Библиотечный каталог авторефератов Украины

=; = =; =

та використати ітераційні процеси реалізації елементарних функцій, можна одержати такі співвідношення:

       ;

       ;

       ;

       ;

       ;

       ;        (7)

       ;

       ;

       ;

       ;

       .

В роботі виведено початкові умови для отриманого апаратно-орієнтованого алгоритму (7) та умови для знакових констант, за допомогою яких обчислено (5) та (6) і які мають вигляд, аналогічний (3), (4).

Одержано співвідношення для розрахунку часу виконання реалізації функції перспективних перетворень на основі (7), яке, як показано, складає суму часів попереднього такту і тактів ітерації

.

Вивчено питання величини похибки реалізації функції перспективних перетворень. Формули для повних похибок обчислень за даним алгоритмом були наведені в другому розділі. Основна похибка обчислення визначається втратою інформації при здійсненні операцій зсуву за рахунок виходу частини її за межі розрядної сітки регістрів зсуву. Максимальне значення похибки за рахунок втрати інформації при її зсуві вправо визначається так:

,

де         – кількість розрядів регістра зсуву, відведених для дробової частини числа;

– кількість ітерацій, що відповідає кількості зсувів.

Як показано в роботі, загальна похибка буде трохи меншою за похибку величин, які входять у функцію, за рахунок часткової взаємної компенсації.

У четвертому розділі зроблено аналіз архітектур програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС), які доцільно використовувати при проектуванні апаратури цифрової обробки сигналів. При цьому використовувались такі критерії:

• швидкодія;
• логічна ємність, достатня для реалізації алгоритму;
• схемотехнічні і конструктивні параметри ПЛІС, надійність, робочий діапазон температур, стійкість до іонізуючого випромінювання і т.ін.;
• вартість володіння засобами розробки, що включає як вартість програмного забезпечення, так і вартість апаратних засобів налагодження;
• вартість устаткування для програмування ПЛІС чи конфігураційних ПЗП;
• наявність методичної і технічної підтримки;
• наявність і надійність постачальників;
• вартість мікросхем.

На основі цих критеріїв були зроблені висновки щодо доцільності використання ПЛІС фірми “Altera” і її САПР MAX+PLUS II.

Надано короткий опис системи MAX+PLUS II, за допомогою якої було проведено моделювання і розроблено спецпроцесор швидких геометричних перетворень.

Наведено результати моделювання спецпроцесора швидких геометричних перетворень, а також викладено принципи його функціонування.

Розроблений спецпроцесор входить до складу системи обробки і візуалізації, яка призначена для формування швидких геометричних перетворень на екрані телевізійних відеоконтрольних пристроїв (ВКП). Структура системи спецпроцесора швидких геометричних перетворень зображень реального часу, наведена на рис. 4. Вона містить три підсистеми: підсистему геометричних перетворень, підсистему формування символьних даних і підсистему формування графічних даних. Крім того, у систему входять: пристрій синхронізації, змішувач, блок сполучення з ВКП і ВКП.

Підсистема геометричних перетворень здійснює перспективні перетворення двовимірних зображень, що зберігаються в дискретизованому вигляді в ОЗП зображень візуальних обстановок (ОЗПВ). Перетворення зображень здійснюється методом функціональної регенерації в реальному часі (час перетворення одного кадру зображення не перевищує 20мсек).

Адресний процесор, що складається з обчислювача і генератора адрес, у залежності від параметрів проективних перетворень, які надходять на його вхід від зовнішнього задатчика, генерує послідовність адрес читання інформації з ОЗПВ при розгорненні зображення на екрані растрового ВКП.

Обчислювач адресного процесора реалізовано на ПЕОМ IBM PC.

Підсистема формування символьних даних забезпечує формування на екрані ВКП алфавітно-цифрової інформації. Підсистема складається з ОЗП символів (ОЗПС), генератора символів, пристрою керування ОЗПС, формувача динамічних режимів виділення інформації і комутатора.

