішувачі і через блок сполучення надходять на ВКП.

ВКУ виконано на базі кольорового телевізійного приймача "Електрон Ц380Д". Зображення на його екрані формується у восьми колірних відтінках.

У висновках викладені найбільш важливі наукові та практичні результати, які одержано в дисертації.

У додатках наведено допоміжні матеріали, текст програм математичного та імітаційного моделювання, результати математичного моделювання, документи про впровадження.



ВИСНОВКИ

В дисертації розроблено апаратно-орієнтовані алгоритми синтезу процесорів швидких перспективних перетворень у системах візуалізації, аналітичні співвідношення для часу виконання і похибок реалізації функції швидких перспективних перетворень, а також структури спецпроцесорів для реалізації швидких перспективних перетворень у системах візуалізації, що працюють у реальному часі і синтезують зображення з високим ступенем реалістичності.

При проведені дисертаційних досліджень отримані такі основні результати:

Проаналізовано існуючі методи та алгоритми виконання геометричних перетворень, а також основні математичні методи й алгоритми побудови спеціалізованих процесорів обробки інформації. Розглянуто видові та перспективні перетворення, а також особливості сприйняття об'ємних зображень людським оком. За математичну основу побудови спеціалізованих процесорів обрано метод псевдоповоротів вектора і різницево-ітераційні методи обчислення складних функцій і математичних операцій.

Вперше отримано апаратно-орієнтовані алгоритми швидких перспективних перетворень для реалізації на існуючій елементній базі, що задовольняють критеріям точності і швидкодії. Це дозволило за рахунок високої однорідності синтезованих структур спростити апаратурну реалізацію систем обробки відеоінформації.

Вперше одержано аналітичні співвідношення для часу виконання і похибок реалізації функції швидких перспективних перетворень, що дозволило робити обчислення з підвищеною швидкодією і заданою точністю. Запропоновано метод усунення похибки від відсутності збіжності ітераційного процесу в пристроях, які реалізують принцип псевдоповоротів вектору.

Вперше розроблено структуру спецпроцесора швидких геометричних перетворень зображень реального часу, яка за рахунок процесу одержання часткових результатів без очікування повного закінчення процесу обчислення дозволила розпаралелювати процедури реалізації функції перспективних перетворень, що робить їх зручними в обчислювальних системах потокового типу.

Проведено моделювання за допомогою ЕОМ та створеного програмного забезпечення отриманих в дисертаційної роботі апаратно-орієнтованих алгоритмів швидких перспективних перетворень, що задовольняють критеріям точності і швидкодії, а також досліджено питання збіжності цих алгоритмів. Перевірено одержані аналітичні співвідношення для часу виконання і похибок реалізації функції швидких перспективних перетворень. За допомогою САПР MAX+PLUS II фірми ALTERA була промодельована і налагоджена структура розробленого в дисертаційної роботі спецпроцесора швидких геометричних перетворень зображень реального часу. Наведено результати моделювання. Здійснено технічну реалізацію програмно-апаратної системи швидких геометричних перетворень, підсистем геометричних перетворень зображень і формування графічних даних.

Розроблені в роботі апаратно-орієнтовані алгоритми швидких перспективних перетворень та розроблені структури спецпроцесорів швидких геометричних перетворень зображень реального часу були використані при розробці цифрових пристроїв телевізійних відеоефектів, які експлуатуються в апаратно-студійних блоках у штатно передбаченому місці їхнього включення.

Розроблені і досліджені в дисертації моделі, алгоритми та пристрої були використані при вирішенні задач обробки відеоінформації у Харківській обласній державній телерадіокомпанії (м. Харків, Україна) (акт від 05.02.2003), а також у ЗАТ Регіональної телекомпанії “Тоніс-Центр” (м. Харків, Україна) (акт від 12.02.2003) у вигляді блоку телевізійних відеоефектів, що дозволило підвищити якість відеопродукції, а також скоротити час її виробництва.



СПИСОК ПРАЦЬ, ЩО ОПУБЛІКОВАНІ АВТОРОМ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Васильев Н.В., Елаков С.Г., Руденко О.Г., Сотников О.М., Торба А.А. Методы быстрой геометрической обработки изображений в тренажерах наземных транспортных средств // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета. Сб. научн. трудов. - Харьков. - 2000. - Вып. 12-13. - С. 225-227.

2. Васильев Н.В., Елаков С.Г., Перьков Р.В. Спецпроцессор для защиты видеоинформации в реальном масштабе времени // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. “Новые решения в современных технологиях”. - 1999. - №47. - С. 11-12.

3. Васильев Н.В. Некоторые аспекты разработки аппаратно-ориентированных алгоритмов преобразования изображений // Вісник Харківського національного університету. - 2000. - №506. - Частина 2. - С. 114-116.

4. Васильев Н.В., Елаков С.Г., Левин В.Л. Анализ погрешностей некоторых методов проектирования спецпроцессоров // Вестник Национального политехнического университета “ХПИ”. “Новые решения в современных технологиях". - 2002. - Т. 2. - №6. - С. 12-17.

5. Васильев Н.В. Программируемое устройство управления технологическим процессом // Тез. докл. 1-й Междунар. молодежный форум "Электроника и молодежь в 21 веке". - Харьков. - 1997. - С. 235.

6. Васильев Н.В., Елаков С.Г., Торба А.А. Микропроцессорный контроллер дистанционного управления // 3-я Междунар. конф. "Теория и техника передачи информации". - Туапсе. - 1997. - С. 137.

7. Васильев Н.В. 8-канальное устройство управления мощными объектами // "Актуальные проблемы современной науки в исследованиях молодых ученых г. Харькова". - Харьков. - 1998. - С. 8-12.

8. Бизяев В.Н., Васильев Н.В., Елаков С.Г. Адаптивная система преобразования телевизионных сигналов // 6-я Междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". - Харьков. - 2000. - С. 374-376.

9. Бизяев В.Н., Васильев Н.В., Степченко А.З. Об одном алгоритме аппаратно-ориентированного преобразования изображений // 7-я Междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". Сб. научных трудов. - Харьков. - 2001. - С. 307-308.

Размещено на Allbest.ru

...