Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ способов и устройств для формирования изображения электронной карты в мобильных геоинформационных терминалах 12
1.1 Особенности современного этапа развития терминального оборудования распределенных ГИС 12
1.2 Способы формирования изображения электронной карты 27
2. Метод расчета параметров разбиения цифровой карты на сегменты и математическая модель процесса буферизации 37
2.1 Обоснование метода расчета аппаратно-зависимых параметров разбиения цифровой карты на сегменты 37
2.2 Метод расчета аппаратно-зависимых параметров разбиения цифровой карты на сегменты 47
2.3 Математическая модель процесса буферизации 52
2.3.1 Процесс буферизации информации, передаваемой в видеопамять 52
2.3.2 Метрические пространства, используемые в модели процесса буферизации 54
2.3.3 Совмещение метрических пространств 56
2.3.4 Варианты определения минимальной скорости буферизации внутри квадранта буферизации 60
2.3.5 Определение минимальной теоретической скорости буферизации внутри квадранта буферизации с использованием кривых Аполлония 65
2.3.6 Минимальная скорость буферизации при смене базовых положения 72
2.3.7 Влияние на минимальную скорость буферизации параметров сегментации 78
3. Способ формирования изображения центрального обзора электронной карты с априорной сегментацией в мобильном геоинформационном терминале 81
3.1 Вычисление параметров разбиения цифровой карты на сегменты 81
3.2 Структурно-лингвистическая обработка геоинформационных данных в формате SXF 90
3.2.1. Метаграмматика для обработки геоинформационных данных в формате SXF 90
3.2.2 Синтаксический анализ заголовка файла 90
3.2.3 Синтаксический анализ паспорта данных 91
3.2.4 Синтаксический анализ данных об объектах карты 92
3.2.5 Синтаксический анализ описания объектов карты 92
3.2.6 Синтаксический анализ блока координат объекта 93
3.2.7 Синтаксический анализ блока семантики объекта 95
3.3 Формирование изображения электронной карты 96
3.3.1 Расчет параметров начального базового положения 97
3.3.2 Расчет параметров начального положения буферов и начальное заполнение видеопамяти и буферов 98
3.3.3 Расчет параметров нового базового положения 100
3.3.4 Расчет параметров нового положения буферов 101
3.3.5 Определение сегментов буферизации 102
3.3.6 Процедура управления процессом буферизации 104
3.3.7 Регенерация растрового изображения 106
3.4 Анализ влияния разбиения цифровой карты на сегменты на объем хранимых данных 111
4. Структурно-функциональная организация устройства для формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале 113
4.1 Устройство для формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале 113
4.2 Блок функциональной адресации 114
4.2.1 Структурная схема блока функциональной адресации 114
4.2.2 Определение разрядности данных формирователей адресов 119
4.2.3 Функциональная схема формирователя адреса пикселя 121
4.2.4 Функциональная схема формирователя адреса строки 123
4.2.5 Функциональная схема формирователя адреса кадра 123
4.3 Схемотехническое проектирование и моделирование работы блока функциональной адресации 125
4.3.1 Принципиальные электрические схемы блока функциональной адресации 125
4.3.2 Схемотехнические затраты для блока функциональной адресации 132
4.4 Сравнительный анализ оперативности формирования изображения центрального обзора электронных карт 135
4.4.1 Оперативность заполнения буферов для растровых карт 135
4.4.2 Оперативность заполнения буферов для векторных карт 138
4.4.3 Оперативность формирования изображения при изменении положения и ориентации терминала 143
4.4.4 Оценка применения способа формирования изображения с априорной сегментацией для растровой и векторной форм представления 145
Заключение 147
Список литературы 149
- Особенности современного этапа развития терминального оборудования распределенных ГИС
- Варианты определения минимальной скорости буферизации внутри квадранта буферизации
- Анализ влияния разбиения цифровой карты на сегменты на объем хранимых данных
- Принципиальные электрические схемы блока функциональной адресации
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время одним из перспективных направлений создания автоматизированных систем управления различного звена в РФ и наиболее развитых странах мира является внедрение распределенных геоинформационных систем (РГИС), объединяющих на единой картографической основе разнородные данные и знания об управляемых объектах, а также позволяющих решать широкий комплекс задач визуализации, обработки, хранения и передачи больших массивов геопространственных данных на основе современных информационных технологий.