Підсистема формування графічних даних формує на екрані графічні інформаційні моделі. Підсистема містить графічний ОЗП (ОЗПГ), блок збільшення точності відображення графічних інформаційних моделей і пристрій керування ОЗПГ.

Вихідні відеосигнали, які формуються підсистемою геометричних перетворень і підсистемами формування символьних і графічних даних, поєднуються в змішувачі і через блок сполучення надходять на ВКП.

ВКУ виконано на базі кольорового телевізійного приймача "Електрон Ц380Д". Зображення на його екрані формується у восьми колірних відтінках.

У висновках викладені найбільш важливі наукові та практичні результати, які одержано в дисертації.

У додатках наведено допоміжні матеріали, текст програм математичного та імітаційного моделювання, результати математичного моделювання, документи про впровадження.

Рис. 4. Структура системи спецпроцесора швидких геометричних перетворень зображень реального часу

ВИСНОВКИ

В дисертації розроблено апаратно-орієнтовані алгоритми синтезу процесорів швидких перспективних перетворень у системах візуалізації, аналітичні співвідношення для часу виконання і похибок реалізації функції швидких перспективних перетворень, а також структури спецпроцесорів для реалізації швидких перспективних перетворень у системах візуалізації, що працюють у реальному часі і синтезують зображення з високим ступенем реалістичності.

При проведені дисертаційних досліджень отримані такі основні результати:

1. Проаналізовано існуючі методи та алгоритми виконання геометричних перетворень, а також основні математичні методи й алгоритми побудови спеціалізованих процесорів обробки інформації. Розглянуто видові та перспективні перетворення, а також особливості сприйняття об'ємних зображень людським оком. За математичну основу побудови спеціалізованих процесорів обрано метод псевдоповоротів вектора і різницево-ітераційні методи обчислення складних функцій і математичних операцій.
2. Вперше отримано апаратно-орієнтовані алгоритми швидких перспективних перетворень для реалізації на існуючій елементній базі, що задовольняють критеріям точності і швидкодії. Це дозволило за рахунок високої однорідності синтезованих структур спростити апаратурну реалізацію систем обробки відеоінформації.
3. Вперше одержано аналітичні співвідношення для часу виконання і похибок реалізації функції швидких перспективних перетворень, що дозволило робити обчислення з підвищеною швидкодією і заданою точністю. Запропоновано метод усунення похибки від відсутності збіжності ітераційного процесу в пристроях, які реалізують принцип псевдоповоротів вектору.
4. Вперше розроблено структуру спецпроцесора швидких геометричних перетворень зображень реального часу, яка за рахунок процесу одержання часткових результатів без очікування повного закінчення процесу обчислення дозволила розпаралелювати процедури реалізації функції перспективних перетворень, що робить їх зручними в обчислювальних системах потокового типу.
5. Проведено моделювання за допомогою ЕОМ та створеного програмного забезпечення отриманих в дисертаційної роботі апаратно-орієнтованих алгоритмів швидких перспективних перетворень, що задовольняють критеріям точності і швидкодії, а також досліджено питання збіжності цих алгоритмів. Перевірено одержані аналітичні співвідношення для часу виконання і похибок реалізації функції швидких перспективних перетворень. За допомогою САПР MAX+PLUS II фірми ALTERA була промодельована і налагоджена структура розробленого в дисертаційної роботі спецпроцесора швидких геометричних перетворень зображень реального часу. Наведено результати моделювання. Здійснено технічну реалізацію програмно-апаратної системи швидких геометричних перетворень, підсистем геометричних перетворень зображень і формування графічних даних.
6. Розроблені в роботі апаратно-орієнтовані алгоритми швидких перспективних перетворень та розроблені структури спецпроцесорів швидких геометричних перетворень зображень реального часу були використані при розробці цифрових пристроїв телевізійних відеоефектів, які експлуатуються в апаратно-студійних блоках у штатно передбаченому місці їхнього включення.
7. Розроблені і досліджені в дисертації моделі, алгоритми та пристрої були використані при вирішенні задач обробки відеоінформації у Харківській обласній державній телерадіокомпанії (м. Харків, Україна) (акт від 05.02.2003), а також у ЗАТ Регіональної телекомпанії “Тоніс-Центр” (м. Харків, Україна) (акт від 12.02.2003) у вигляді блоку телевізійних відеоефектів, що дозволило підвищити якість відеопродукції, а також скоротити час її виробництва.

