Патент на изобретение №2395929

(54) ВИДЕОПРОЦЕССОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВИДЕОСИГНАЛА В ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

(57) Реферат:

Заявленное изобретение относится к области инженерной геодезии и основано на компьютерной обработке телевизионного изображения контролируемого объекта, содержащегося в выходном видеосигнале видеодатчика. Устройство содержит: узел выделения строчного и кадрового синхроимпульсов, узел выделения координат точек видеокадра, содержащего кварцевый генератор и счетчики, узел памяти и передачи координат в порт компьютера, источник порогового напряжения, амплитудный компаратор и узел синхронизации записи в память. Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение аппаратурных и временных затрат. 1 ил.

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,

18. Фреймграбберы,

httpy/www.fastvideo.ru/products/framegrabber/framegrabber.htm

Формула изобретения

Видеопроцессор для обработки видеосигнала в видеоизмерительных системах, содержащий узел выделения строчного и кадрового синхроимпульсов, узел выделения координат точек видеокадра с кварцевым генератором и узел памяти и передачи координат в порт компьютера, отличающийся тем, что он 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.

РИСУНКИ