ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО

Область техники
Данное техническое решение относится к области вычислительной техники, а именно, к устройствам для получения изображений, специально предназначенных для фотограмметрии.
Уровень техники
Аналогом данного технического решения является известное устройство - Вычислительный комплекс «Аналит» РДПИ 320.308 с соответствующим программным обеспечением.
Недостатком известного аналога является отсутствие возможности визуализации графики и, соответственно, точного контроля и исправления цифровой модели рельефа (ЦМР).
Другим аналогом заявляемого технического решения является фотограмметрический прибор - Inter Map 6487 Image Station (INTERGRAPH. USA) (см. рекламные материалы INTERGRAPH Solutions for the Technical Desktop), содержащий цифровой стереоплоттер, стереообзорную систему, процессор для компрессии/декомпрессии данных для минимизации файловой памяти образа, эргономически сконструированный стол.
Недостатки этого аналога:
- не обеспечивается наведение на точку изображения с точностью до ¼ пикселя;
- не обеспечивается возможность плавного перемещения графики по изображению для контроля и последующего исправления продукции оператором;
- дороговизна аппаратуры.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО (патент на изобретение RU 2225593 С2, заявка №2002109417 от 10.0.2002 г., опубликовано 10.03.2004 г., бюл. №7/2004 г.), содержащее персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) в базовой конфигурации, состоящую из системного блока с подключенными к нему монитором, клавиатурой, манипулятором графической информации типа «мышь» и принтером, стереоскопическое видеоконтрольное устройство (СВКУ), состоящее из цветного монитора, приэкранного поляризационного фильтра (ППФ), джойстика координат (ДЖК) и джойстика параллаксов (ДЖП) и пульта оператора, а также контроллер стереоскопического видеоконтрольного устройства.
Недостатками прототипа являются исполнение контроллера СВКУ на микросхемах малой степени интеграции и, как следствие, большие размеры и малая надежность.
Сущность технического решения
Известное фотограмметрическое рабочее место содержит персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) в базовой конфигурации, состоящую из системного блока с подключенными нему монитором, клавиатурой, манипулятором графической информации типа «мышь» и принтером, стереоскопическое видеоконтрольное устройство (СВКУ), состоящее из цветного монитора, джойстика координат (ДЖК), джойстика параллаксов (ДЖП) и светоклапанных очков (СО).
Целью данного технического решения является создание фотограмметрического рабочего места для обработки космических и
аэрофотоснимков для получения цифровых моделей рельефа и кадастровых планов с более широкими функциональными возможностями с более простой структурой за счет использования БИС и ПЛИС и меньшими стоимостными характеристиками.
Для достижения этой цели фотограмметрическое рабочее место дополнительно содержит адаптер монитора СВКУ, первые входы-выходы которого соединены с системным блоком ПЭВМ, первый выход с входом цветного монитора СВКУ, а второй выход с входом светоклапанных очков.
Адаптер монитора СВКУ содержит оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) левого кадра (ОЗУ ЛКП) и ОЗУ правого кадра (ОЗУ ПКП) для фиксации плотности изображений левого и правого кадра, ОЗУ левого кадра (ОЗУ ЛКГ) и ОЗУ правого кадра (ОЗУ ПКГ) для фиксации графики, устройство управления ОЗУ - управление SDRAM, устройство управления адаптера (УУ), соединенное с устройством управления SDRAM по шинам управления, адреса и данных и первым выходом с шиной расширения ПЭВМ, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), вход которого соединен со вторым выходом устройства управления (УУ), операционные усилители, входы которых соединены с выходами цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), а выходы с входами R, G, В монитора цветного СВКУ, драйвер светоклапанных очков, вход которого соединен с третьим выходом устройства управления (УУ), а выход с входом светоклапанных очков.
Джойстик содержит неременные резисторы Rx и Ry, ручку управления, механически связанную с осями переменных резисторов Rx и Ry, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), два входа которого электрически соединены с выходами переменных резисторов Rx и Ry, а два других с выходами переменных резисторов другого джойстика, блок формирования VVC, выход которого соединен с третьим входом аналого-цифрового преобразователя, а два входа с выходами RTS и DTR разъема связи с последовательным портом (СОМ) ПЭВМ, блок связи с последовательным портом (СОМ) ПЭВМ, два входа которого Х и Y соединены с выходами
аналого-цифрового преобразователя (АЦП), третий RxD и четвертый TxD входы и выход:±X, Y соответственно с выходами RxD и TxD и входом ±X, Y разъема связи с последовательным портом (СОМ) ПЭВМ.
