Специализированныемодели управления (СМУ) систем технического зрения
1. Исходные данныедля проектирования
Необходимо построить СМУ,которое определяет положение движущегося объекта в поле зрения робота на каждомкадре изображения. Изображение, полученное с датчика, преобразуется в цифровуюформу и представляется в виде матрицы размерностью М х N точек (M = N = 128). Каждая точка представляетсобой яркость, которая закодирована 8 разрядами.
Размеры объекта m х n точек (m = n = 16). Положение объектаопределяется путём нахождения координат точки, в которой принимает минимальноезначение корреляционная функция R исходного иэталонного изображения. Минимум функции R ищется на каждом кадре в поле U размерностью r х p (r = p =5). Корреляционная функция для точки с координатами l, k в поле U вычисляется по формуле:
/>,
где /> ¾ точки исходного изображения; /> ¾ точки изображения эталона.
Начальное положениецентра области U:
Хцн = М/2; Уцн= N/2.
Частота смены кадров ¾ 50 Гц.
Координаты объекта должныбыть определены за время существования одного кадра.
2. Этап системногопроектирования
На этом этапенеобходимо разработать общий алгоритм функционирования системы техническогозрения и её структурную схему.
Исходя из задания напроектирование системы технического зрения (СТЗ) должна выполнять следующиефункции:
n преобразование аналогового сигнала,поступающего с датчика (Д) в цифровую форму;
n запоминание цифровых значений яркоститочек в памяти;
n чтение цифровых значений яркостейточек в памяти;
n чтение цифровых значений яркостейточек исходного и эталонного изображений и вычисление функций корреляции;
n нахождение минимального значенияфункции корреляции в области U ивыдача новых координат области V.
Преобразованиеаналогового сигнала и запись полученного цифрового значения должен осуществлятьблок аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Для запоминанияполученных цифровых значений яркостей точек необходимо оперативное запоминающееустройство изображения (ОЗУИ). Объём его определяется максимальными размерамипредставления изображения, то есть (M х N) 8 разрядныхячеек.
Требуемый объём ОЗУИравен 16 Кбайт.
Для хранения эталонанеобходимо иметь постоянное ЗУ объёмом m х nбайт (ПЗУ), т.е. 256 байта.
Чтение данных из ОЗУИи ПЗУ, вычисление функций корреляции, нахождение минимального значения R иопределение новых координат области U должно производитьсявычислительным устройством (ВУ).
Для хранения новыхкоординат необходимы два регистра РХ и РY. Запуск иостанов ВУ производиться с пульта управления (ПУ). На рис. показана общаяструктура СТЗ.
Блок АЦП синхронно счастотой дискретизации осуществляет запись информации в ОЗУИ. По окончаниизаписи одного кадра он выдаёт сигнал конца записи EW. ВУопрашивает сигнал EW и,получив его, переходит на следующем кадре к вычислению функций корреляции инахождению их минимума. Затем ВУ записывает в регистры PX и PY значения найденных координат ипереходит к опросу сигнала EW.
/>
Рисунок 1 ¾ Общаяструктура СТЗ
Таким образом, доступ к ОЗУИ имеют поочерёдно блок АЦП (по записи) и ВУ(по чтению).3. Проектирование отдельных блоков СТЗ
Организация блоков АЦП,ОЗУИ, ПЗУ трудности не представляет. Они выполняются по стандартным решениям.Остановимся на проектировании ВУ. Оно должно на каждом кадре осуществлять формированиекоординат точек области U,вычисление функций корреляции R вкаждой из этих точек, для чего необходимо вычислять адреса точек исходного иэталонного изображений, находить минимальные значения функции корреляции и координатточки.
Внешний интерфейс ВУ:
D1 ¾ информационная шина с ОЗУИ;
D2 ¾ информационная шина с ПЗУ;
«Пуск», «Ост»¾ линии для передачи сигналов «Пуск» и «Останов»с ПУ; EW ¾ линияпередачи сигнала EW сблока AЦП; Хцн, Yцн ¾ шины ввода начальных координат; A1 ¾ шина адресана ОЗУИ; A2 ¾ шина адреса на ПЗУ; X,Y ¾ шины координат X и Y.
