ВИДЕОПРОЦЕССОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВИДЕОСИГНАЛА В ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
VIDEO PROCESSOR FOR PROCESSING OF VIDEO SIGNAL IN VIDEO MEASUREMENT SYSTEMS

Изобретение относится к области инженерной геодезии и связано с созданием видеоизмерительных систем, предназначенных для решения широкого круга задач, в частности:
- определения взаимных высотных положений контролируемых объектов путем измерения уровня жидкости в сосудах гидростатического нивелира [1-3];
- определения смещений контролируемых объектов от заданного створа [4];
- передачи заданного направления с одного горизонта на другой [5-9];
- определения плановых координат объектов [10];
- контроля наклонов оснований сооружений [11];
- определения углового положения объекта относительно заданного направления [12];
- определения смещений почвы от струны обратного отвеса [13];
- автоматизированного инструментального геотехнического мониторинга зданий и сооружений [14];
- автоматизации геодезических наблюдений за деформациями строительных конструкций [15];
- автоматизированного контроля деформаций высотных зданий [16].
Работа видеоизмерительных систем основана на компьютерной обработке телевизионного изображения контролируемого объекта, содержащегося в выходном видеосигнале видеодатчика.
Для ввода видеосигнала в компьютер необходимо его преобразование из аналоговой формы в цифровую, выполняемое с помощью специальных устройств - видеобластеров и фреймграбберов [17, 18], содержащих ряд узлов, включая узел выделения строчного и кадрового синхроимпульсов, узел определения координат и яркости точек видеокадра, содержащий быстрый амплитудно-цифровой преобразователь, и узел памяти и передачи цифровых данных в компьютер. Эти устройства обладают рядом недостатков:
- они устанавливаются на материнской плате компьютера, которая должна содержать соответствующий свободный разъем расширения (ISA или PCI);
- для их установки на материнской плате компьютера необходимо вскрывать системный блок компьютера;
- указанного разъема расширения нет в портативных компьютерах типа Notebook, что исключает возможность их применения в видеоизмерительных системах;
- с точки зрения их использования в видеоизмерительных системах они характеризуются значительной функциональной и структурной избыточностью, связанной с наличием упомянутого быстрого амплитудно-цифрового преобразователя, значительного объема собственной памяти, скоростного канала прямого доступа к памяти компьютера, в совокупности в значительной мере приводящих к усложнению их схем.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков (прототипом) является фреймграббер VS2001/TV НПК «Видеоскан» [19], который также содержит перечисленные узлы, включая 10-разрядный быстрый АЦП, собственную память более 2 мегабит и канал прямого доступа к памяти компьютера. Ему также присущи перечисленные недостатки и он устанавливается в разъем расширения PCI на материнской плате компьютера. При формате преобразования видеокадра 768×576=442368 точек общий объем цифровых данных, записываемых в собственную память и передаваемых по каналу прямого доступа в компьютер, составляет 442368×6=2654208 байт информации (по 2 байта для передачи координат X и Y и 2 байта для передачи яркости точек видеокадра).
Если же в видеокадре определять координаты не всех, а только контурных точек изображения контролируемого объекта, что достаточно для определения его пространственных координат, то тем самым можно резко сократить объем цифровых данных, накапливаемых в собственной памяти и передаваемых в компьютер. Кроме того, ввиду резкого сокращения объема передаваемых цифровых данных, можно их передавать не по каналу прямого доступа к памяти компьютера, а через стандартный компьютерный порт (например, USB). В свою очередь, это позволит устанавливать устройство не на материнской плате, а вне компьютера и тем самым использовать в видеоизмерительных системах любые компьютеры, включая карманные.
Например, при выделении координат контурных точек круглого изображения диаметром 25 телевизионных строк (что характерно для автоколлимационных измерений) достаточен объем памяти порядка 25×2×4=200 байтов (на каждой телевизионной строке, как правило, выделяются 2 контурные точки, записываемые 4 байтами). При этом объем собственной памяти в сравнении с собственной памятью прототипа сокращается более чем в 10000 раз. Соответственно и сокращается требуемое время передачи данных в компьютер.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в существенном уменьшении аппаратурных и временных затрат, присущих прототипу, для чего в предлагаемом видеопроцессоре для обработки видеосигнала в видеоизмерительных системах, содержащем узел выделения строчного и кадрового синхроимпульсов, узел выделения координат точек видеокадра с кварцевым генератором и узел памяти и передачи координат в порт компьютера, в отличие от прототипа и в соответствии с изобретением снабжен источником порогового напряжения, амплитудным компаратором и узлом синхронизации записи в память, при этом один вход амплитудного компаратора соединен с видеосигналом, другой - с источником порогового напряжения, выход компаратора соединен с одним входом узла синхронизации записи в память, другой вход которого соединен с кварцевым генератором, а выход узла синхронизации записи в память - с входом узла памяти и передачи координат в порт компьютера.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображены узел выделения строчного и кадрового синхроимпульсов 1, узел определения координат точек видеокадра, содержащий кварцевый генератор 2 и счетчики 3 и 4, узел памяти и передачи координат в порт компьютера, выполненный на микроконтроллере 5, узел выделения пороговой яркости точек видеокадра, выполненный на амплитудном компараторе 6, один вход которого соединен с видеосигналом BC, а другой - с источником порогового напряжения 7, и узел синхронизации записи координат 8, один вход которого соединен с выходом амплитудного компаратора 6, другой - с кварцевым генератором 2, а выход - с входом микроконтроллера 5.
Работа видеопроцессора состоит в следующем.