Перечень чертежей
На фиг.1 приведена структурная схема фотограмметрического рабочего места.
На фиг.2 приведена структурная схема адаптера монитора стереоскопического видеоконтрольного устройства.
На фиг.3 приведена структурная схема джойстика.
Пример варианта выполнения устройства
Вариант принципа стереоскопического измерения, реализованный в устройстве - неподвижная марка, подвижная модель. Перемещение левого изображения модели относительно правого приводит к видимому перемещению модели вдоль луча зрения (на оператора или от него). Левое и правое изображения марки неподвижны и совмещены. Параллакс марки (Рмк) равен нулю. Марка постоянно лежит в плоскости экрана. Оператор, изменяя параллакс модели (Рмд), перемещает ее и совмещает изображение некоторой точки поверхности модели с изображением неподвижной марки. При этом параллакс точки модели, совмещенной с маркой, равен Рмд - Рмк. Точность отсчета составляет 1 пиксель - минимальная величина, на которую могут быть раздвинуты (сдвинуты) левое и правое изображения модели.
Особенностью, реализованной в образце, является возможность отображения левого и правого изображений марки не только в одной точке, но и на расстояниях 1/4, 2/4 и 3/4 пикселя между ними. Это изменение параллакса марки перемещает ее вдоль оси зрения и обеспечивает возможность измерения параллакса точек модели относительно марки с точностью 1/4 пикселя. При этом, как обычно, модель может перемещаться через 1 пиксель. Монотонное перемещение модели относительно марки
выглядит следующим образом (начальный параллакс модели относительно марки Р, см. таблицу):
Таблица
Параллакс модели
Параллакс марки
Параллакс модели относительно марки
Р
0
Р+0
Р
-<sup>1</sup>/<sub>4</sub>
Р+<sup>1</sup>/<sub>4</sub>
Р
-<sup>2</sup>/<sub>4</sub>
P+<sup>2</sup>/<sub>4</sub>
Р
-<sup>3</sup>/<sub>4</sub>
P+<sup>3</sup>/<sub>4</sub>
Р+1
0
Р+1
Р+1
-<sup>1</sup>/<sub>4</sub>
Р+1<sup>1</sup>/<sub>4</sub>
Р+1
-<sup>1</sup>/<sub>4</sub>
P+1<sup>2</sup>/<sub>4</sub>
Р+1
-<sup>1</sup>/<sub>4</sub>
P+1<sup>3</sup>/<sub>4</sub>
Р+2
0
Р+2
Р+2
-<sup>1</sup>/<sub>4</sub>
Р+2<sup>1</sup>/<sub>4</sub>
Параллакс модели меняется через пиксель, параллакс марки - через 1/4 пикселя. Измеряемый параллакс, равный разности параллакса модели и марки, изменяется через 1/4 пикселя.
Принципиально для отображения графики достаточно одного бита на пиксель. Ноль - графики нет. Единица - пиксель заполнен цветом графики. Однако, в этом случае дискретность отображения стереоскопической графики по параллаксу (высоте) будет соответствовать одному пикселю. Операторы утверждают, что отображенный профиль они видят ступенчатым, в то время как рельеф выглядит гладким. Шаг по параллаксу, равный пикселю - велик.
Особенностью устройства является выделение байта памяти на каждый пиксель растра графики. Байты, соответствующие пустым пикселям (без графики), пусты. В байтах, соответствующим пикселям, содержащим точки графики, записываются: в двух разрядах - смещение точки графики относительно номинального положения, выраженное в четвертях пикселя, в остальных разрядах - номер траекторий (графического образа - профиля, горизонтали и т.п.). Такая структура позволяет держать в памяти графики не один объект отображения, а несколько (до 64). Это позволяет в каждый момент времени высвечивать только те графические объекты, номера которых заданы (до трех). Кроме того, без всякой подготовки можно показывать некоторую последовательность образов (мультипликация), перебирая их номера. Так возможен показ профиля рельефа, плавно скользящего по нему, или горизонталей, плавно перемещающихся по высоте. Эти эффекты существенно ускоряют контроль вычисленного рельефа при одновременном повышении качества контроля.
