Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор известных систем автоматической стабилизации изображения, постановка задачи 10
1.1 В ид ы современных систем стабилизации изображения 10
1.2 Системы автоматической стабилизации изображения на основе косвенных методов измерения смещения изображения. 28
1.3 Системы автоматической стабилизации изображения на основе прямых методов измерения смещения изображения 31
1.4 Выводы и постановка задач исследования 45
2 Структурный синтез прецизионной быстродействующей системы стабилизации изображения 47
2.1 Структурный синтез фотоприемного блока прецизионного быстродействующего измерителя смещения изображения 47
2.2 Система автоматического управления в телевизионной камере с прецизионной быстродействующей системой стабилизации изображения 53
2.3 Выводы 58
3 Разработка методов повышения быстродействия и точности измерения смещения изображения 59
3.1 Разработка прямого метода измерения смещения изображения с субпиксельной точностью 59
3.2 Разработка метода для определения интерполирующей функции ВКФ видеосигналов дополнительных фотоприемников при малых смещениях 67
3.3 Разработка алгоритма определения оптимальных параметров режекторного фильтра 76 Разработка алгоритма сокращения вычислительной сложности вычислителя ВКФ 84
3.5 Разработка метода повышения частоты измерения смещения изображения 87
3.6 Выводы 91
4 Апробация и внедрение разработанных методов 93
4.1 Модельное исследование формы аппроксимирующей кривой АКФ изображений 93
4.2 Экспериментальная проверка формы аппроксимирующей кривой АКФ изображений 101
4.3 Экспериментальная проверка точности прецизионного измерения смещения в зависимости от сюжетов изображения.. 108
4.4 Макет видеокамеры с субпиксельным измерителем смещения 118
4.5 Выводы 119
Заключение 124
Список использованных источников
- Системы автоматической стабилизации изображения на основе прямых методов измерения смещения изображения
- Система автоматического управления в телевизионной камере с прецизионной быстродействующей системой стабилизации изображения
- Разработка алгоритма определения оптимальных параметров режекторного фильтра
- Экспериментальная проверка формы аппроксимирующей кривой АКФ изображений
Введение к работе
Диссертация посвящена решению части крупной научно-технической проблемы видеоинформатики – стабилизации изображения в прикладных телевизионных камерах для использования, в первую очередь, в движущихся по неровным дорогам и бездорожью транспортных средствах. При этом акцент делался на частной, но достаточно актуальной задаче компенсации смаза изображения, вызываемого колебаниями визирной оси телекамеры при воздействии механических возмущений типа вибрации основания.
Актуальность темы. Актуальность этой работы связана с потребностью создания качественно нового класса телевизионных камер с автоматической стабилизацией изображения, способных компенсировать большие ускорения вибрации и обеспечивать высокую точность позиционирования исполнительного устройства в условиях жестких требований к масса-габаритным характеристикам изделия и призвана способствовать реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России» на 2014–2020 г.
Узкий диапазон компенсируемых возмущений и собственно сама проблематика совмещения изображений – «вечная» проблема телевизионной техники. Одним из основоположников решения данной проблемы является У. Прэтт, рассмотревший вопрос совмещения изображений с точки зрения корреляционной и последовательной привязок. В развитие методов цифровой и электронной стабилизации изображения вклад внесли труды Р. Вудса, Р. Гонсалеса, Ю. Б. Зубарева, В. П. Дворковича, Р. Е. Быкова и др. Проблематику совмещения аэрокосмических изображений методом локальной корреляции рассмотрели А. С. Потапов, И. А. Малышев, В. Р. Луцив. Задачи, связанные с системами контроля смещения изображения, рассмотрели такие научные деятели, как: А. Хаяши, Я. Китогава, Н. Е. Конюхов, Н. В. Кравцов, П. В. Николаев, Ю. Г. Якушев и др. В решение задач, относящихся к рассматриваемой проблеме, внесли вклад Д. Н. Еськов, М. И. Кривошеев, А. В. Петраков, Б. С. Тимофеев, И. Н. Пустынский, И. П. Гуров, А. А. Бузников, М. Н. Голушко. Данная диссертация является развитием известных результатов в области стабилизации телевизионного изображения с акцентированием внимания на значительном расширении диапазона компенсируемых возмущений и повышения точности систем стабилизации.
