ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 43-50
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 53.087.35
СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ МНОГОРАКУРСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ КОМПЛЕКСЕ
С УДАЛЕННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ © 2015 г. П. В. Аракчеев, Е. В. Бурый, Д. А. Семеренко
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Россия, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5, стр. 1 E-mail: buryi@bmstu.ru WEB: www.llis.bmstu.ru Поступила в редакцию 21.02.2014 г.
Реализуя режим удаленного управления исследовательским комплексом (через сеть Интернет, например), важно обеспечить полноценную визуализацию как объекта исследования, так и элементов оборудования комплекса, состояние которых в процессе выполнения экспериментов может изменяться. Показано, что эта задача эффективно решается путем интегрирования системы регистрации многоракурсных изображений в исследовательский комплекс, в котором команды управления передаются по шине CAN. Основу системы регистрации составляют малогабаритные модули регистрации изображений, в которых применены телевизионные камеры семейства CameraCube с вмонтированной короткофокусной оптической системой. Введение в состав системы телевизионной камеры с выходным композитным телевизионным сигналом позволяет не только получать изображения объекта исследования высокого качества, но и синхронизировать моменты времени начала регистрации изображений с событиями управления оборудованием исследовательского комплекса, причем величина интервала времени неопределенности между ними не превышает 0.3 мкс.
DOI: 10.7868/S0032816214060019
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время при проведении экспериментальных исследований в различных областях знаний и организации лабораторных практикумов для студентов все более широко применяются исследовательские комплексы с удаленным управлением, которое осуществляется через локальную вычислительную сеть или сеть Интернет. Использование таких комплексов особенно актуально при выполнении экспериментов, которые требуют высокой чистоты атмосферы в зоне размещения оборудования, например, при исследовании жидкокристаллических структур, нанома-териалов, объектов микро- и квантовой электроники.
Как правило, исследователю предоставляются структурная схема и фотографии комплекса, позволяющие понять взаимодействие его элементов и представить их пространственное положение. Поскольку практически все современные измерительные приборы снабжены развитыми интерфейсами обработки и передачи данных, исследователь может в полном объеме получить информацию о результатах измерений. Вместе с тем, накопленный опыт использования комплексов научно-учебного оборудования с удаленным управлением (в частности, представленного в [1])
показывает, что для полноценного анализа результатов эксперимента одних только данных измерений зачастую недостаточно — для оценки состояния объекта исследования и элементов оборудования требуется их визуализация. Использовать для решения этой задачи систему пространственного позиционирования регистрирующей телевизионной камеры (т.в.к.), как правило, не удается — обычно невелики размеры области пространства, в пределах которой можно разместить такую систему. Поэтому требуется регистрация изображений различных ракурсов элементов комплекса несколькими т.в.к. и последующее воспроизведение полученных изображений на компьютере исследователя для их оперативного анализа.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМЕ РЕГИСТРАЦИИ МНОГОРАКУРСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Система регистрации многоракурсных изображений должна не только обеспечить их удовлетворительное качество при приемлемом объеме передаваемых видеоданных, но и сохранять работоспособность при различных воздействиях — механических, электромагнитных и др., возникаю-
щих в ходе проведения экспериментов. Кроме того, выполнение целого ряда экспериментальных исследований требует синхронизации момента времени регистрации, по крайней мере, одного изображения и событий, активируемых системой управления оборудованием комплекса. Для выполнения указанных требований целесообразно команды управления оборудованием передавать по каналу связи с высокой помехоустойчивостью (построенному, например, на основе шины RS-485 или шины CAN), а видеоданные — по шине с высокой пропускной способностью.
Среди требований, предъявляемых к системе регистрации многоракурсных изображений, к функционально важным можно отнести следующие:
— поля зрения оптических систем т.в.к. должны быть согласованы с размерами поля зрения глаза человека-исследователя, что обеспечивает наилучшее восприятие регистрируемых обзорных изображений элементов комплекса;
— размеры каждого регистрируемого изображения должны быть не меньше, чем 300 х 200 пикселей, поскольку изображения меньшего размера малоинформативны [2] и не позволяют оценить состояние объекта наблюдения;
— система должна регистрировать такое число изображений различных ракурсов элементов комплекса, которое обеспечит полноценное восприятие исследователем их значимых изменений (в зависимости от свойств объекта исследования и сложности комплекса обычно требуется регистрировать изображения до десятка различных ракурсов);
— регистрирующие т.в.к. с оптическими системами должны иметь малые габаритные размеры для обеспечения регистрации изображений компактно размещенных элементов комплекса.
