Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ устройств цифровой обработки видеосигнала и реализуемые ими алгоритмы в системах управления движением транспортного робота 12
1.1. Устройства и алгоритмы цифровой обработки видеосигнала 12
1.2 Классификация и выбор датчика оптической информации 26
1.3 Выбор процедуры синтеза устройств цифровой обработки видеосигнала 31
Выводы 40
Глава 2 Аппаратно-орисптированные алгоритмы цифровой обработки видеосигнала 41
2.1 Структура системы управления движением транспортного робота41
2.2 Алгоритмы цифровой обработки видеосигнала 44
2.3 Обобщенный алгоритм цифровой обработки видеосигнала 54
Выводы
Глава 3 Теоретико-множественная модель устройств цифровой обработки видеосигнала и процедура структурного синтеза на ее основе 57
3.1 Теоретико-множественная модель устройств цифровой обработки видеосигнала 57
3.2 Теоретико-множественная модель компонентов ' устройств цифровой обработки видеосигнала 61
3.3 Формирование теоретико-множественной модели устройств цифровой обработки видеосигнала 63
3.4 Процедура структурного синтеза устройств цифровой обработки видеосигнала 70
3.5 Реализация процедуры структурного синтеза устройств цифровой обработки видеосигнала 78
Выводы 87
Глава 4 Устройства цифровой обработки видеосигнала 88
4.1. Структурно-функциональные схемы устройств цифровой обработки видеосигнала 88
4.2 Погрешности устройств цифровой обработки видеосигнала 99
4.3 Вероятность ошибочных срабатываний устройств цифровой обработки видеосигнала 101
4.4 Экспериментальное исследование устройства цифровой обработки видеосигнала 102
Выводы 121
Заключение 122
Библиографический список
- Классификация и выбор датчика оптической информации
- Алгоритмы цифровой обработки видеосигнала
- Теоретико-множественная модель компонентов ' устройств цифровой обработки видеосигнала
- Погрешности устройств цифровой обработки видеосигнала
Введение к работе
Актуальность. Глобальный технологический скачок,
произошедший за последние десятилетия, привел к резкому увеличению числа роботизированных технологических процессов. Одним из важнейших компонентов любого технологического процесса является транспортная система, В связи с этим, актуальность приобрела задача построения систем управления движением транспортных роботов, способных работать в условиях искусственно подготовленной среды.
Доказано, что человек максимальное количество шіформаїши получает с помощью глаз, т.е. наиболее информативным является визуальный поток. Поэтому наибольшее развитие за последние годы получили системы технического зрения (СТЗ).
Существенным отличием СТЗ транспортных роботов, используемых в условиях искусственно подготовленной среды, является то, что информационная область, предназначенная для их работы, содержит меньшее количество информативных признаков, чем при работе в естественных условиях, и при этом информация, заданная в данных признаках, максимальна.
Такой подход является одним из наиболее выгодных с точки зрения компромисса между затратами на подготовку среды функционирования робота и заїра гам и на синтез СТЗ робота под конкретный технологический цикл. Наиболее адекватным по этому критерию является разработка минимального набора искусственных максимально контрастных признаков, несущих необходимую и л остаточну го информацию и легко распознаваемых СТЗ транспортного робота.
Процесс функционирования СТЗ разделяется на квантование и бинаризацию видеоинформации, ее предварительную обработку, ввод
видеоинформации в ЭВМ, определение информативных признаков изображения и выдачу на основании обработки полученных цифровых кодов требуемой информации в зависимости от назначения СТЗ (управляющее воздействие, измерительная информация, диагноз и т.д.). Исходя из перечисленных функций основными устройствами СТЗ являются датчик оптической информации (ДОИ), устройство аналоговой обработки видеосигнала (УАОВ) и устройство цифровой обработки видеосигнала (УЦОВ).
Одной из важнейших является задача выделения информативного признака, или совокупности таковы* признаков, отслеживание изменений данных признаков и обработка цифрового видеосигнала соответствующего этим признакам с помощью УЦОВ.