Целью работы является улучшение качества изображения прикладных телевизионных камер в жестких условиях эксплуатации. Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
разработка методов повышения быстродействия стабилизации изображения;
-
разработка методов достижения субпиксельной точности измерений в реальном времени малых смещений изображений;
-
апробация разработанных методов.
Основные методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы: методы теории оценивания, численные методы и методы математического моделирования.
Научная новизна. Научную новизну характеризуют следующие полученные научные результаты:
-
Предложен метод стабилизации изображений, основанный на прямом методе измерения смещения с субпиксельной точностью, отличающийся тем, что позволяет существенно расширить диапазон скоростей смещения визирной оси, при которых искажения смаза маскируются шумом.
-
Введена необходимость учета аппроксимации взаимно корреляционной функции изображений полиномом четвертой степени при субпиксельных смещениях изображения.
-
Предложен алгоритм определения оптимальных параметров режекторного фильтра, основанный на нахождении компромисса между потерей точности и вычислительной сложностью фильтра.
Практическая значимость. Практическая значимость работы определяется выигрышами, достигнутыми благодаря эффективности разработанных методов повышения быстродействия и точности систем автоматической стабилизации изображения:
предложенный метод измерения смещения изображений позволяет вплотную приблизиться к теоретическому пределу эффективности -маскированию шумом скоростного смаза (ошибок стабилизации);
предложенная аппроксимация взаимно корреляционной функции полиномом четвертой степени, позволяет в зависимости от сюжета добиться точности измерения смещения изображения 0,006…0,07 пиксела;
определены параметры импульсной характеристики режекторного фильтра, обеспечивающие компромисс между потерей точности и вычислительной сложностью;
расширение диапазона частот компенсируемых возмущений на 2 порядка за счет реализации системы измерения смещения изображения в виде ВСнК и распараллеливания считывания видеосигналов с линейных фотоприемников.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Предложенный способ построения телекамеры с множественными потоками информации на основе считывания видеосигналов не только с основного матричного фотоприёмника, но и с двух ортогональных линейных фотоприемников, позволяет повысить быстродействие прямого измерения смещения изображения на два порядка по сравнению с телекамерой с единственным потоком видеоинформации.
-
Аппроксимация ВКФ полиномом четвертой степени при субпиксельных смещениях изображения средней детальности позволяет повысить точность измерения смещения изображения до 2 дБ по сравнению с аппроксимацией ВКФ полиномом второй степени.
3. Порядок режекторного фильтра обострения ВКФ должен определяться исходя из формализованного компромисса между потерей точности и вычислительной сложностью фильтра.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в разработках ООО «Пекод», НИР ОАО «НИИТ» и учебном процессе СПбГЭТУ «ЛЭТИ», о чём имеются акты внедрения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, 2 из которых опубликованы в журнале, входящем в перечень ВАК, 4 работы содержатся в сборниках материалов научных конференций. Получен 1 патент РФ на изобретение. По одной заявке на изобретение имеется решение о выдаче патента.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на:
- научно-технических конференциях СПбНТОРЭС имени А. С. Попова,
СПб, 2012, 2013 гг.;
- международных научно-технических конференциях «Телевидение:
передача и обработка изображений», СПб, 2012, 2013 гг.;
- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского
состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2012, 2013, 2014 гг.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из списка используемых обозначений и сокращений, введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 109 наименований. Диссертация изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 3 таблицы.