Современный этап развития РГИС характеризуется преимущественным использованием стационарных аппаратно-программных комплексов и средств на базе высокопроизводительных вычислительных систем, интегрированных в рамках решаемых задач со спутниковыми системами определения координат, перспективными системами, реализующими клиент-серверные, продукционные, многоагентные, нейросетевые технологии обработки и представления разнородных координатно-привязанных данных и сложноструктурированных знаний. В то же время, в последние годы, при развитии соответствующих технологий, связанных в первую очередь с созданием портативных компьютеров и средств отображения геоинформационных данных, наблюдается существенный (более 100% в год) рост числа используемых мобильных геоинформационных терминалов (МГТ) РГИС.
Перевод терминального оборудования РГИС на мобильную портативную платформу определяет необходимость решения широкого класса задач, связанных с оперативным отображением геопространственной информации при динамичном изменении местоположения контролируемых объектов и мобильного терминального оборудования, быстрым изменением
ориентации терминала в пространстве, реализации технологии центрального обзора, динамичной подкачкой визуализируемой информации, реализации перспективных протоколов передачи и хранения разнородных геопространсвенных данных, в перспективе, включая высококачественные мультимедийные данные, при гораздо более жестких ресурсных (аппаратных, программных) ограничениях по сравнению со стационарными комплексами РГИС.
При этом одним из наиболее жестких требований при создании МГТ РГИС является необходимость решения задачи оперативного отображения геопространственной информации при динамичном изменении местоположения контролируемых объектов и мобильного терминального оборудования и ориентации терминала в пространстве. Известные способы решения данной задачи, ориентированные на использование высокопроизводительных стационарных систем, акселераторов обработки и визуализации геоинформационных данных, при переносе их на мобильную портативную платформу не обеспечивают решение большинства задач оперативного отображения геопространствен ой информации в МГТ РГИС.
При этом возникает объективное противоречие между необходимостью решения задачи оперативного отображения геопространственной информации в МГТ РГИС при жестких ограничениях на аппаратно-программные ресурсы и возможностями существующих методов и устройств.
Разрешение данного противоречия возможно при создании адекватного современным условиям эксплуатации мобильных геоинформационных терминалов способа и устройства для формирования изображения центрального обзора электронной карты, что является важной научно-технической задачей.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с грантом для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России №А03-3.16-54 «Исследование научно-технических путей построения многофункциональных цифровых оконечных терминалов для распределенных геоинформационных систем».
Объектом исследования является мобильный терминал распределенных геоинформационных систем.
Предмет исследования- способ формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале.
Цель исследования: повышение оперативности формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном гео информационном терминале.
Основными задачами диссертационного исследования являются:
1. Анализ научно-технических предпосылок решения задачи повышения оперативности формирования изображения центрального обзора электронной карты на мобильном гео информационном терминале. Постановка задачи и выбор направлений исследования.
2. Разработка метода расчета параметров разбиения цифровой карты на прямоугольные сегменты и математической модели процесса буферизации для формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале.
3. Разработка способа формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале.
4. Разработка структурно-функциональной организации устройства для формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном re о информационном терминале.
Научная новизна работы:
1. Разработан метод расчета аппаратно-зависимых параметров разбиения цифровой карты на прямоугольные сегменты по взаимосвязанному исходному набору параметров отображаемой на экране прямоугольной области карты, параметров дисплея и видеопамяти МГТ, позволяющий топологически плотно заполнять буфер регенерации изображения, исключив необходимость динамичного решения задач отсечения в МГТ.