Наличие записи смещения позволяет реализовать его путем задержки отображаемой точки во времени на записанную величину, что поднимает качество отображения графики. Для оператора это практически устраняет ступенчатость отображаемого профиля.
Фотограмметрическое рабочее место (ФРМ) (фиг.1) содержит персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) 1, состоящую из системного блока 2, монитора 3, клавиатуры 4, манипулятора графической информации типа «мышь» 5, принтер б и стереоскопическое видеоконтрольное устройство (СВКУ) 7, состоящее из монитора цветного СВКУ 8, адаптера монитора 9, джойстика координат (ДЖК) 10, джойстика параллаксов (ДЖП) 11 и светоклапанных очков (СО) 12.
Адаптер монитора СВКУ (фиг.2) содержит оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) левого кадра 13 (ОЗУ ЛКП), ОЗУ правого кадра 14 (ОЗУ ПКП) с минимальной необходимой емкостью 16 МБ для фиксации изображений левого и правого кадров, ОЗУ левого кадра 15 (ОЗУ ЛКГ), ОЗУ правого кадра 16 (ОЗУ ПКГ) с минимальной необходимой емкостью 16 МБ для фиксации графики с устройством управления SDRAM 17, которое управляет записью-чтением ОЗУ из(в) ПЭВМ через устройство управления (УУ) 18, которое соединяется с ПЭВМ через системную шину 22.
Цифро-аналоговый преобразователь 20, который преобразует цифровую информацию из ОЗУ, формирует и передает в монитор 8 через операционные усилители 19 в аналоговом виде и цвете марку, графику и изображение, а также сигналы управления, в то же время в процессе развертки левого кадра драйвер (схема управления) светоклапанных очков 21 открывает оператору левое очко, а при развертке правого - правое очко. Для управления перемещением изображения по экрану монитора в плане и по высоте в СВКУ имеются джойстик координат 10 и джойстик параллаксов 11, которые подключаются к последовательному порту ПЭВМ через разъем 28.
Схема джойстика (фиг, 3) состоит из переменных резисторов 23 и 24, отклонением ручки 29 которых оператор управляет перемещением по изображению: угол отклонения указывает направление и скорость перемещения по координате (координатам). Аналоговые сигналы с резисторов Rx 23 и Ry 24 поступают на аналого-цифровой преобразователь 26, который выдает цифровые сигналы в блок связи с последовательным портом ПЭВМ, который, в свою очередь, управляет приемом информации через сигналы RxD и TxD. Поскольку в СОМ-порту нет выхода питания, то оно формируется в схеме джойстика из логических уровневых сигналов RTS и DTR, поступающих на вход блока формирования VCC 25, где и формируется стабилизированное напряжение 5 В, поступающее на все элементы джойстика. Блоки 26 и 27 физически объединены в одной микросхеме - микроконтроллере ATMEGA8-16PI.
Назначение
Стереоскопическое видеоконтрольное устройство (СВКУ) предназначено для визуализации стереомодели на экране монитора и выполнения измерений ее параметров в интерактивном режиме.
СВКУ используется в составе фотограмметрического рабочего места при получении информации о рельефе местности в виде цифровой матрицы рельефа для ее дальнейшего использования в техпроцессе цифровой картографии.
Технические характеристики
СВКУ имеет следующие основные технические характеристики:
объем ОЗУ изображения, Мбайт, не менее
- 32
объем ОЗУ графики, Мбайт, не менее
- 32
формат кадра ОЗУ, пикселей
- 1024×1024
разрядность пикселя, бит
- 8
способ связи оператора с изображением
- два джойстика
способ коммутации стереоизображения
- через светоклапанные очки
тип монитора
- цветной, 19",0,25LR
формат кадра в мониторе, точек
- 800×600
частота кадров, Гц, не менее
- 120
тип системной шины ПЭВМ для установки адаптера
- ISA
наработка на отказ, ч, не менее
- 5000
питание от сети переменного тока напряжением от 187 В до 242 В при частоте (50±1) Гц
Состав СВКУ В СВКУ входят следующие изделия:
- джойстики (2 шт.);
- адаптер монитора (устанавливается в системный блок ПЭВМ);
- монитор цветной, 19"; 120 Гц;
- очки светоклапанные.