Системы автоматической стабилизации изображения на основе прямых методов измерения смещения изображения
Системы автоматической стабилизации изображения на основе косвенных методов измерения смещения, в целом, являются более простыми системами, нежели системы стабилизации, использующие прямые методы оценки смещения. Косвенные методы используют в основном показания от различных датчиков для определения вибраций воздействующих на телевизионную камеру. Большая часть, существующих в настоящее время систем стабилизации изображения использует информацию о текущем значении параметров движения основания [1]. В этом случае, мы получаем оценку движения не изображения, что является более корректным, а лишь оценку движения части устройства, в которой установлены датчики. В силу влияния очевидных факторов группу данных методов оценки смещения принято называть косвенными.
Рассмотрим обобщённую функциональную схему оптического прибора [1]. На вход оптической цепи (ОЦ) поступает оптический сигнал g0.c. Движения изображения в фокальной плоскости объектива характеризуется вектором vu. Вектор v„ движения фотоприёмника (ФП) в сумме с вектором vи даёт вектор разностного движения Av, который в свою очередь, поступает на устройство фиксации (УФ). В качестве устройства фиксации изображения может быть использован твердотельный датчик изображения.
Сдвиг изображения 8 на устройстве фиксации определяется не только параметрами вектора Av, но и характеристиками УФ.
Одной из основных причин смещения изображения является движение основания О под действием возмущений В0. С помощью параметров движения основания определяют вектор движения vo. Параметры этого вектора вычисляются измерителем смещения основания (ИС) и поступают в качестве управляющих воздействий на комплекс управления (КУ) движением подвижных элементов (ПЭ) оптической цепи и фотоприёмника. Для этой цепи комплекс управления вырабатывает компенсирующие движения vк1 и vк2. Для частичной компенсации сдвига изображения информация на выходе ИС может использоваться в устройстве стабилизации основания (УСО).
Приведённая на рисунке 1.14 схема показывает, что в данном случае система стабилизации изображения построена по разомкнутому принципу и не может быть эффективно использована для компенсации возмущающих воздействий В0 и Вп на ОЦ и ФП соответственно. Погрешности ИС приводят к некомпенсируемым погрешностям в целом [1].
Примеры системы стабилизации изображения на основе косвенных методов измерения смещения представлены в патентах [21,22]. Оба устройства содержат датчики для коррекции положения, основное отличие заключается в выбранных ИУ и перемещаемых узлах изделий. В первом случае, в качестве перемещаемого элемента выступают оптические элементы, во втором случае матричный фотоприемник. Главным достоинством патента с перемещаемым фотоприемником является высокая степень микроминиатюризации устройства.
Косвенные методы в целом не удовлетворяют требованиям по точности для оценки смещения, и могут быть использованы для компенсации лишь низкочастотных возмущений, где задача не избавиться от заметного скоростного смаза, а требуется лишь снизить его влияние, чтобы получить изображения приемлемого качества. Однако бывает иногда полезно использовать косвенные методы оценки смещения вместе с прямыми методами измерения смещения [23]. Это дает возможность системе сравнить оценки, полученные прямым методом оценки по изображению (прямые методы будут рассмотрены в дальнейшем) и косвенным методом с помощью датчиков и выделить на изображении движущиеся объекты (рисунок 1.15). То есть, другими словами, это дает возможность выделить на изображении Рисунок 1.14 – Обобщенная функциональная схема оптического прибора
Иллюстрация одновременного смещения объектов на изображении и вибрациями телевизионной камеры движущиеся и стационарные части изображения и грубо оценить вектора их взаимных движений.
Как видно на рисунке 1.15 [23] могут быть одновременные вибрационные воздействия телевизионной камеры и изменение положения человека относительно травы уже на самом изображении. Данная система является достаточно интересной, но подчеркнем, что косвенный метод измерения смещения, используемый здесь, являются лишь дополнением к прямому методу. В параграфе, посвящённому прямым методам измерения смещения, мы рассмотрим способы определения взаимного движения объектов на изображении без использования каких либо дополнительных датчиков, а посредством информации поступающей лишь с самого видеоизображения.
Система автоматического управления в телевизионной камере с прецизионной быстродействующей системой стабилизации изображения
Разработку метода сокращения сложности вычислителя ВКФ следует, в целом, вести на основе совершенствования структуры коррелятора. Опишем суть разрабатываемого метода.