2. В рамках теории дифференциальных игр в совмещенном пространстве с метриками Евклида и Минковского разработана математическая модель процесса буферизации, позволяющая в зависимости от основных параметров решаемой прикладной задачи и динамики процессов отображения в МГТ геоинформационных данных рассчитать минимальную требуемую скорость заполнения вертикального и горизонтального буферов видеопамяти, определить сегменты для передачи в буферы и распределить интервал времени, выделенный для буферизации, между двумя процессами заполнения вертикального и горизонтального буферов видеопамяти.
3. Разработан способ формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале с априорной сегментацией, позволяющий выполнить на МГТ непрерывное отображение электронной карты в режиме центрального обзора при одновременном выполнении операций переноса, поворота и дискретного, ограниченного по величине масштабирования в процессе динамического пополнения изображения карты новыми фрагментами.
Практическая ценность.
Разработана структурно-функциональная схема устройства для формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале. Она доведена до уровня инженерных решений в виде принципиальных схем, позволяющих создавать устройства для формирования изображений центрального обзора электронной карты в МГТ для решения задач ориентации в условиях чрезвычайных ситуаций, охраны порядка, окружающей среды, экономической деятельности. Методы исследования основаны на методах теории формальных грамматик, машинной графики, дифференциальных игр преследования, проектирования ЭЦВМ.
На защиту выносятся:
1. Метод расчета аппаратно-зависимых параметров разбиения цифровой карты на прямоугольные сегменты, по взаимосвязанному исходному набору параметров отображаемой на экране прямоугольной области карты, параметров дисплея и видеопамяти МГТ.
2. Математическая модель процесса буферизации в совмещенном пространстве с метриками Евклида и Минковского, позволяющая рассчитать минимальную требуемую скорость заполнения буферов видеопамяти, определить сегменты для передачи в буферы и распределить интервал времени, выделенный для процесса буферизации, между двумя процессами заполнения вертикального и горизонтального буферов видеопамяти.
3. Способ формирования изображения с априорной сегментацией для непрерывного отображения электронной карты в режиме центрального обзора при выполнении поворота, переноса и масштабирования изображения,
4. Структурно-функциональная организация устройства для формирования изображения центрального обзора электронной карты в МГТ, на основе способа формирования изображения с априорной сегментацией.
Реализация и внедрение. Результаты диссертации используются в учебном процессе Курского государственного технического университета и внедрены в в/ч 25714.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международных и российских конференциях: «Распознавание - 2003, 2005» (г. Курск, 2003, 2005 гг.), «Медико-экологические информационные технологии -2004, 2005» (г. Курск, 2004, 2005 гг.), «Искусственный интеллект в XXI веке» (г. Пенза, 2003 г.), «Континуальные алгебраические логики, исчисления и не йр о информатика в науке и технике - КЛИН 2004, 2005» (г. Ульяновск, 2004, 2005 гг.), «Ломоносов 2004» (г. Москва, 2004 г.), «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г. Пенза, 2005 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в 6 статьях, 4 из которых в журналах, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и 2 приложений. Общий объем диссертации составляет 175 страниц, включая 37 рисунков, 14 таблиц, список литературы состоит из 114 наименований. Краткое содержание работы.
В первом разделе диссертационной работы рассмотрено современной состояние объекта и предмета исследования, осуществлена постановка задачи исследования, определены основные направления её решения.
Во втором разделе для топологически плотного заполнения буфера регенерации изображения разработан метод расчета аппаратно-зависимых параметров разбиения цифровой карты на прямоугольные сегменты, по взаимосвязанному исходному набору параметров отображаемой на экране прямоугольной области карты, параметров дисплея и видеопамяти МГТ.
Разработана математическая модель процесса буферизации, позволяющая рассчитать минимальную требуемую скорость заполнения вертикального и горизонтального буферов видеопамяти, определить сегменты для передачи в буферы и распределить интервал времени, выделенный для буферизации, между двумя процессами заполнения вертикального и горизонтального буферов видеопамяти.
