Устройство для обработки изображений
IMAGE PROCESSING DEVICE

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в системах технического зрения роботов, видеосистемах стереозрения и кругового обзора (ВСКО).
Устройство для обработки изображений предназначено для обеспечения ввода, вывода, обработки и преобразования видеоданных полученных от цифровых видеокамер и данных от различных датчиков как цифровых, так и аналоговых, а также для управления различными исполнительными механизмами с различными интерфейсами как цифровыми, так и аналоговыми на основе всей полученной информации.
В качестве аналога может быть рассмотрен «Универсальный цифровой модуль обработки и преобразования видеоданных» (см. патент на полезную модель РФ №58244, МПК G06K 17/00, опубл. 10.11.2006 г. Бюл. № 31), содержащий операционное запоминающее устройство (ОЗУ), последовательное постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого является видеовходом, управляемый преобразователь входных видеоданных, вход которого соединен с выходом АЦП, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого является видеовыходом, управляемый преобразователь выходных данных, выход которого соединен с входом ЦАП, цифровой сигнальный процессор, в состав которого входят обработчик видеоданных и интерфейсный блок, соединенные внутренней шиной, причем обработчик видеоданных соединен шиной памяти с внешними ОЗУ и ППЗУ, а входом – с выходом управляемого преобразователя входных видеоданных и выходом – с входом управляемого преобразователя входных видеоданных, интерфейсы сети, хоста и шины PCI, соединенные интерфейсной шиной с интерфейсным блоком, управляющие выходы которого соединены с управляемыми входами управляемых преобразователей входных и выходных видеоданных, генератор тактовых импульсов и формирователь сигналов управления, выходы которых соединены с управляемыми входами интерфейсного блока цифрового сигнального процессора.
Недостатками модуля являются низкие функциональные возможности и низкое быстродействие при выполнении функций по обработке изображений связанные с невозможностью выполнения большого количества параллельно-конвейерных операций одним сигнальным процессором, а также невозможность подключения к модулю цифровых видеокамер, различных датчиков и исполнительных механизмов из-за небольшого количества различных интерфейсов.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является блок обработки видеоизображений (см. патент на полезную модель РФ №101556 «Блок обработки видеоизображений», опубл. 20.01.2011 г. Бюл. № 2), содержащее видеодекодер, первый процессор, первое операционное запоминающее устройство (ОЗУ), первое последовательное постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), первый интерфейс пакетной передачи данных компьютерных сетей (Ethernet), причем первый процессор соединен первым входом-выходом с входом-выходом первого ОЗУ, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), второе ОЗУ, системный контроллер (СК), часы реального времени (RTC), твердотельный накопитель информации (ТНИ), микроконтроллер (МК), первый и второй преобразователи напряжения (ПН), мезонин, являющийся модулем расширения, преобразователи интерфейсов, преобразователь уровня, причем первый процессор выполнен мультимедийным, седьмой вход-выход которого соединен через первый интерфейс Ethernet с соответствующим преобразователем интерфейса и образует соответствующий вход-выход блока обработки видеоизображений для подключения к внешним устройствам, входы видеодекодера образуют корректоров подключены к соответствующим входам программируемой логической интегральной схемы, выходной HDMI интерфейс с буфером-корректором, выход которого является выходом устройства для обработки изображений, а вход подключен к соответствующему выходу программируемой логической интегральной схемы, интерфейс USB для программирования программируемой логической интегральной схемы с соответствующим преобразователем интерфейса, соответствующие входы-выходы которого являются входами-выходами устройства для обработки изображений для его программирования, а другие входы-выходы подключены к соответствующим входам-выходами программируемой логической интегральной схемы, интерфейс USB-host для подключения внешних USB устройств с соответствующим преобразователем интерфейса, соответствующие входы-выходы которого являются входами-выходами устройства для обработки изображений, а другие входы выходы подключены к соответствующим входам-выходами программируемой логической интегральной схемы, интерфейс USB для подключения устройства для обработки изображений к внешним USB устройствам с соответствующим преобразователем интерфейса, соответствующие входы-выходы которого являются входами-выходами устройства для обработки