Коррелятор является самой сложной частью синтезируемой системы измерения смещения сигнала. Будем полагать, что априорное значение смещения изображения от измерения к измерению составляет аm, т. е. а пикселов. При этом количество значений вычисляемых коэффициентов корреляции составляет n = 2а + 1. В прецизионной следящей системе стабилизации изображения частота измерения должна выбираться достаточно большой для того, чтобы смаз изображения не проявлялся. Для этого необходимо, чтобы выполнялось условие а 1. Вычисления заметно упрощаются, если обеспечивается условие а 0,5. Отметим, что значение смещения изображения на полпикселя за время кадра было зафиксировано как эмпирическая оценка [12] без учёта обработки изображений и стабилизации растра. Малое значение сдвига сигнала за время считывания измерительной строки ведёт к необходимости и достаточности вычисления взаимной корреляции в трёх точках: с нулевым сдвигом и со сдвигом на пиксел влево и вправо [A1]. Сложность вычисления взаимной корреляции соседних строк во многом связана с операцией умножения. Для облегчения аппаратной реализации коррелятора целесообразно перейти от прямого вычисления произведений разных сигналов к несколько более просто организуемой операции возведения в квадрат. Возможность такой реализации определяется известной формулой [107]:
При любом из этих способов вычисления корреляции в схему коррелятора входит устройство задержки на строку и три устройства задержки на элемент (рисунок 3.9) с совокупной сложностью (J+3)m. Сложность коррелятора при прямом методе вычислений определяется сложностью входящих в него умножителя и накапливающего сумматора WK (J + S)m + S(m2 + m) + 4(2m + logJx/A). (3.23)
Анализ в пакете Quartus II фирмы Altera для семейства микросхем программируемой логики Cyclone IV GX показывает, что непрямое вычисление корреляции по формуле (3.1) для принятых выше параметров изображения требует примерно в 2,7 раза меньше вычислительных ресурсов, чем прямое вычисление. Это обусловлено тем, что возведение в квадрат проще, чем умножение, и тем, что благодаря вычитанию коррелированных сигналов уменьшается разрядность накапливающих сумматоров. При этом общая сложность меньше, чем требуемая для вычисления ВКФ за счёт отказа от нормировки накопленных статистик. Такая возможность связана с целью измерения - поиском не функции корреляции изображения, а лишь аргумента её максимума. Формула (3.1) изменяет структуру вычислителя (рисунок 3.10), который изменяет смысл формируемых трех статистик: теперь это значения дисперсий разностных сигналов, D–1, D0, D1, разрядность которых 2/77 + logJ/:
При практической разработке коррелятора можно применить тот же подход, что был продемонстрирован в параграфе 3.3. Другими словами функциональный блок коррелятора следует реализовывать в виде комбинаторной логики, работающей без использования тактовых синхроимпульсов, а буферными области на входах/выходах коррелятора, управлять посредством сигналов тактирования. В случае коррелятора это даст еще больший выигрыш в быстродействий и вычислительной сложности системы измерения смещения (системы контроля смещения изображения) по сравнению с интерполятором.
Разработка метода повышения частоты измерения смещения изображения Подход к разработке метода повышения частоты измерения смещения изображения строится на программно - аппаратных и технологических возможностях современных производств. Правильность применения данного метода подтверждена патентом [A3].
В современных видеосистемах и устройствах все более просматриваются тенденции к увеличению количества функциональных узлов и блоков на едином кристалле. В первую очередь это обусловлено стремлением к микроминиатюризации аппаратуры и увеличению надежности изделий. Ведь количество отказов, как правило, больше в тех устройствах, где более высокое количество паяных соединений. Данные проблемы вынудили производителей современных микросхем, в частности, твердотельных фотоприемников, пойти по пути объединения максимально возможного функционала в единый чип, в так называемую видео систему на кристалле. На Рис. 3.11 представлена структурная схема виброустойчивой системы формирования изображений с использованием СБИС ВСнК для стабилизации изображения, отражающая суть разрабатываемого метода.