В третьем разделе на основании разработанных во втором разделе метода расчета аппаратно-зависимых параметров разбиения цифровой карты на прямоугольные сегменты и математической модели буферизации разработан способ для формирования изображения центрального обзора электронной карты в МГТ. Данный способ позволяет реализовать в МГТ непрерывное отображение электронной карты в режиме центрального обзора (при постоянном положении точки местонахождения в центре экрана) при одновременном выполнении операций переноса, поворота и дискретного, ограниченного по величине масштабирования в процессе динамического пополнения изображения карты новыми фрагментами.
В четвертом разделе для реализации способа формирования изображения с априорной сегментацией разработана структурно-функциональная схема устройства для формирования изображения центрального обзора электронной карты. Представлены результаты схемотехнического проектирования и моделирования блока функциональной адресации видеопамяти МГТ в системе ORCAD на уровне принципиальных электрических схем. Приведены результаты анализа оперативности формирования изображения центрального обзора при использовании разработанного способа и устройства по сравнению с аналогами.
Особенности современного этапа развития терминального оборудования распределенных ГИС
Современные геоинформационные системы (ГИС) представляют собой новый тип интегрированных информационных систем. Они включают методы обработки данных многих ранее существовавших автоматизированных систем (АС), тик и обладают спецификой в организации и обработке данных.
Разработка ГИС началась в конце 60-х гг. 20 века с попытки создания картографического банка данных. Данная попытка закончилась неудачей ввиду отсутствия на тот момент времени адекватных аппаратно-программных средств хранения больших объемов картографических данных. В конце 80-х гг. возникла технологическая основа, позволяющая привязывать к графическому изображению базы данных, примерно в это же время появился и термин «геоинформационные системы» [1].
В соответствии с [1] под геоинформационной системой понимается аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение, и распространение пространственно-координатных данных, интеграцию данных, информации и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества.
В основе теории геоинформатики как учения о ГИС лежат несколько базовых понятий. К ним относятся понятия пространственного объекта, пространственных данных, моделей пространственных данных, функции их обработки, включая базовые функции пространственного анализа и геомоделирования как ядра ГИС [1]. Алгоритмы и методы геоинформатики близки вычислительной геометрии и компьютерной (машинной) графике, системам автоматизированного проектирования (САПР). Непозиционная (атрибутивная) часть пространственных данных традиционно хранится и управляется средствами систем управления базами данных (СУБД). Единая цифровая среда существования объединяет ГИС с глобальными системами позиционирования и автоматизированными технологиями съемок местности. Аппаратная среда реализации геоинформационных технологий -вычислительная техника — вовлекает в число интересов и условий существования геоинформатики новейшие информационные, в том числе телекоммуникационные, технологии, изучаемые общей информатикой [1, 2]. По тесноте связи, уровню взаимодействия, методической и технологической близости и возможностям интеграции ближайшее окружение геоинформатики образуют картография и дистанционное зондирование. Электронная карта (ЭК) - это картографическое изображение на дисплее компьютера как результат визуализации некоторых цифровых данных. Как показано в [1] термин «цифровая карта» по своему происхождению является научной метафорой. Как явление цифровой среды, цифровая «карта» не является картой, картографическим изображением в традиционном для картографии смысле, поскольку не воспринимается человеком визуально или тактильно, а будучи визуализированной перестает быть цифровой. Вполне точно ей соответствует термин «цифровая модель карты», который в настоящее время редуцирован до более краткого термина «цифровая карта» [1]. Цифровые модели реальности образуют информационную основу ГИС. В качестве объекта моделирования в ГИС выступает пространственный объект. Он может быть определен как цифровое представление