Устройство и работа СВКУ
Структурная схема СВКУ
Ее основу составляет оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), форматом 1024×1024×8 бит (один кадр). Имеется два типа ОЗУ: ОЗУ для фиксации изображения и ОЗУ для фиксации различного рода графических линий, накладываемых на изображение. Каждое ОЗУ, в свою очередь, состоит из двух частей - ОЗУ левого кадра для фиксации плотности изображения и графики (ОЗУ ЛКП, ОЗУ ЛКГ) и ОЗУ правого кадра фиксации плотности изображения и графики (ОЗУ ПКП и ОЗУ ПКГ). Полная емкость ОЗУ составляет 64 Мбайта (8 кадров). ОЗУ реализовано на стандартном модуле ОЗУ ПЭВМ.
ОЗУ через устройство управления (УУ) связано с цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), формирователем точек графики(ФТГ) и формирователем точек марки (ФТМ). Сигналы с выходов этих узлов через аналоговые усилители поступают на вход монитора.
Одновременно с выдачей сигналов в монитор из УУ через драйвер свето клапанных очков (ДрСО) выдаются сигналы управления очками:
синхронно с выводом левого кадра разрешается наблюдение левым глазом, а правый кадр наблюдается правым глазом. Кадры выводятся на экран с высокой частотой, при этом оператор видит на экране монитора одно рельефное изображение.
Принцип работы адаптера монитора
На экране монитора изображение формируется из трех слоев. Нижний слой - рельеф поверхности. Данные для этого слоя получаются в процессе измерения оптической плотности фотоснимка. Каждая точка изображения описывается одним байтом и кодируется числом в пределах от 255 до 0. Яркость точек изображения соответствует оптической плотности фотоснимка, цвет изображения - коричневый. Средний слой - графика. Байт данных, описывающий точки графики, содержит два атрибута - условный номер и сдвиг. Точка графики выводится на экран по запросу. Одновременно могут быть выведены точки с тремя условными номерами. В режиме анимации графики на экран последовательно выводятся точки с номерами, соответствующими значению счетчика анимации. Счетчик анимации управляется тактовым сигналом, получаемым от синтезатора частоты. Скорость анимации зависит от значения частоты тактового сигнала и задается оператором. Код сдвига управляет положением точки графики относительно соответствующей точки изображения.
Точки графики могут выводиться со сдвигом 0, 0.25, 0.5, или 0.75 пикселя относительно соответствующих точек изображения. Графика выводится точками зеленого или красного цвета размером 0.5 пикселя.
Верхний слой - визир и марка. Данные для этого слоя хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), встроенном в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) устройства управления. Этот слой имеет синий цвет, размер марки и форма визира выбираются оператором. Визир предназначен для облегчения поиска марки. Марка может иметь размер 0.5, 1.2 или 3 пикселя.
Предусмотрены два режима вывода марки - постоянное свечение и мерцание. Частота мерцания марки выбирается оператором. При наложении слоев смешивания цветов не происходит, верхний слой всегда закрывает нижний. Марка может сдвигаться относительно изображения с шагом 0.25 пикселя.
Джойстики
Перемещением изображения по экрану оператор управляет через два джойстика, сигналы отклонения ручек которых поступают в порт СОМ1 ПЭВМ по интерфейсу RS-232. Джойстик координат (ДЖК) подключается к порту СОМ1, а джойстик параллаксов (ДЖП) тоже к порту СОМ1, но через второй вход АЦП в ДЖК (возможно и обратное включение). Отклонение ручки указывает направление перемещения, а угол отклонения определяет скорость перемещения. В некоторых технологических процессах для перемещения изображения используются функциональные клавиши клавиатуры ПЭВМ.
Монитор
В СВКУ используется серийный цветной монитор 19".
Промышленная применимость
Фотограмметрическое рабочее место промышленно реализуемо, обладает более широкими функциональными возможностями, более простой конфигурацией и лучшими стоимостными характеристиками.