Определим внутренниезапоминающие элементы: регистры Xц, Yц и Xт, Yт ¾ для хранения координат соответственно центра и точекобласти U; X’т Y’т ¾ для хранения текущихкоординат точек «окна» вычисления функции R; AC ¾ для формирования текущего значения функции R; Rmin ¾ регистр минимальногозначения функции корреляции; m, n ¾ для храненияразмеров «окна»; r, p ¾ для храненияразмеров области U; Q ¾ рабочийрегистр; счётчики k, l ¾ для организациициклов сканирования области U; i, j ¾ дляорганизации циклов сканирования «окна» вычисления функции R.
Так как m = n и r = p, тонеобходимо иметь только по одному регистру (m и r).
Определим разрядностьрегистров.
Все регистрыкоординат имеют одну разрядность, определяемую как />.В данном случае разрядность должна быть равна 7. Так как организация микросхемтакова, что разрядность кратна 2, выбираем разрядность регистров Xц, Yц, Xт, Yт, X’т,Y’т равной 8.
Разрядность АС, Rmin определяется максимально возможным значением функциикорреляции. Максимальное значение получается, если яркости всех точек в «окне»исходного изображения максимальны (/> - 1), аяркости всех точек эталонов — минимальны (0).
В этом случаемаксимальное значение равно />.
Следовательно,необходимо иметь 14 разрядов. Принимаем разрядность регистров АС и Rmin равной 1Разрядность регистра Q может быть равна 8.
Количество разрядоврегистров m, r и счётчиков k, l и i, j равносоответственно /> и />, т. е. четырём и трём.
Шина A1 формируется из выходов регистров X’ти Y’т, а шина A2 ¾ из i и j.Алгоритм функционирования ВУ показан на рис. 2.
В зависимости оттребований к аппаратурным затратам и быстродействию данный алгоритм может бытьреализован различными способами. По аппаратурным затратам самой экономичнойявляется реализация, при которой все операции над регистрами выполняются наодном блоке обработки.
Однако при этом всеоперации выполняются последовательно и значит, быстродействие самое низкое.
Самой быстродействующейявляется реализация, при которой все возможные для совмещения операциивыполняются на своих блоках обработки.
Исходя из алгоритма,можно выделить следующие параллельно работающие блоки:
n арифметический (АР);
n формирование координаты Х адреса(АХ);
n формирование координаты Y адреса (AY);
n счётчиков (СК);
n управления (БУ).
Блоки АР, АХ, AY,СК образуют операционный блок. Структурная схема для такого разделенияизображена на рис. 3.
Арифметический блоквыполняет микрокоманды Y3, Y10, Y14, Y15, Y29, Y21.
Блок формированиякоординаты АХ выполняют микрокоманды Y1, Y4, Y8, Y16, Y19, Y30,Y23, Y25.
Блок формированиякоординаты AY аналогичен блоку АХ и служит для выполнениямикрокоманд Y2, Y5, Y9, Y18, Y22, Y2
Блок счётчиков служитдля организации циклов и выполняет микрокоманды Y6, Y7, Y11, Y12, Y17, Y20, Y24, Y27.
Блок управленияпредназначен для формирования управляющих сигналов аi, подаваемых на все блоки, для организации условных и безусловныхпереходов. Условные переходы производятся по сигналам: внешних условий (Х1),арифметического блока (Х2), с блока счётчиков (Х3 — Х6).
/>
Рисунок 2 ¾ Алгоритм функционирования ВУ
/>Рисунок 2 ¾ Окончаниерисунка
/>
Рисунок 3 ¾ Структурнаясхема оптимальной реализации
На рис. 4. показан примерорганизации арифметического блока (М1 и М2 ¾ мультиплексоры; АЛУ ¾ арифметико-логическое устройство; ai ¾ управляющие сигналы).