объекта реальности (местности), содержащие его местоуказание и набор свойств (характеристик, атрибутов). Множество цифровых данных о пространственных объектах образуют пространственные данные. Они состоят из двух взаимосвязанных частей: позиционной (тополого-геометрической) и непозиционной (атрибутной) составляющих, которые образуют описание пространственного положения и тематического содержание данных [1, 5]. Пространственные объекты как абстрактные представления реальных объектов и предмет информационного моделирования в ГИС разнообразны и традиционно классифицируются соответственно характеру пространственной локализации отображаемых ими объектов реальности, мерности пространства, которое они образуют, модели данных, используемой для их описания, и по другим основаниям. В рамках объектно-ориентированных моделей данных могут конструироваться в новые классы объектов, отличные от базовых или созданных ранее [1,5]. Согласно [1,3] базовыми (элементарными) типами пространственных объектов, которыми оперируют современные ГИС, обычно считаются: точка (точечный объект) — 0-мерный объект, характеризуемый плановыми координатами; линия (линейный объект, полилиния) — 1-мерный объект, образованный последовательностью не менее двух точек с известными плановыми координатами (линейными сегментами или дугами); область (полигон, полигональный объект, контур, контурный объект) — 2-мерный (площадной) объект, внутренняя область, ограниченная замкнутой последовательностью линий (дуг в векторной топологической модели данных или сегментов в векторной нетопологической модели данных); пиксел (пиксель, пэл) — 2-мерный объект, элемент цифрового изображения, наименьшая из его составляющих, получаемая в результате дискретизации изображения (разбиения на далее неделимые элементы растра); элемент дискретизации координатной плоскости в растровой модели данных ГИС; ячейка (регулярная ячейка) — 2-мерный объект, элемент разбиения земной поверхности линиями регулярной сети. В зависимости от типа объекта его местоположение определяется парой координат (для точечного объекта) или набором координат, организованным определенным образом в рамках некоторой модели данных.
Перечень свойств соответствует атрибутам объекта, качественным и количественным его характеристикам, которые приписываются ему в цифровом виде пользователем, могут быть получены в ходе обработки данных или генерируются системой автоматически. Как показано в [1, 2, 3] существует расширенное толкование понятия атрибута объекта; последнему могут быть поставлены в соответствие любые типы данных: текст, цифровое изображение, видео- или аудиозапись, графика (включая карту), что, по существу, реализуется на практике в мультимедийных электронных атласах. Под атрибутами понимаются именно содержательные, тематические (непозиционные, непространственные) свойства объектов.
Варианты определения минимальной скорости буферизации внутри квадранта буферизации
На рисунке 3.3 приведены результаты экспериментальных исследований влияния параметров сегментации цифровой карты на объем файлов, требуемых для хранения пространственных данных, в соответствии с которыми требуемый объем увеличивается в 1.03-1.37 раза.
Измерения проводились в ОС Microsoft WindowsXP с файловой системой NTFS и размером кластера в 512 байт.
При малых значения ах увеличение объема файлов вызвано большим количеством частично заполненных кластеров жесткого диска, по мере увеличения размеров сегментов, влияние данного фактора снижается. При увеличении размеров сегментов рост объемов требуемого дискового пространства обусловлен тем фактом, что сегменты по краям цифровой карты могут быть заполнены данными не полностью. 1. Разработан способ формирования изображения центрального обзора электронной карты с априорной сегментацией, который позволяет за счет аппаратно-зависимой сегментации на этапе предобработки геоинформационных данных, буферизации видеопамяти в зависимости от положения терминала в пространстве и аппаратной реализации аффинных преобразований электронной карты выполнять на МГТ непрерывное отображение электронной карты в режиме центрального обзора при одновременном выполнении операций переноса, поворота и дискретного, ограниченного по величине масштабирования в процессе динамического пополнения изображения карты новыми фрагментами.