В УЦОВ должны рационально сочетаться аппаратные и программные методы обработки, что позволит создать высокоэффективные и быстродействующие УЦОВ, отвечающие следующим требованиям:
обеспечение достоверности при слежении за объектами в информационном поле;
простота конструкции;
надежность в эксплуатации;
простота перен астра и ван и я;
функционирование в реальном масштабе времени,
Одним из факторов сдерживающих развитие систем технического зрения является сложность алгоритмов цифровой обработки видеосигнала следствием которой являются большие аппаратные и временные затраты на реализацию УЦОВ,
На данный момент разработки как отечественных, так и иностранных исследователей сосредоточены на разработке алгоритмов
позволяющих сократить аппаратные и временные затраты в устройствах цифровой обработки видеоинформации реализующих алгоритмы цифровой обработки видеосигнала [1-4],
В настоящее время отсутствуют завершенные научно-исследовательские работы и проекты УЦОВ, с комплексным рассмотрением и разработкой алгоритмов и технических средств, способных минимизировать аппаратные и временные затраты на цифровую обработку видеосигнала.
Перспективное направление в подобных разработках — структурный синтез УЦОВ, реализующих аппаратно-ориентированные алгоритмы цифровой обработки видеосигнала, работающих в составе систем управления движением транспортных роботов.
шш По мере увеличения степени интеграции элементной базы расширяются функциональные возможности и повышается производительность УЦОВ за счет аппаратно-программной или полностью аппаратной обработки сигналов. Разработка новых процедур и алгоритмов синтеза УЦОВ необходима для сокращения аппаратных, а как следствие и временных затрат, на реализацию УЦОВ для малогабаритных переносных и бортовых СТЗ, СТЗ миниатюрных транспортных роботов, а также транспортных роботов двойного назначения.
Научно-технической задачей диссертационной работы является снижение временных затрат на обработку цифрового видеосигнала и аппаратной сложности устройств цифровой обработки видеосигнала,
Диссертационная работа выполнялась в рамках тем: - 2.95 (№ гос. регистрации 01970002558) "Адаптивная оптико-электронная система для контроля изделий микро- и радиоэлектроники";
о *
- 1Л 1.98 (№ гос, регистрации 01980006840) "Исследование принципов
алгоритмического конструирования высокоточных оптических
датчиков на базе приборов с зарядовой связью",
Целью работы является разработка аппаратно-орисг шарованных алгоритмов обработки цифрового видеосигнала, позволяющих сократить временные и аппаратные затраты в устройствах цифровой обработки видеосигнала систем управления движением транспортного робота,
Основные задачи в соответствии с целью работы:
Классификация и выбор датчика оптической информации
Определяющим при построении СТЗ, разработке ее структурной схемы является тип конкретного ДОИ, от него :ІОВИСЯТ следующие параметры СТЗ: быстродей стане, масса, надежность, потребляемая мощность, габариты, сложность решаемых СТЗ задач. Классификация и описание отдельных ДОИ проведена в работах [36 -39]. ДОИ могут быть разделены по тину их исполнен НУ на твердотельные полупроводниковые преобразователи и вакуумные преобразователи. К первому типу относятся фотодиод, сканистор, линейные ПЗС, ко второму: ФЭУ, электроныо-лучевыс передающие трубки.
Тип исполнения определяет такие параметры ДОИ, как масса, габариты, надежность, механическая прочность, взрывоопасность, потребляемая мощность, напряжение питания, долговечность, микрофонный эффект, чувствительность к электромагнитным полям. Пол у провод [шковый тип преобразователя определяет такие положительные свойства СТЗ: малые вес, габариты, потребляемая мощность высокая механическая прочность, долговечность [31]. Использование вакуумного тина преобразователей определяется их более высоким уровнем разработки, разнообразностью: ФЭУ, ортикои, суперортикон, кремникон, нлюмбикон, кадмикон, видикон, диссектор, доступностью (серийное производство), лучшими пока некоторыми характери стиками, например, разрешающей способностью, чувствительностью [37]. В СТЗ по контролируемому параметру излучения ДОИ могут быть подразделены на ДОИ, контролирующие амплитудные параметры оптического излучения, на ДОИ, характеризую и їй е пространственное распределение оптического излучения - а мл итуд но-координатные и на ДОИ, характеризующие спектральный состав оптического излучении -амплитуд но-спектральные. Обработка информации о пространстве! IT юм расположении состовых лучей, то есть о распределении освещенности проецируемого информационного поля, дает возможность выделить контуры объекта при бинарном преобразовании или все детали объекта и информационного поля при текстурном преобразовании. Информация о спектральном составе оптического излучения дает возможность распознавать цвета объектов информационного поля.