изображений, а другие входы выходы подключены к соответствующим входам-выходами программируемой логической интегральной схемы, карту флеш-памяти (microSD flash) входы-выходы которой подключены к соответствующим входам-выходам программируемой логической интегральной схемы, семь дополнительных интерфейсов RS-485, с соответствующими преобразователями интерфейсов, образующие соответствующие входы-выходы устройства для обработки изображений, причем входы-выходы последовательного постоянного запоминающего устройства подключены к соответствующим входами-выходами программируемой логической интегральной схемы, а соответствующие входы-выходы восьми преобразователей интерфейсов RS-485 соединены с соответствующими входами-выходами программируемой логической интегральной схемы, соответствующие входы-выходы шести преобразователей интерфейсов CAN соединены с соответствующими входами-выходами программируемой логической интегральной схемы, соответствующие входы-выходы двух преобразователей интерфейсов CAN соединены с соответствующими входами-выходами второго микроконтроллера, соответствующие входы-выходы трех преобразователей интерфейсов RS-232 соединены с соответствующими входами-выходами программируемой логической интегральной схемы, а соответствующие входы-выходы двух преобразователей интерфейсов RS-232 соединены с соответствующими входами-выходами второго микроконтроллера, соответствующие входы-выходы преобразователя интерфейса Ethernet подключены к соответствующим входам-выходам программируемой логической интегральной схемы, второй выход второго преобразователя напряжения подключен ко входу первого преобразователя напряжения, а второй вход второго преобразователя напряжения соединен с выходом первого микроконтроллера, соответствующие входы-выходы программируемой логической интегральной схемы соединены с соответствующими входами-выходами второго микроконтроллера и также являются соответствующими входами-выходами устройства для обработки изображений, интерфейс USB подключен к соответствующим входам-выходам второго микроконтроллера, соответствующие пять входов второго микроконтроллера и соответствующий вход программируемой логической интегральной схемы через дополнительные интерфейсы АЦП образуют соответствующие входы устройства для обработки изображений для подключения к внешним аналоговым датчикам, соответствующие два выхода второго микроконтроллера через дополнительные интерфейсы ЦАП образуют соответствующие выходы устройства для обработки изображений для подключения к внешним аналоговым исполнительным механизмам, соответствующие 10 цифровых входов-выходов программируемой логической интегральной схемы через дополнительные цифровые интерфейсы образуют соответствующие входы-выходы устройства для обработки изображений для подключения к внешним устройствам с цифровым интерфейсом.
На Фиг. 1. показана схема устройства для обработки изображений.
Предлагаемое устройство 1 (Фиг.1) содержит первый и второй преобразователи напряжения (ПН) 5 и 6, микроконтроллер (МК) 7, второй микроконтроллер 2, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) 3, два преобразователя интерфейса (ПИ) RS-232 4, четыре буфера-корректора (БК) HDMI 8, преобразователь интерфейса Ethernet 9, преобразователи интерфейса USB 10, 11 и 12, два преобразователя интерфейса CAN 13, три преобразователя интерфейса (ПИ) RS-232 14, буфер-корректор HDMI 15, операционное запоминающее устройство (ОЗУ) 16, шесть преобразователей интерфейса CAN 17, восемь преобразователей интерфейса RS-485 18, microSD flash 19, последовательное постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 20, причем входы-выходы 21 второго микроконтроллера 2 через два преобразователя интерфейсов RS-232 4 соединены с двумя интерфейсами RS-232, которые образуют входы-выходы 11 устройства для обработки изображений 1, входы-выходы 22 второго микроконтроллера 2 через интерфейс USB образуют входы-выходы 12 устройства для обработки изображений 1, пять входов 23 второго микроконтроллера 2 и вход 31 ПЛИС 3 через интерфейсы АЦП образуют входы 13 и 15 соответственно устройства для обработки изображений 1, входы 32 ПЛИС 3 через четыре буфера-корректора 8 соединены с четырьмя входными HDMI интерфейсами, которые образуют входы 16 устройства для обработки изображений 1, входы-выходы 33 ПЛИС 3 через преобразователь интерфейса Ethernet 9 соединены с интерфейсом Ethernet, который образует входы-выходы 17 устройства для обработки изображений 1, входы-выходы 34, 35 и 36 ПЛИС 3 через преобразователи интерфейсов USB 10, 11 и 12 соединены с интерфейсами USB для программирования, USB-host и USB для подключения внешних устройств соответственно, которые образуют входы-выходы 18, 19 и 110 соответственно устройства для обработки изображений 