ВСнК для стабилизации изображения 10 содержит основной матричный фотоприемник 11, вплотную к которому вдоль двух его взаимно перпендикулярных граней располагаются два линейных фотоприемника 12 и 13. На том же кристалле расположены два операционных запоминающих устройства 14 и 15, два процессора вычисления корреляции 16 и 17, а также блок управления 18. На фото-приёмную часть ВСнК 11,12 и 13 проецируется изображение с помощью объектива 20. Выход подвижного элемента 30 соединен с ВСнК 10 или с элементом (элементами) объектива 20, вход подвижного элемента 30 соединен с выходом блока управления 18 ВСнК 10, входы которого подключены к выходам процессоров измерения корреляции 16 и 17. Входы процессора вычисления корреляции 16 соединены непосредственно с выходами операционного запоминающего устройства 14 и выходами линейного фотоприемника 12. Входы процессора вычисления корреляции 17 соединены непосредственно с выходами операционного запоминающего устройства 15 и выходами линейного фотоприемника 13.
Предполагается следующий алгоритм работы ВСнК, по разработанному способу: Сигналы с линейных фотоприемников 12 и 13,работающих с существенно большей кадровой частотой по сравнению с основной фото приёмной матрицей 11, передаются через множество параллельных каналов связи на, вычисляющие смещения изображения процессоры вычисления корреляции взаимной корреляции сигналов соседних строк 16 и 17, а также блок управления 18, вырабатывающий управляющие сигналы для подвижного элемента 20.
Разработка алгоритма определения оптимальных параметров режекторного фильтра
При оценке сложности режекторного фильтра можно считать, что она определяется только требуемыми элементами задержки со сложностью 41т и 2/ сумматорами со сложностью 4(т + I), так как применяется только умножение на целочисленные степени числа 2 (, , …), осуществляемое простым сдвигом кода, ведущим к увеличению разрядности кода на /. При количественной оценке параметров ниже будем полагать /3 = 4.
При выборе оптимальных параметров режекторного фильтра следует принимать во внимание показатель эффективности использования вычислительных ресурсов Rr(3), связывающий потерю полезной информации (в данном случае - потерю точности измерения смещения) с вычислительной сложностью W [104] (смотри формулу 3.9).
Простейшим фильтром, отвечающим поставленным условиям, является фильтр с импульсной характеристикой {h–1=–; /?0=1, h1=–} (рисунок 3.7а). Этот фильтр, известный в радиолокации как череспериодный компенсатор второго порядка, рекомендуется к применению в задаче обострения ВКФ [17, кн. 2]. Так как применение этого фильтра при 1 ведёт к заметной потере информации, то необходимо обратиться к фильтрам с большим числом членов импульсной характеристики, примеры которых показаны на рисунках 3.76 - 3.7г, а параметры сведены в таблицу 1. Эти фильтры имеют следующие импульсные характеристики [А1, А4]:
Таким образом, наблюдается уменьшение потери информации о смещении изображения ценой увеличения сложности фильтра (смотри рисунок 3.8). Весовые коэффициенты при этих величинах следует определять с учётом сложности остальной части вычислителя, для широкого диапазона значений которых при выбранном значении = 4 наилучший компромисс между точностью и сложностью обеспечивает фильтр с импульсной характеристикой, показанной на рисунке 3.7г [А1, A3].
Необходимо отметить (таблица 1), что коэффициент шума Kш обратно пропорционален количеству членов импульсной характеристики фильтра, что следует учесть при создании систем стабилизации, основанных на предложенных методах. Значительное увеличение числа членов импульсной характеристики приводит не только к росту сложности, но и к уменьшению точности, другими словами к потере информации из-за сокращения анализируемого интервала. Это связанно с тем, что для корректного вычисления сигнала следует начинать не с первого элемента строки, а с того пикселя, которому соответствует главный положительный отклик фильтра. Другими словами с каждого края измерительной строки теряется информация с элементов разложения (данная информация не используется в Кш=\,5
В данном параграфе была разработана методика выбора оптимальных параметров режекторного фильтра. Как будет видно из дальнейшего изложения (глава 4), на практике режекторный фильтр дает значительный выигрыш в построении кривой аппроксимации АКФ и, следовательно, приводит к более точным результатам при оценке смещения посредством разработанных методов.