Перспективны ДОИ, объединяющие возможности полу чел ия распределения освещенности и спектрального состава. Это позволяет получать изображения для различных монохроматических излучений или в узких диапазонах спектра, что дает возможность полнее использовать информативность оптического излучения.
По принципу преобразования датчики оптической информации СТЗ разделены на ДОИ, использующие принцип накопления электромагнитной энергии и без накопления энергии. Использование ДОИ, работающих по принципу накопления заряда - ЭЛТ, ГОС, сканисторов, дает возможность СТЗ работать с различными уровнями освещенности, путем полбора нужной чувствительности, за счет увеличения времени накопления. ДОИ без накопления - ФЭУ, диссектор могут быть использованы в СТЗ с высокой скоростью обработки информации.
Распределение структуры чувствительного слоя ДОИ может быть точечным, линейным, плоскостным или комбинированным. Точечное распределение структуры чувствительного слоя имеют, например, фотодиоды. Такие ДОИ могут контролировать, например, амплитудные параметры оптического излучения. При использовании наборов фотодиодов можно контролировать пространственное положение и спектральный состав оптического излучения.
Алгоритмы цифровой обработки видеосигнала
Новое направление в синтезе, возникшее сравнительно недавно, сгаяит своей целью разработку универсальных методов структурного синтеза, применимых для различных технических объектов и независящих от отраслевой или цеховой специфики [40]. Полигоном для отработки идей и проверки полученных результатов служит область, связанная с синтезом физических эффектов и технических принципов действия,
Синтез представляет собой процедуру, целью которой является соединение различных элементов, свойств, сторон и т. п, объекта в единое целое, систему, В результате синтеза создаются решения, обладающие новым качеством относительно своих элементов.
Объем понятия синтез в технике очень велик [40,41,42,43]. Так, в качестве синтезируемых решений могут выступать: машины, приборы, алгоритмы, установки, технологические и вычислительные процессы, структуры технических систем, физические принципы действия, отдельные технические решения, алгоритмы, программы и т, д.
Существует множество классификаций задач синтеза. Так, в качестве классификационного признака могут быть выбраны уровни, стадии, этапы, аспекты процесса синтеза, виды синтезируемых решений, характеристики математических моделей, сложность и трудоемкость решения задачи синтеза, способы решения и многое другое. Современное состояние исследований в области автоматизированного синтеза не дает оснований для построения достаточно полной и непротиворечивой классификации задач синтеза. На рисунке 1.2 представлена современная классификация задач синтеза.
Для того чтобы синтезировать объект, необходимо определить его структуру, параметры элементов, а если объект представляет собой техническую систему, то и конструкцию. Эти три части задачи синтеза называются соответственно структурным, параметрическим синтезом и синтезом конструкции.
Понятие структуры нашло широкое применение в естественнонаучных и технических дисциплинах.
Классификация задач синтеза Например, можно говорить о структуре системы, процесса, машины пли прибора, алгоритма и программы, образа и ситуации. Развиваются и имеют плодотворные приложения структурные методы исследования в лингвистике, распознавании образов, теории автоматического управления, кибернетике.
Существует большое количество определений структуры. Например, структурой называют способ организации целого из частей или, даже, меру неоднородности окружающей среды [41,44]. Под структурой технической системы будем понимать совокупность составляющих ее элементов и связей между ними.
Сфера приложений понятий структура и структурный синтез в технике очень велика. Например, физический принцип действия устройства состоит из отдельных физических эффектов; любая техническая система состоит из подсистем и элементов; элементами технологического, вычислительного и других процессов являются операции; структуру алгоритма образуют блоки псевдокода; программа состоит из операторов и т. д.
В результате решения задачи струкгурного синтеза должно быть получено описание состава изделия и всех существенных связей между его элементами, В зависимости от вида решения таким описанием может быть простой перечень элементов и связей между ними, таблица соединений, матрица инцидентности, граф связей, структурная схема, блок-схема, эскиз, компоновка чертеж и пр.
