ЛИТЕРАТУРА
1. Mangeot C, Andersen B., Hilditch R. New actuators for aerospace // IMechE Piezoelectric. Actuation Workshop, London, 2009.
2. Dibbern U. Piezoelectric Actuators in Multilayer Technique // Proc. Actuator 94 Conf., Pub. Messe Bremen. — 1994. — Р. 114—118.
3. <http://www.elpapiezo.ru/mnogo_piezo.shtml>.
4. Niezrecki C, Brei D, Balakrishnan S., Moskalik A. Piezoelectric Actuation: State of the Art // The shock and vibration digest. — 2001. — Р. 269—280.
5. Janker P., Dr. F. Claeyssen, Dr. R. Le Letty, Barillot F., et al. Amplified Piezoelectric Actuators for Air and Space Applications // EADS Cedrat technologies, Actuator. — 2008.
6. Prechtl E. F., Hall S. R. Design of a high efficiency, large stroke, electromechanical actuator // Massachusetts Institute of Technology, in Smart Mater. Struct. 8. — 1999. — Р. 13—30.
7. Hall S. R, Tzianetopoulou T. Design and testing of a double X-frame piezoelectric actuator // Massachusetts Institute of
Technology, in Smart Structures and Materials 2000: Smart Structures and Integrated Systems. — Р. 26—37.
8. Petitniot J.-L. APA's and Derived Shaped Actuators Using Composite Shells and Offering Higher Performances for Aeronautical Purposes // ONERA, Actuator, 2008.
9. Janker P., Claeyssen F, Grohmann B, et al. New Actuators for Aircraft and Space Applications // Actuator 2008, 11th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany. — Р. 346—254.
10. Janker P., Hermle F, Friedl S., et al. Advanced piezoelectric servo flap system for rotor active control // 32nd European Rotorcraft Forum, Maastricht, the Netherlands, September 2006.
Роман Михайлович Образцов — канд. техн. наук, нач. отдела ОАО
"НИИ "Элпа".
® (499) 530-23-13
В (499) 530-13-02
E-mail: obraz_r_82@mail. ru □
УДК 621.3
ВИДЕОДАТЧИК С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКОЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Н. С. Иванов, В. П. Решетникова
Предложена структура видеодатчика с предварительной обработкой изображения, заключающейся в фильтрации изображения известными масочными фильтрами.
Ключевые слова: видеодатчик, КМОП приемник излучения, обработка изображений.
Особенностью оптико-электронных датчиков на базе КМОП приемников излучения (КМОП ПИ) является координатное считывание видеосигнала и высокая интеграция всех основных узлов на одном кристалле, что оказывает существенное влияние на габаритные размеры, массу, потребляемую мощность и стоимость. Разновидностью таких датчиков являются адаптивные оптико-электронные датчики, в которых каждый фото-преобразующий элемент матрицы совмещен с аналоговой и цифровой схемой обработки, реализованной на базе специализированного процессора. Подобная схема позволяет обрабатывать данные непосредственно внутри пикселя и локализовать области интереса на изображении.
Из обобщенной структуры видеодатчика можно увидеть такую последовательность структурной организации предварительной обработки: оптическое звено — аналоговая обработка пространственных сигналов; устройство фотоэлектрического преобразования — ана-лого-дискретная обработка в процессе преобразования оптических изображений в электрические сигналы изображений; канал связи — аналоговая и цифровая обработка в целях выделения достаточной для получателя информации и сжатия ее описания. Данное разде-
ление условно. В структуре видеодатчика блоки могут быть реализованы как в одном, так и в различных устройствах, однако, в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к объединению всех блоков на одном кристалле [1]. При разработке устройств обработки следует выделять блоки с точки зрения их функциональной значимости. При этом каждый из блоков также состоит из отдельных функционально законченных частей.
Разработана структурная схема видеодатчика на базе КМОП ПИ с предварительной фильтрацией изображения, обеспечивающая взаимодействие с ЭВМ (рис. 1).
Видеодатчик содержит: блок управления, включающий схемы обеспечения доступа к строкам матрицы ПИ, схемы формирования сигналов сброса и выбора строки, схему формирования сигналов считывания пикселя, схему формирования тактовых и управляющих сигналов; блок КМОП ПИ с цифровыми пикселями (ЦП) с буферной схемой и схемой фильтрации; контроллер для формирования команд и сигналов интерфейса с блоком обработки верхнего уровня, представляющего собой ЭВМ или специализированный процессор; блок вычислений, содержащий память для хранения изображения предыдущего кадра и отфильтрованного изображения
Входной тактовый сигнал
Блок управления
Выходы 8
счетчика
Управление
считыванием
Управление
буфером Частота
фильтрации
3 х 3 х 8 Коэффициенты фильтра
3 х 3 Коэффициенты
фильтра
Начать
считывание
КМОП ПИ с
цифровыми пикселями
Буфер
Схема фильтрации
Изображение/
10 /I
/
Контроллер для формирования команд и сигналов интерфейса
Выходной тактовый
3 х 3 х 8
л Я
Е§ Ч
/
/
й а
£
Выходной тактовый сигнал
видеодатчика Данные
12С
Память Память Блок вычислений
Рис. 1. Структурно-функциональная организация видеодатчика на базе КМОП приемника излучения с цифровыми пикселями с предварительной обработкой изображений
сигнал
8
х
текущего кадра, и предназначенный для выполнения операций фильтрации и расчета коэффициентов адаптивных фильтров.