1, входы-выходы 24 второго микроконтроллера 2 через два преобразователя интерфейсов CAN 13 соединены с двумя интерфейсами CAN, которые образуют входы-выходы 111 устройства для обработки изображений 1, два выхода 25 второго микроконтроллера 2 через интерфейсы ЦАП образуют выходы 112 устройства для обработки изображений 1, входы-выходы 26 микроконтроллера 2 и входы-выходы 37 ПЛИС 3 соединены вместе и образуют входы-выходы 113 устройства для обработки изображений 1, входы-выходы 38 ПЛИС 3 образуют входы-выходы 114 устройства для обработки изображений 1, входы-выходы 39 ПЛИС 3 через три преобразователя интерфейсов RS-232 14 соединены с тремя интерфейсами RS-232, которые образуют входы-выходы 115 устройства для обработки изображений 1, выходы 310 ПЛИС 3 через буфер-корректор 15 соединены с выходным HDMI интерфейсом, который образует выходы 116 устройства для обработки изображений 1, входы-выходы 311 ПЛИС 3 подключены к входам-выходам ОЗУ 16, входы-выходы 312 ПЛИС 3 через шесть преобразователей интерфейсов CAN 17 соединены с шестью интерфейсами CAN, которые образуют входы-выходы 117 устройства для обработки изображений 1, входы-выходы 313 ПЛИС 3 через восемь преобразователей интерфейсов RS-485 18 соединены с восемью интерфейсами RS-485, которые образуют входы-выходы 118 устройства для обработки изображений 1, входы-выходы 314 ПЛИС 3 подключены к входам-выходам microSD flash 19, входы-выходы 315 ПЛИС 3 подключены к входам-выходам последовательного постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) 20, первый вход 64 второго преобразователя напряжения 6 является входом 14 устройства для обработки изображений 1 для подключения питания, а второй вход 63 подключен к выходу микроконтроллера 7, вход питания которого подключен к выходу 61 второго преобразователя напряжения 6, второй выход 62 которого подключен ко входу первого преобразователя напряжения 5.
Предложенное устройство работает следующим образом. Входные видеоизображения, полученные от четырех цифровых видеокамер через HDMI интерфейс, поступают в ПЛИС 3, которая одновременно со вторым микроконтроллером 2 выполняет все необходимые вычисления. При этом ПЛИС 3 выполняет все параллельно-конвейерные вычисления, а второй микроконтроллер 2 все сложные алгоритмические вычисления. Изображения и все необходимые данные хранятся в ОЗУ 16, подключенном к ПЛИС 3 и во внутреннем ОЗУ ПЛИС 3 и второго микроконтроллера 2. Для синхронизации вычислений, вход-выход 37 ПЛИС 3 и вход-выход 26 второго микроконтроллера 2 соединены цифровой программируемой шиной данных, имеющей возможность подключения внешних устройств. Для каждого вывода этой шины (разрядность шины – 32) отдельно задается направление передачи данных (вход/выход/двунаправленный) назначение и функционал. За счет этого ПЛИС 3 и второй микроконтроллер 2 могут обращаться к адресному пространству друг друга и выполнять одну программу одновременно, а не две различных программы последовательно. За счет этого сильно снижается время обработки данных и получение результата. Программа ПЛИС 3 и необходимые для выполнения вычислений данные хранятся в ППЗУ 20, подключенной к ПЛИС 3. Программа второго микроконтроллера 2 хранится в его внутренней flash памяти. Через различные интерфейсы, подключенные к ПЛИС 3 и ко второму микроконтроллеру 2, поступает информация от различных датчиков и внешних устройств управления. При необходимости любые два из восьми интерфейсов RS-485 могут быть сконфигурированы в интерфейс RS-422, таким образом можно получить до четырех интерфейсов RS-422 в любой комбинации с интерфейсами RS-485.
На основе информации, полученной при обработке видео изображений, различных датчиков, устройств управления, меняются управляющие воздействия на различные исполнительные механизмы, подключенные к устройству для обработки изображений 1. При необходимости можно вывести любое из полученных и/или обработанных изображений на цифровой монитор через HDMI выход 116, подключенный к ПЛИС 3. Также можно записать любую информацию, полученную и/или вычисленную во время работы устройства на microSD flash 19. Управлять устройством и, как следствие, различными механизмами можно через все интерфейсы устройства. Через цифровой интерфейс 114, подключенный к входам-выходам 38 ПЛИС 3 можно также выводить данные (например, на символьный дисплей), или вводить данные для корректировки вычислений.
Второй преобразователь напряжения 6 формирует напряжение питания для микроконтроллера 7, содержит защиту от переполюсовки и перенапряжения. Микроконтроллер 7 определяет параметры входного напряжения и разрешает/запрещает работу первого преобразователя напряжения 5, который формирует все необходимые напряжения для блоков устройства для обработки изображений 1 (на чертеже не показано).