Разработка алгоритма сокращения вычислительной сложности вычислителя ВКФ Разработку метода сокращения сложности вычислителя ВКФ следует, в целом, вести на основе совершенствования структуры коррелятора. Опишем суть разрабатываемого метода.
Коррелятор является самой сложной частью синтезируемой системы измерения смещения сигнала. Будем полагать, что априорное значение смещения изображения от измерения к измерению составляет аm, т. е. а пикселов. При этом количество значений вычисляемых коэффициентов корреляции составляет n = 2а + 1. В прецизионной следящей системе стабилизации изображения частота измерения должна выбираться достаточно большой для того, чтобы смаз изображения не проявлялся. Для этого необходимо, чтобы выполнялось условие а 1. Вычисления заметно упрощаются, если обеспечивается условие а 0,5. Отметим, что значение смещения изображения на полпикселя за время кадра было зафиксировано как эмпирическая оценка [12] без учёта обработки изображений и стабилизации растра. Малое значение сдвига сигнала за время считывания измерительной строки ведёт к необходимости и достаточности вычисления взаимной корреляции в трёх точках: с нулевым сдвигом и со сдвигом на пиксел влево и вправо [A1]. Сложность вычисления взаимной корреляции соседних строк во многом связана с операцией умножения. Для облегчения аппаратной реализации коррелятора целесообразно перейти от прямого вычисления произведений разных сигналов к несколько более просто организуемой операции возведения в квадрат. Возможность такой реализации определяется известной формулой [107]:
При любом из этих способов вычисления корреляции в схему коррелятора входит устройство задержки на строку и три устройства задержки на элемент (рисунок 3.9) с совокупной сложностью (J+3)m.
Сложность коррелятора при прямом методе вычислений определяется сложностью входящих в него умножителя и накапливающего сумматора WK (J + S)m + S(m2 + m) + 4(2m + logJx/A). (3.23) Анализ в пакете Quartus II фирмы Altera для семейства микросхем программируемой логики Cyclone IV GX показывает, что непрямое вычисление корреляции по формуле (3.1) для принятых выше параметров изображения требует примерно в 2,7 раза меньше вычислительных ресурсов, чем прямое вычисление. Это обусловлено тем, что возведение в квадрат проще, чем умножение, и тем, что благодаря вычитанию коррелированных сигналов уменьшается разрядность накапливающих сумматоров. При этом общая сложность меньше, чем требуемая для вычисления ВКФ за счёт отказа от нормировки накопленных статистик. Такая возможность связана с целью измерения - поиском не функции корреляции изображения, а лишь аргумента её максимума. Формула (3.1) изменяет структуру вычислителя (рисунок 3.10), который изменяет смысл формируемых трех статистик: теперь это значения дисперсий разностных сигналов, D–1, D0, D1, разрядность которых 2/77 + logJ/:
Экспериментальная проверка формы аппроксимирующей кривой АКФ изображений
ВСнК для стабилизации изображения 10 содержит основной матричный фотоприемник 11, вплотную к которому вдоль двух его взаимно перпендикулярных граней располагаются два линейных фотоприемника 12 и 13. На том же кристалле расположены два операционных запоминающих устройства 14 и 15, два процессора вычисления корреляции 16 и 17, а также блок управления 18. На фото-приёмную часть ВСнК 11,12 и 13 проецируется изображение с помощью объектива 20. Выход подвижного элемента 30 соединен с ВСнК 10 или с элементом (элементами) объектива 20, вход подвижного элемента 30 соединен с выходом блока управления 18 ВСнК 10, входы которого подключены к выходам процессоров измерения корреляции 16 и 17. Входы процессора вычисления корреляции 16 соединены непосредственно с выходами операционного запоминающего устройства 14 и выходами линейного фотоприемника 12. Входы процессора вычисления корреляции 17 соединены непосредственно с выходами операционного запоминающего устройства 15 и выходами линейного фотоприемника 13.