В случае, если необходимо проводить детальный анализ регистрируемого изображения (проводить фотометрические измерения, оценивать размеры отдельных элементов изображения и т.п.), предпочтительно использовать т.в.к. с большим размером диагонали фоточувствительной матрицы: 1/4", 1/3" и даже 1/2", обеспечивающую высокое пространственное разрешение. При этом, однако, габариты объектива, формирующего поле зрения необходимого размера, также оказываются большими — в среднем габариты 1/3" т.в.к. с объективом составляют 40 х 40 х 80 мм. Как правило, момент времени регистрации изображения именно этой т.в.к. должен быть синхронизирован с моментом времени активации событий в комплексе, причем максимально допустимая величина неопределенности A T интервала времени между этими моментами времени может составлять единицы и даже доли микросекунд.
Хорошо зарекомендовало себя следующее техническое решение: т.в.к. с выходным композитным телевизионным сигналом является источником синхросигналов, которые инициируют формирование команд управления, передаваемых в модули оборудования исследовательского комплекса по шине CAN [3]. Целесообразность применения этой шины обусловлена реализованными в ней автоматическим разрешением коллизий и возможностью передачи сообщений в широковещательном режиме.
Функциональная схема модуля синхронизации событий, обеспечивающего указанный режим работы модулей исследовательского комплекса, представлена на рис. 1. Композитный телевизионный сигнал т.в.к. поступает на вход видеодекодера, который выделяет импульсы кадровой и строчной синхронизации, а также осуществляет аналого-цифровое преобразование видеосигнала. Импульсы синхронизации и поток видеоданных поступают в программируемую логическую интегральную схему (п.л.и.с.), в которой реализованы узел синхронизации, контроллер шины CAN и контроллер оперативного запоминающего устройства (о.з.у.).
Через интервал времени Td после момента времени регистрации фронта импульса кадровой синхронизации узел синхронизации п.л.и.с. формирует сигналы, инициирующие передачу управляющего сообщения в сеть CAN (рис. 2) и последующую запись видеоданных кадра изображения в о.з.у. Эти видеоданные после окончания цикла записи могут быть переданы по шине USB-2.0 потребителю информации.
Величина Td устанавливается такой, чтобы регистрируемый кадр изображения содержал информацию о результатах события, инициированного сообщением, переданным по шине CAN модулем синхронизации событий. Такой модуль, построенный на основе микросхем SAA7113 (видеодекодер), XC3S500E (п.л.и.с. семейства SPARTAN), CY7C1382D (о.з.у.) и FT232H (контроллер USB-2.0), обеспечивает регистрацию изображений при A T < 0.3 мкс (рис. 3).
Разделение потоков управляющих команд, передаваемых по шине CAN, и потока видеоданных, передаваемых по шине USB-2.0, позволило достичь минимальной величины периода цикла регистрации изображений, составляющей 0.05 с. Видеоданные, передаваемые по шине USB-2.0, могут использоваться как подключаемой к модулю синхронизации системой обработки результатов измерений [4], так и системой регистрации многоракурсных изображений.
Использование в составе этой системы широко распространенных веб-камер и IP-т.в.к. имеет ряд ограничений, обусловленных, прежде всего,
СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ МНОГОРАКУРСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
45
Кадровые синхроимпульсы
Строчные синхроимпульсы
Видеодекодер .
Композитный видеосигнал т.в.к.
I Синхро- I I Контроллер | низатор |-шины CAN
Э I I
L___ J L___J
■
Контроллер I I о.з.у. |-
Î>
г-^-п I О.з.у. I
ft
L J П.Л.и.С.
CAN.
Контроллер шины USB
USB
L___ J
Рис. 1. Функциональная схема модуля синхронизации событий.
Рис. 2. Фронт кадрового синхроимпульса, выделенного видеодекодером модуля синхронизации событий (канал 1); импульс управления в одном из модулей оборудования (канал 2), инициированный командой управления, переданной по шине CAN (канал 3). Масштаб развертки осциллографа — 200 мкс/деление.
сложностью решения задачи синхронизации жения, что приводит к необходимости создания
инициируемых и регистрируемых в исследова- специальных условий освещения объектов на-
тельском комплексе событий. Кроме того, мно- блюдения.
гие веб-камеры не имеют доступных средств Альтернативным решением является исполь-
управления параметрами формирования изобра- зование малогабаритных т.в.к. со встроенным ко-
Рис. 3. Осциллограммы 24 реализаций импульсов управления, сформированных после получения по шине CAN управляющей команды двумя модулями управления оборудованием: в первом модуле (канал 1, источник синхронизации развертки осциллографа), во втором модуле (канал 2). Масштаб развертки — 200 нс/деление.
роткофокусным объективом в качестве регистрирующих. Такие камеры семейства СашегаСиЪе с га
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.