Узлом 1 из видеосигнала BC выделяются строчный СИ и кадровый КИ импульсы. С каждым кадровым импульсом КИ сбрасывается в «0» счетчик 4, после чего в нем ведется счет строчных импульсов СИ - координат Y точек видеокадра. С каждым строчным импульсом СИ сбрасывается в «0» счетчик 3, после чего в нем ведется счет импульсов кварцевого генератора 2 - координат X точек видеокадра.
При сканировании видеокадра телевизионными строками амплитуда видеосигнала в каждой точке видеокадра пропорциональна ее яркости. Если яркость точек изображения контролируемого объекта установить выше яркости прочих точек видеокадра, что всегда реализуемо, и на соответствующем входе амплитудного компаратора 6 установить достаточно высокое пороговое напряжение, то тем самым можно выделять точки контролируемого изображения от прочих точек видеокадра. При этом в момент начала сканирования контролируемого изображения уровень выходного сигнала амплитудного компаратора 6 скачком меняется (увеличится), а в счетчике 3 в этот момент фиксируется число импульсов кварцевого генератора 2, равное координате X1 - координате первой по ходу телевизионной строки контурной точки изображения. В процессе сканирования изображения уровень выходного сигнала амплитудного компаратора 6 остается неизменным, а в момент завершения сканирования он вновь скачком меняется и приводится к исходному значению. В этот момент в счетчике 3 фиксируется число импульсов кварцевого генератора 2, равное координате Х2 - координате второй по ходу телевизионной строки контурной точки контролируемого изображения. При этом в счетчике 4 фиксируется число телевизионных строк, равное координате Y этих точек.
При скачкообразных изменениях выходного сигнала амплитудного компаратора 6 от ближайшей по времени положительной фазы выходного сигнала кварцевого генератора 2 на выходе узла 8 формируются короткие импульсы, с помощью которых осуществляется запись указанных координат в узел 5. Это необходимо потому, что при отрицательной фазе выходного сигнала кварцевого генератора 2 в счетчике 3 ведется счет импульсов (протекают переходные процессы) и запись в память будет ненадежной.
При поступлении кадровых импульсов КИ на вход узла 5 полученные координаты контурных точек передаются в компьютерный порт.
Испытания видеопроцессора, собранного на основе микроконтроллера Atmega-8 фирмы Atmel, показали высокую надежность работы и возможность вычисления координат центра круглого изображения в видеокадре диаметром 25 телевизионных строк с погрешностью порядка 1/20 пикселя.
Источники информации
1. Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Отсчетное устройство гидростатического нивелира. Патент РФ №2112922, Бюл. №16, 1998 г.
2. Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Пороговый уровнемер. Патент РФ №2145061, Бюл. №3, 2000 г.
3. Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Уровнемер. Патент РФ №2160430, Бюл. №34, 2000 г.
4. Безматерных М.В., Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Видеостворофиксатор, Патент РФ №227560, Бюл. №12, 2006 г.
5. Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е., Цветков В.И., Ленский Ю.В., Якушев В.Г., Каменский Л.П. Устройство передачи горизонтального направления с одного горизонта на другой. Патент РФ №2152591, Бюл. №19, 2000 г.
6. Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Устройство для передачи горизонтального направления с одного горизонта на другой. Патент РФ №2174215, Бюл. №27, 2001 г.
7. Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Устройство для передачи горизонтального направления с одного горизонта на другой. Патент РФ №2174216, Бюл. №27, 2001 г.
8. Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е., Соломонов Л.С, Каменский Л.П., Ленский Ю.В., Цветков В.И. Устройство для передачи горизонтального направления с одного горизонта на другой. Патент РФ №2204116, Бюл. №13, 2003 г.
9. Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е., Соломонов Л.С, Каменский Л.П., Ленский Ю.В., Цветков В.И. Устройство для передачи направления с одного горизонта на другой. Патент РФ №2219494, Бюл. №35, 2003 г.
10. Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Видеоизмеритель плановых координат контролируемого объекта. Патент РФ №2303765, Бюл. №21, 2007 г.
11. Безматерных М.В., Буюкян С.П. Видеонаклономер, Патент РФ №2258906, Бюл. №23, 2005 г.
12. Буюкян С.П., Безматерных М.В. Цифровой видеоавтоколлиматор. Тр. Международной научно-технической конференции, посвященной 225-летию МИИГАиК, М, 2004 г., стр.254-256.
13. Буюкян С.П., Безматерных М.В., Бодунков П.В., Никитин П.А. Автоматизация измерений планового положения струны обратного отвеса. Тр. Международной научно-технической конференции, посвященной 225-летию МИИГАиК. М., 2004 г., стр.251-253.
14. Рязанцев Г.Е., Буюкян С.П. Методы и средства автоматизированного инструментального геотехнического мониторинга. М.: «Основания, фундаменты и механика грунтов», №3, 2003 г., стр.22-25.
15. Рязанцев Г.Е., Бубман И.С, Буюкян С.П. Современные методы и средства автоматизации геодезических наблюдений за деформациями строительных конструкций. М.: «Геодезист», №1-6, 2003 г., стр.21-24.
16. Рязанцев Г.Е., Седельникова И.А., Буюкян С.П. Современные автоматизированные системы контроля деформаций высотных зданий. М.: «Технологии бетонов», №2, 2005 г., стр.35-37.
17. Видеобластеры,
http://www.centers.ru/brands/rossisp/rub7518875249.htm
18. Фреймграбберы,
httpy/www.fastvideo.ru/products/framegrabber/framegrabber.htm
19. Фреймграббер VS2001/TV, http://videoscan.ru/page/683