Предполагается следующий алгоритм работы ВСнК, по разработанному способу: Сигналы с линейных фотоприемников 12 и 13,работающих с существенно большей кадровой частотой по сравнению с основной фото приёмной матрицей 11, передаются через множество параллельных каналов связи на, вычисляющие смещения изображения процессоры вычисления корреляции взаимной корреляции сигналов соседних строк 16 и 17, а также блок управления 18, вырабатывающий управляющие сигналы для подвижного элемента 20.
В процессорах вычисления корреляции 16 и 17 происходит вычисление взаимной корреляции сигналов различающихся на время строки в нечетном
Структурная схема виброустойчивой системы формирования изображений с использованием СБИС ВСнК для стабилизации изображения с распараллеливанием считывания видеоинформации из вспомогательных фрагментов формирования оценок смещения изображений количестве вычисляемых точек с интерполяцией ВКФ и вычислением аргумента максимума ВКФ [A3].
Отмечу, что в составе ВСнК, рамках разработанного метода, помимо фото приёмной части системы стабилизации, представлена вся вычислительная, запоминающая и управляющая часть, а именно: процессоры вычисления корреляции, операционные запоминающие устройства, блок управления. Отличительной особенностью разработанного метода является распараллеливание считывания сигналов с линейных фотоприемников.
Рассмотрим несколько моментов, почему реализация данного метода в виде ВСнК стала возможной, хотя еще лет 10-15 назад данная концепция была практически не реализуема. Основная проблема, с которой сталкиваются разработчики микросхем, связанна с выделением тепла в высокопроизводительном кристалле и проблемами теплоотвода. Для некоторых может показаться странным, тот факт, что тактовая частота микросхем увеличивается, а потребление падает. Всем известно, что на частотах выше 20 МГц потребление микросхемы в основном определяется не статической, а динамической рассеиваемой мощностью. Динамическая рассеиваемая мощность пропорциональна частоте и пропорциональна квадрату разности между логическими уровнями. За счет постоянного уменьшения рабочих напряжений внутри кристалла (0.9 В. и меньше) и удалось существенно снизить выделяемую мощность [A3].
Кроме того, последние достижения в полупроводниковой электронике, позволяю создавать микросхемы со встроенной аналоговой частью, помимо больших возможностей в области цифровой обработки. Реализация процессоров, программируемой логической матрицы, различных фильтров, высоковольтных ключей, операционных усилителей на одной микросхеме сделало возможным создавать системы измерения смещения изображения, практически не увеличивая размеры самой видеокамеры. Целесообразно реализовать как схемы управления, так и системы измерения смещения изображения на одном кристалле. Значительное количество производителей систем класса видеосистем на кристалле доказывают реализуемость разработанного метода.
Особенностями представленного метода являются [A3]: – Возможность реализации системы измерения смещения изображения в составе системы стабилизации изображения как СБИС класса «видеосистема на кристалле», с реализацией фото приёмной, запоминающей, вычислительной и управляющей части системы на одном кристалле. – Возможность повышения частоты измерения смещения за счет распараллеливания считывания сигналов с линейных фотоприемников. – Возможность реализации данной системы измерения смещения в составе видеосистемы на кристалле позволяет избавиться от дополнительного шума и наводок за счет уменьшения паразитного влияния проводников. Это выражается в уменьшении сопротивления и индуктивности самих проводников. – Возможность реализации вычислителя внутри кристалла и множественное считывание с линейных фотоприемников помимо увеличения скорости измерения смещения позволяет добиться увеличения точности измерения за счет применения специальных алгоритмов ЦОС, различных методов интерполяции результатов измерений. –Целесообразность сокращения вычислительной сложности за счет вычисления взаимной корреляции в нечетном количестве точек с интерполяцией взаимной корреляционной функции и вычислением аргумента максимума ВКФ.