Устройство работает следующим образом: КМОП ПИ получает цифровое изображение объектов рабочей сцены, которое считывается под управлением блока управления. Считывание осуществляется построчно путем задания блоком управления адреса строки КМОП ПИ. Адреса строк формируются блоком управления, начиная с нулевого. Значение адреса может быть получено и от устройства управления верхнего уровня через контроллер для формирования команд и сигналов интерфейса.
В процессе считывания выполняется фильтрация изображения пространственным фильтром с коэффициентами, задаваемыми контроллером для формирования команд и сигналов интерфейса. Затем байт изображения передается в память блока вычислений. После обработки в блоке вычислений кадр изображения поступает в контроллер формирования команд и сигналов интерфейса, откуда передается управляющей ЭВМ (выход датчика). Считывание изображения также возможно без использования схемы фильтрации. В таком случае изображение считывается блоками по 9 элементов.
Основными элементами блока вычислений являются: память, матричный сумматор, матричный вычита-тель, матричный умножитель, схема управления. При реализации данного блока как внешнего устройства он может быть выполнен на базе стандартных программных компонент (Бой-ядер) фирмы ХШпх.
Аналоговая обработка сигнала на чипе необходима для улучшения работы и функциональности КМОП-матрицы. Усилитель накопления зарядов используется для датчиков с пассивными ячейками и схем выборки-хранения, обычно применяемых для датчиков с активными ячейками.
Чтобы реализовать "систему на кристалле" с полным цифровым интерфейсом, требуется АЦП. Он должен поддерживать скорость видеоданных, которая составляет от 920 000 выборок в секунду для видеодатчиков размерностью 320x288, работающих с кадровой частотой 10 кадр/с для видеоконференций, до 55 300 000 выборок/с для датчиков размерностью 1280x720, работающих с кадровой частотой 60 кадр/с. Дополнительно на АЦП налагаются следующие ограничения: АЦП должен иметь менее 8 разрядов с низкой интегральной нелинейностью и дифференциальной нелинейностью, чтобы не ввести искажение или артефакты в изображение; может рассеивать только минимальную мощность (менее 100 мВт), чтобы исключить появление горячих точек из-за генерирования дополнительного темнового тока; АЦП не может занимать слишком много места на чипе; АЦП не должен вносить шум в аналоговый сигнал изображения через емкости подложки или другие механизмы перекрестных связей, которые ухудшили бы качество изображения [22].
АЦП может быть реализован в виде одного последовательного АЦП (или нескольких АЦП, например, по одному на каждый цвет), которые работают с видеочастотой (10 000 000 выборок/с). АЦП может быть встроен в пиксель и работать с кадровой частотой (например 30 выборок/с).
КМОП ПИ получает изображение объектов рабочей сцены, которое считывается в буфер управлением контроллера. Приемник излучения формирует сигнал, пропорциональный уровню своей освещенности. Считывание сигнала с ПИ происходит под управлением линий "Сброс", "Чтение", "ДКВ" (двойная коррелированная выборка). Каждый раз в цикле считывания запускается 8-разрядный счетчик, рост значений которого соотнесен с ростом пилообразного напряжения,
58
вепвогв & Эувгетв • № 4.2012
подаваемого на второй вход компаратора. При равенстве напряжений на входах компаратора, на его выходе формируется сигнал, разрешающий запись значения счетчика в ячейку запоминающего элемента (ЗЭ). Таким образом, в ЗЭ записывается цифровое значение яркости пикселя.
Запись значений из ЗЭ в выходной буфер происходит по сигналу "Выборка строк". Запись строк выполняется последовательно в буферную схему. Непосредственно в буфере хранятся четыре строки изображения. На схему фильтрации поступают 9 байт изображения из трех последних строк, соответствующие окну 3x3. Эти же 9 байт передаются на выход схемы для сохранения текущего кадра изображения.
Коэффициенты фильтрации задаются также блоком управления. В процессе фильтрации строки изображения в буфер записывается новая строка, и таким образом обеспечивается конвейерно-параллельная обработка пикселей изображения. Группа сигналов "Управление фильтрацией" включает в себя сигналы выборки столбца, выбора строки буфера, разрешение записи, разрешение выдачи информации. Фильтрация выполняется с частотой, задаваемой блоком управления. Алгоритм фильтрации строки изображения окном 3x3 реализован на логических элементах.
Процесс двухмерной свертки изображения с маской 3x3 можно свести к вычислению трех одномерных сверток, что в конечном итоге позволяет выполнять полиномиальную фильтрацию изображений путем параллельного вычисления обычных одномерных сверток. Каждую из этих сверток можно выполнить на одномерном систолическом массиве из девяти ячеек [2]. Для проверки работы предлагаемой структуры фильтрации было проведен
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.