СПИСОК ПРАЦЬ, ЩО ОПУБЛІКОВАНІ АВТОРОМ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Васильев Н.В., Елаков С.Г., Руденко О.Г., Сотников О.М., Торба А.А. Методы быстрой геометрической обработки изображений в тренажерах наземных транспортных средств // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета. Сб. научн. трудов. – Харьков. – 2000. – Вып. 12-13. – С. 225-227.
2. Васильев Н.В., Елаков С.Г., Перьков Р.В. Спецпроцессор для защиты видеоинформации в реальном масштабе времени // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. “Новые решения в современных технологиях”. – 1999. – №47. – С. 11-12.
3. Васильев Н.В. Некоторые аспекты разработки аппаратно-ориентированных алгоритмов преобразования изображений // Вісник Харківського національного університету. – 2000. – №506. –  Частина 2. – С. 114-116.
4. Васильев Н.В., Елаков С.Г., Левин В.Л. Анализ погрешностей некоторых методов проектирования спецпроцессоров // Вестник Национального политехнического университета “ХПИ”. “Новые решения в современных технологиях". – 2002. – Т. 2. – №6. – С. 12-17.
5. Васильев Н.В. Программируемое устройство управления технологическим процессом // Тез. докл. 1-й Междунар. молодежный форум "Электроника и молодежь в 21 веке". – Харьков. – 1997. – С. 235.
6. Васильев Н.В., Елаков С.Г., Торба А.А. Микропроцессорный контроллер дистанционного управления // 3-я Междунар. конф. "Теория и техника передачи информации". – Туапсе. – 1997. – С. 137.
7. Васильев Н.В. 8-канальное устройство управления мощными объектами // "Актуальные проблемы современной науки в исследованиях молодых ученых г. Харькова". – Харьков. – 1998. – С. 8-12.
8. Бизяев В.Н., Васильев Н.В., Елаков С.Г. Адаптивная система преобразования телевизионных сигналов // 6-я Междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". – Харьков. – 2000. – С. 374-376.
9. Бизяев В.Н., Васильев Н.В., Степченко А.З. Об одном алгоритме аппаратно-ориентированного преобразования изображений // 7-я Междунар. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". Сб. научных трудов. – Харьков. – 2001. – С. 307-308.

АНОТАЦІЯ

Васильєв М.В. “Методи та апаратно-орієнтовані алгоритми синтезу процесорів швидких перспективних перетворень у системах візуалізації”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.13 – обчислювальні машини, системи та мережі, Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2003.

Дисертаційна робота присвячена питанням розробки методів та апаратно-орієнтованих алгоритмів синтезу процесорів швидких перспективних перетворень у системах візуалізації, які здійснюють синтез геометрично змінюваних зображень у реальному часі.

Проведено дослідження алгоритмів апаратурної реалізації типових геометричних перетворень. Виведено формули апаратно-орієнтованих алгоритмів швидких перспективних перетворень, які є адаптованими для програмно-апаратної реалізації процесорів реального часу, що задовольняють критеріям точності і швидкодії. Досліджені питання збіжності цих алгоритмів, а також одержано аналітичні співвідношення для часу виконання і похибок реалізації функції перспективних перетворень.

Розроблено структуру спецпроцесора швидких геометричних перетворень зображень реального часу та запропоновано архітектуру системи обробки відеоінформації реального часу на базі розробленого спецпроцесора. Реалізовано програмно-апаратну систему візуалізації на основі синтезованого процесора швидких геометричних перетворень.

Ключові слова: апаратно-орієнтований, система візуалізації, спецпроцесор, реальний час, перспективне перетворення.