Для достижения оперативности формирования изображения центрального обзора электронной карты необходимо включить в структурно-функциональную организацию МГТ блок функциональной адресации видеопамяти, реализующий аффинных преобразований электронной карты, тороидальную адресацию и буферизацию видеопамяти терминала. Устройство для формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале (УФИЭК), предназначено для реализации способа формирования этого изображения на основе априорной сегментации, разработанного в диссертационной работе. УФИЭК является программно-технической системой. В качестве аналога рассматривается микропроцессорная система INTEL ARM РХА 255, дополненная блоком глобальной системы позиционирования и электронным компасом [32, 87]. Структур но-функциональная схема УФИЭК представлена на рисунке. 4.1. Она состоит из: микропроцессора (МП), блока глобальной системы позиционирования (БГСП), электронного компаса (ЭК), контроллеров памяти (КП), контроллера прямого доступа к памяти (КПДП), контроллера дисплея (КД), жидкокристаллического дисплея (ЖКД), и отличается от приведенных выше аналогов тем, что в нее введен блок функциональной адресации (БФА) слоем видеопамяти карты (СВПК). Данные передаются по шинам: данных (ШД), данных видеопамяти (ШДП), данных видеопамяти карты (ШДПК). Адреса передаются по шинам: адреса (ША), адреса видеопамяти (ШАП), адреса видеопамяти карты (ШАПК). Управляющие сигналы передаются по шинам: управления (ШУ), управления видеопамятью (ШУП), управления видеопамятью карты (ШУПК). Синхросигналы передаются по шине (ШС). Программное моделирование работы УФИЭК осуществлялось с использованием языка C++Bilder 6.0, текст программы моделирования представлен в приложении А. 4.2 Блок функциональной адресации Введение в устройство блока функциональной адресации произведено в результате обобщения функциональных требований к устройству, предъявляемых этапами способа формирования изображения с априорной сегментацией. 4.2.1 Структурная схема блока функциональной адресации Структурная схема блока функциональной адресации слоя видеопамяти карты представлена на рисунке 4.2. Она состоит из регистров данных (РГД) для координат X и Y, формирователей адресов по координатам X и У: кадра (ФАК), строки (ФАС), пикселя (ФАП). Формирователи адресов кадра ФАК вычисляют координаты левого верхнего угла кадра изображения Axd, Ayd в зависимости от дирекционного угла а, масштаба изображения mzm и изменений в положении точки местонахождения Д /,,» Ду/о- Вычисленные значения Axd, Ayd передаются по кадровому синхроимпульсу Vsync в формирователи адресов строк ФАК, которые в зависимости от a, mzm, Axd, Ayd вычисляют координаты Axs, Ays начала очередной строки. Вычисленные значения Axs, Ays передаются по строчному синхроимпульсу Hsync в формирователи адресов пикселей ФАП, которые в зависимости от a, mzm, Axd, Ayd вычисляют координаты Axp, Аур пикселей в очередной строке и по синхроимпульсу пикселя Dclk передаются в контроллер памяти КД. В конечном итоге пиксели выбираются из слоя видеопамяти карты СВПК и передаются в контроллер дисплея КД в режиме тороидальной адресации, совмещенной с аффинными преобразованиями и интерполяцией по методу ближайшего соседа.
Анализ влияния разбиения цифровой карты на сегменты на объем хранимых данных
Оценка аппаратных затрат для реализации БФА может быть осуществлена в эквивалентных вентилях [89] или в транзисторах. В качестве эквивалентного вентиля используется элемент И-НЕ или ИЛИ-НЕ с двумя входами. Количество транзисторов в элементах типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ, выполненных по технологии КМОП, равняется удвоенному числу входов [111, 112]. Так инвертор содержит два транзистора, элемент И-НЕ с двумя входами - четыре транзистора, с тремя входами - шесть транзисторов и т.д. Содержание эквивалентных вентилей в функциональных частях БФА определяется по логическим диаграммам цифровых устройств, входящих в их состав на основании каталога фирмы Texas Instruments [113].
Запоминающие устройства типа ROM обычно выполняются по структуре 2DM [89]. Это означает, что часть адресных входов используется для адресации строк, а часть для мультиплексирования считываемых многоразрядных выходных данных. При разрядности адреса в девять бит пять бит используются на дешифрацию и четыре на мультиплексирование.