Несмотря на существенные различия существующих технических систем и процессов для всех них можно предложить общую постановку задачи синтеза, А именно, задана функция (функциональное назначение, закон функционирования), требуется разработать описание объекта (технической системы, процесса), который реализует заданную функцию и удовлетворяет некоторой совокупности ограничений и особых условий.
Однако не существует общепринятого определения функции» функционального назначения. Под функцией технической системы будем понимать закон преобразования заданных входных величин в требуемые вьгхолные величины, т. е. зависимость выходов объекта от его входов.
Это определение пред пол агает, что синтезируемый объект представляется в виде «черного ящика». Его входами являются любые существенные воздействия среды (надсистемы) па синтезируемый объект, выходами — связи объекта со средой. Отношение вход-выход, развернутое во времени, представляет собой закон функционирования (функцию) синтезируемого объекта. Концепция «черного ящика» не накладывает никаких ограничений на природу и свойства входов, выходов и отношений между ними. Таковыми могут быть материальные, энергетические, информационные, детерминированные, стохастические, генетические и т. п, связи, В общем случае отношение между входами и выходами синтезируемого объекта можцо рассматривать как связь между возможными причинами и необходимыми следствиями.
Теоретико-множественная модель компонентов ' устройств цифровой обработки видеосигнала
Рассматривая данный способ представления УЦОВ, выражение (3.2) может быть одинаково применено для описания УЦОВ, компонента, а так же и для любой конечной системы компонентов, сформированной для выполнения частичной функции прсобразоваЕШЯ входных характеристик Хт на предыдущих этапах синтеза, т.е,: Л/к =(ЯК;С ; - ;ЛГ ;ЛЛ, (3.12) где М - модель компонента; Кк - множество компонентов, входящих в состав данного компонента; Ск - множество детерминированных связей, необходимых для образования Мк из Kk; FK - множество функций? определяющих допустимую комбинацию компонентов и детерминированных связей между ними; X — множество характеристик компонента; А — множество функций и методов обработки входных характеристик Х1лк компонента,
Различие между описанием системы компонентов и компонента будет в том, что в случае компонента множество методов обработки и преобразования А будет состоять из однот элемента, а множество функций FK и множество связей Ск будут пустыми. Также необходимо заметить, что в случае компонента множество Кк будет иметь только один элемент. Данный подход к описанию как компонентов, так и моделей УЦОВ, позволяет максимально унифицировать те ор етико-множественную модель, а с точки зрения синтеза сложных систем, позволяет раздробить УЦОВ на некоторые функционально законченные части и решать задачу синтеза для каждой части отдельно, а в дальнейшем при синтезе У ЇДО В в целом использовать уже готовые части.
Таким образом, явно видна уі і инореальность выражения (3.2) для описания как целых УЦОВ, так и любой функционально законченной части УЦОВ, а также и дли описания любого компонента УЦОВ. Выражение (3.2) далее будет являться универсальной теоретико-множественной моделью и записываться в следующем виде: r=(r;C";Pv; Х;Лп ), (ЗЛЗ) где К — множество компонентов, входящих п состав данной теоретике множественной модели; С — множество детерминированных связей, необходимых для образования Мум из Кум; F M - множество функций, определяющих допустимую комбинацию компонентов и детерминированных связей между ними; X - множество характеристик тсорет и ко-множественной модели; А — множество методов обработки и преобразования входных характеристик Хщ .
Исходя из этого, теоретико-множественная модель УЦОВ представляется в следующем виде: п Й, м"""={м Ь Р-Щ j-i где М1Л - теоретико-множественная модель функционально законченного компонента УЦОВ, п - общее количество компонентов УЦОВ,
Для любой конкретной УЦОВ на первом этапе синтеза всегда имеется описание в виде выражения (3.2), Однако на данном этапе множества К,у"ш, С,уцов и F 1 011 будут являться пустыми, где І -обозначение конкретной УЦОВ. Каждый компонент УЦОВ будет иметь следующее описание: М, = {к С? Л?1Х Ёш\л, (3.15) где К., — множество компонентов, входящих в состав данного» если он не является простим, в противном случае множество содержит один элемент; С, — множество детерминировал пых спязей, необходимых для образования данного компонента, если он по является простым, в противном случае множество пустое; 1:, — множество функций» определяющих допустимую комбинацию компонентов и детерминированных связей между ними, в случае если данный компонент является простым, множество пустое; X, - множество характеристик конечного компонента, вне зависимости от его внутренней структуры; Л,к - множество методов обработки и преобразования входных характеристик ХК, если он не является простым, в противном случае множество содержит один элемент, п — общее количество компонентов конкретной УЦОВ.