АННОТАЦИЯ

Васильев Н.В. “Методы и аппаратно-ориентированные алгоритмы синтеза процессоров быстрых перспективных преобразований в системах визуализации”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.13 – вычислительные машины, системы и сети. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2003.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки методов и аппаратно-ориентированных алгоритмов синтеза процессоров быстрых перспективных преобразований в системах визуализации, синтезирующих геометрически изменяемые изображения в реальном времени.

В работе проанализированы существующие методы и алгоритмы выполнения геометрических преобразований. Рассмотрены видовые и перспективные преобразования, а также особенности восприятия объемных изображений человеческим глазом. Показано, что в некоторых случаях “псевдоперспективные” изображение довольно подобны объектам, которые наблюдаются человеческим глазом. Проанализированы основные математические методы и алгоритмы построения специализированных процессоров обработки информации. В качестве методов построения специализированных процессоров избраны методы псевдоповоротов вектора и разностно-итерационные методы вычисления сложных функций и математических операций. Такой выбор методов обусловлен областью применения этих методов, а также определяется видом функциональной зависимости, которая подлежит реализации, и конкретными ограничениями, которые накладываются практикой.

Получены аппаратно-ориентированные алгоритмы быстрых перспективных преобразований для реализации на существующей элементной базе, которые удовлетворяют критериям точности и быстродействия, а также исследованны вопросы сходимости этих алгоритмов. Это дает возможность упрощения аппаратурной реализации систем обработки видеоинформации, за счет высокой однородности синтезированных структур с помощью разработанных алгоритмов. Также были получены аналитические соотношения для времени выполнения и погрешностей реализации функции быстрых перспективных преобразований. Это дало возможность выполнять вычисления с повышенным быстродействием и приемлемой точностью. Предложен метод устранения погрешности от отсутствия сходимости итерационного процесса в устройствах, которые реализуют принцип псевдоповоротов вектора.

Была разработана структура спецпроцессора быстрых геометрических преобразований изображений реального времени. Применение разработанных структур спецпроцессоров позволило выдавать частичные результаты, не дожидаясь окончания процесса. Предложены варианты распараллеливания процедуры реализации функции перспективных преобразований между специализированным процессором и управляющей ЭВМ. Предложена архитектура системы обработки видеоинформации реального времени на базе разработанного спецпроцессора. А также осуществлена техническая реализация программно-аппаратной системы быстрых геометрических преобразований, подсистем геометрических преобразований изображений и формирования графических данных.

Разработанные и исследованные в диссертации модели, алгоритмы и устройства были использованы при решении задач обработки видеоинформации в Харьковской областной государственной телерадиокомпании (г. Харьков, Украина), а также в ЗАО Региональной телекомпании “Тонис-Центр” (г. Харьков, Украина) в виде блока телевизионных видеоэффектов, что разрешило повысить качество видеопродукции, а также сократить время ее производства.

Ключевые слова: аппаратно-ориентированный, система визуализации, спецпроцессор, реальное время, перспективное преобразование.

ABSTRACT

Vasiliev N.V. “Methods and hardware-focused algorithms of synthesis fast perspective transformations processors in visualization systems”. – Manuscript.

А thesis to compete for a candidate’s degree in technical sciences, speciality 05.13.13 – computers, systems and networks. – Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov, 2003.

The dissertation is devoted to questions of development models, algorithms and structures processors fast perspective transformations working in visualization systems in real time and synthesizing the image with a high degree of realness.

The researches realization of hardware algorithms typical geometrical transformations. Deduced the formulas hardware focused algorithms of fast perspective transformations, which are adapted for hardware-software realization of real time processors, which satisfy to criteria of accuracy and speed. Investigated the questions of convergence algorithms , and also received the analytical relations for time of performance and function realization errors of perspective transformations.

Developed the structure of real time fast geometrical transformations processor, and offered the system architecture of real time videoinformation processing on the basis of developed processor. Realized the visualization system on the basis of the fast geometrical transformations processor.

Keywords: hardware-focused, visualization system, application-specific processor, real time, perspective transformation.

Надруковано в учбово-виробничому видавнично-поліграфічному центрі Харківського національного університету радіоелектроніки.

Україна, 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14