В таком случае дешифратор будет содержать 32 элемента ИЛИ-НЕ на пять входов каждый и 32 инвертора, что будет соответствовать 32 5 2+32 2 =384 транзисторам. Соответственно мультиплексор будет содержать 16 элементов ИЛИ-НЕ, на четыре входа каждый, 16 инверторов и один коммутатор канала, что будет соответствовать 16 4 2+16 2+2=162 транзисторам. В масочных ROM на один бит хранимой информации тратится один транзистор [89].
Исходя из приведенных данных, можно оценить аппаратные затраты на ПЗУ, которые приведены в таблице 4.4. Сравнение таблиц 4.3 и 4.4, показывает, что на реализацию ПЗУ требуется в 2.7 раза больше транзисторов, чем на регистры и АЛУ. Отсюда следует вывод, что при практической реализации устройства, с целью минимизации его сложности, можно осуществлять вычисление констант, хранящихся в ПЗУ, на комбинационных схемах в виде ПЛМ. Очевидность такого вывода следует из того, что для вычисления функций косинуса и синуса в диапазоне 360 градусов, достаточно хранить их значения в диапазоне 45 градусов. С другой стороны стоимость производства транзистора для ПЗУ меньше чем для комбинационной схемы [89]. Микропроцессорные системы, применяемые в настоящее время в мобильных устройствах содержат от 6 до 27 миллионов транзисторов [87]. Добавление в их состав устройства, содержащего 106372 транзисторов, приведет к увеличению аппаратных затрат от 0.4 % до 1.7%. Основой понятия оперативности является время решения определенной задачи. При формировании изображения центрального обзора электронных карт на экране движущегося и изменяющего ориентацию геоинформационного терминала таких задач две. Первой является задача заполнения буферов. Второй является задача формирования нового изображения карты, соответствующего, новому положению и ориентации терминала в пространстве. Вторая задача входит как составная часть в первую задачу, но сама по себе важна для практического использования. При оценке оперативности в качестве основных параметров используются, как самые длительные, операции считывания и записи информации, применяемые к оперативной и видеопамяти. Для адекватности сравнения способов формирование изображения рассматривается для mzm равным единице при одинаковой величине сегментов, так как требования к производительности вычислительной системы зависит от величины сегмента, определяемой значением ах (рисунок 2.12). Информация для заполнения буферов считывается из оперативной памяти, в которой хранится растровая карта, в виде набора файлов с растровыми изображениями в сжатой форме с коэффициентом сжатия ксот 1. Каждый файл представляет собой сегмент карты, накрывающий поверхность карты определенной площади. Каждый сегмент имеет координатную привязку для своего левого верхнего угла. В предложенном в диссертационной работе способе с априорной аппаратно-зависимой сегментацией разбиение карты на сегменты осуществлено, таким образом, что заполнение буферов происходит в результате пересылки без дополнительных проверок на координатную привязку и на соответствие размеров передаваемого сегмента свободному месту в буфере, куда он должен передаваться. В существующих способах сегментации [11, 43] разбиение на сегменты производится на аппаратно-независимой основе, в связи, с чем сегмент требуемой конфигурации и координатной привязки в общем случае не является ни одним из сегментов разбиения, а является объединением частей других сегментов рисунке 4.12. заполнения горизонтального буфера в аппаратно-независимом способе для передачи в горизонтальный буфер требуется сделать не менее 2 (Hb + ах) ксот операций считывания из оперативной памяти, и Нь операций записи в видеопамять, а для способа с априорной аппаратно-зависимой сегментацией Нь ксот операций считывания и Нь операций записи. Если VMx=VMyi то наибольшие требования к оперативности заполнения буферов возникают при движении точки местонахождения строго вертикально. При этом до момента начала использования нового горизонтального буфера точка сместится на ах пикселей. При каждом смещении должна осуществляться перерисовка в общем случае повернутого изображения, содержащего xd -у пикселей. В устройствах формирования изображения, не содержащих БФА требуется выполнить считывание пикселей из неподвижного изображения для формирования повернутого, запись повернутого изображения в буфер видеопамяти и считывание повернутого изображения из буфера для передачи в дисплей. Это означает, что требуется 3 ах xd yd обращений к памяти для выполнения операций считывания-записи. В устройстве с БФА требуется лишь ах xd yd операций считывания для передачи пикселей в дисплей.