Приведенное выражение расширяет уже описанные в литературе [28] теорети ко -множественные модели типа «авезда входа» и «звезда выхода», объединяя их в теоретико-множественную модель, которую по аналогии можно назвать «звезда входа-выхода». Коренное отличие ог приведенных ранее описаний состоит в том, что в модели «звезда входа» функция преобразует множество входов в один выход, т.е.
Погрешности устройств цифровой обработки видеосигнала
Данная система позволяет полностью описать процесс подбора рационального компонента-претендента на каждой итерации в процессе синтеза УЦОВ. Необходимо добавить, что процесс синтеза УЦОВ выполняется по алгоритму «шаг с возвратом», т.е. если в процессе синтеза на очередной итерации Е е найден компопепт-прегендент, соответствую шзїіі всем вышеперечисленным условиям, то процесс возвращается на одну итерацию назад, отобранный на этом э-гапе компонент-претендент исключаегся и процесс подбора повторяется. Ь." Таким образом, процесс синтеза УЦОВ выполняется до того момента, когда множества входных X,Ln ц и выходных X юні характеристик УЦОВ полностью покрыты, множество дополнительных характеристик Х1ЩщУЦОН не противоречиво, и множество методов обработки и преобразования A[Vlloli входных характеристик также покрыто полностью; либо до того .момента, когда после исключения на обратных шагах всех возможных компонентов-претендентов не возможно на те кушей итерации подобрать компонент удовлетворяющий условиям, изложенным в (3.26)
По окончании процесса синтеза УЦОВ результатом будет либо УЦОВ, соответствующая всем характеристикам, либо промежуточный вариант, частично соответствующий заданным в начале процесса синтеза х ар а ісгери сти кам Выше приведен вывод критерия отбора рационального компонента-претендента из множества Ю компонентов-претенденте в. Однако данная система не описывает основное правило, по которому производится преобразование множества входных характеристик Х1ПУЦ )" УЦОВ во множество выходных характеристик ХшУу в УЦОВ.
Правило формулируется следующим образом: процесс синтеза УЦОВ заключается в преобразовании множества входных характеристик Хі,пУІЮВ во множество выходных характеристик Х]йи иоп таким образом, при котором все методы обработки и преобразования входных характеристик, заданные во множестве методов обработки и преобразования A,VIL0B, будут выполнены, причем именно на заданных этапах обработки, а также суммарные значения соответствующих элементов множеств дополнительных характеристик Х1Ш[,1 компонентов не будут противоречить значениям соответствующих элементов множества дополнительных характеристик X]!ld(iy,lm УЦОВ. Кроме того, необходимо формировать в течение процесса синтеза множество функций р!У10В, определяющих допустимую комбинацию компонентов К,мюв и детерминированных связей между ними С,У11 \
Таким образом, сущность процедуры структурного синтеза состоит в том, что процесс синтеза УЦОВ рассматривается, как процесс преобразования множества входных переменных X но во множество выходных переменных XmL1[Vuai1, Все компоненты, участвующие в процессе синтеза во множестве компонентов—претендентов К рассматриваются как «черные ящики», обладающие определенным набором входных ХІА выходных Хои(к и дополнительных Ха,мк характеристик и выполняющие определенную функцию по преобразованию множества входных характеристик во множество выходных характеристик. Задача процедуры заключается в правильном подборе множества компонентов-претендентов и задании им определенной последовательности для выполнения необходимой для данной конкретной УЦОВ функции преобразования.
Данное правило может быть применимо как для компонента, выполняющего одну простую функцию, так и для любой сколь угодно сложной функционально законченной част УЦОВ, или УЦОВ в целом.
Данное замечание лишний раз подтверждает универсальность предложенной теоретико-множественной модели для описания, как компонентов, так и УЦОВ.