Принципиальные электрические схемы блока функциональной адресации
На рисунке 4,19 представлены графики изменения коэффициентов повышения оперативности вывода изображения на экран в зависимости от коэффициента затрат на выполнение операций преобразования изображения.
Вычислительной мощности микропроцессорных систем, применяемых в настоящее время в портативных мобильных терминалах, не хватает для оперативного вывода изменения изображения карты при изменении ориентации терминала в пространстве. Задержка вывода измененного изображения при повороте терминала достигает 4-5 секунд [36, 37].
Сравнение оперативности заполнения буферов при использовании способа априорной аппаратно-зависимой сегментации для растровых и векторных карт возможно с использованием коэффициента равного отношению количества операций обращения к оперативной памяти и видеопамяти за чтением и записью информации для векторных карт к количеству обращений для растровых карт. На рисунке 4.20 приведены графики для qrvincr в зависимости от коэффициента заполнения векторной карты kv для, ксот =1, при этом qrvljncr для ах =298, a qrv2incr для ах=37. Из графиков следует, что способ практически одинаково работает с двумя формами представления карт. При этом: для значений kv 0.5 незначительное преимущество имеет векторная форма представления, а для значений kv 0.5 преимущество имеет растровая форма представления. Оперативность вывода нового изображения карты на экран при изменении положения и ориентации терминала не зависит от представления карты в растровом или векторном формате 1. Разработана структурно-функциональная схема устройства для формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале, отличающаяся новым блоком функциональной адресации видеопамяти, позволяющая реализовать способ формирования изображения с априорной сегментацией. 2. Результаты экспериментальных исследований работы способа и устройства подтверждают эффективность их функционирования в реальных условиях и свидетельствуют о повышении оперативности формирования изображения центрального обзора электронной карты в 1,5 - 2,6 раза за счет увеличения аппаратных затрат от 0,4%) до 1,7% и увеличении объема файла, в котором хранится цифровая карта, в 1,03 - 1,37 раза. В работе решена важная научно-техническая задача создания способа и устройства для формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале. В рамках проведенных исследований в диссертационной работе получены следующие основные результаты: 1. Разработан метод расчета аппаратно-зависимых параметров разбиения цифровой карты на прямоугольные сегменты, позволяющий топологически плотно заполнять буфер регенерации изображения, исключив необходимость динамичного решения задач отсечения в МГТ. 2. В рамках теории дифференциальных игр в совмещенном пространстве с метриками Евклида и Минковского разработана математическая модель процесса буферизации, позволяющая в зависимости от основных параметров решаемой прикладной задачи и динамики процессов отображения в МГТ геоинформационных данных рассчитать минимальную требуемую скорость заполнения вертикального и горизонтального буферов видеопамяти, определить сегменты для передачи в буферы и распределить интервал времени, выделенный для буферизации, между двумя процессами заполнения вертикального и горизонтального буферов видеопамяти. 3. Разработан способ формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале с априорной сегментацией, позволяющий выполнить на МГТ непрерывное отображение электронной карты в режиме центрального обзора при одновременном выполнении операций переноса, поворота и дискретного, ограниченного по величине масштабирования в процессе динамического пополнения изображения карты новыми фрагментами. 4. Разработана структурно-функциональная схема устройства для формирования изображения центрального обзора электронной карты в мобильном геоинформационном терминале. Проведены экспериментальные исследования работы устройства, подтверждающие эффективность его функционирования в реальных условиях. Результаты сравнительного анализа свидетельствуют о повышении оперативности формирования изображения центрального обзора в МГТ по сравнению с известными устройствами в 1,5 -2,6 раза.