/>
Рисунок 4 ¾ Организация арифметического блока
Блок управления можетвыдавать на каждый из блоков код микрокоманды, который с помощью дешифраторапереводится в набор управляющих сигналов ai. Организация блока AX(AY) показана на рис. 5, а схема блока счётчиков на рис. Определимтеперь для такой реализации время выполнения алгоритма, показанного на рис.2.
Т = [(((4m+3)n+6)r+3)p+4] tц,
где tц — время одного цикла.
Время цикла определяетсявременем прохождения сигналов по самому длинному пути среди всех блоков. Врассматриваемом устройстве таким путём является: чтение данных из ОЗУИ и ПЗУ,прохождение через мультиплексоры М1 и М2 арифметическогоблока, выполнение операции на АЛУ и запись в регистр Q.
/>
Рисунок 5 ¾ Организация блока формированиякоординаты
В этом случае времяцикла:
tц = tчт + tм + tАЛУ + tQ.
При построении устройства на элементах ТТЛШ логики может быть порядка 200нс.
Если ввести конвейерные регистры на выходах ОЗУИ и ПЗУ, то время цикламожно уменьшить в два раза.
Для tц = 200нс; Т = 5,4 мс.
/>
Рисунок 6 ¾ Организация блока счётчиков
4. Реализация СТЗ на базеоднокристального микропроцессора (КР1810)
техническийзрения микропроцессор аппаратный
Рассмотрим пример реализации СТЗ при использовании в качестве ВУмикропроцессора КР1810 ВМ8 При разработке будем использовать общий алгоритмрис.2.
Разработка структурыаппаратных средств
Для разработки структурыВУ на базе МП КР1810 ВМ86 необходимо поставить в соответствие элементы и узлы рис.3- 6 элементам и узлам МПК.
Один из вариантов такогосоответствия приведён в табл.
Таблица 1 ¾ Варианты соответствияПеременные Запоминающие узлы
Хцн, Yцн 16-разрядный регистр PXYЦ(входной порт) M(n) 8-разрядный регистр РМ(вх. порт) r(p) 8-разрядный регистр PR(вх. порт) X,Y 16-разрядный регистр РXY(выходной порт)
Xт,Yт 16-разрядной РОН ВР
Rmin 16-разрядные ячейки стека
Xц, Yц 16-разрядные ячейки стека K 8-разрядный РОН CH L 8-разрядный РОН CL J 8-разрядный РОН BH I 8-разрядный РОН BL
A1(X’т,Y’т) 16-разрядный РОН SI
А2 16-разрядный РОН DI R 16-разрядный РОН DX Q 16-разрядный РОН AX EW 1-разрядный регистр PEW (входной порт)
Входные и выходные порты(регистры PXYЦ, РМ, PR, PXY, PEW) программно доступны МП какустройства ввода — вывода. Адреса регистров приведены в табл.2.
Таблица 2 ¾ Распределение адресов Регистр
Условное обозначение
адреса Адрес PXYЦ
Port Xц 00Н PÌ Port m 02Н PR Port r 03Н PXY Port X 04Н PEW Port EW 06Н
Регистры могут быть выполнены на микросхемах КР580ИР82(83) или КР580ИК55. Память изображения и эталонов является программно доступной со стороныпроцессора как память данных. Распределение главной памяти приведено в табл. 3.
Таблица 3 ¾ Распределение памятиОЗУИ 0000-3FFF ПЗУ 4000-40FF СТЕК 5000-50FF Память программ 6000-FFFF
Координаты X и Y хранятся не в отдельных регистрах, а в одном 16 — тиразрядном регистре (ячейке памяти). Для адресации памяти достаточно 16 разрядовадреса. Регистры сегментов, кроме CS, перегружать после начальной установки не нужно. Адреса, выдаваемые помультиплексированной шине адреса данных, запоминаются буферными регистрами К580ИР82. Нагрузочная способность шины данных повышается шинными формирователямиК580 ВА8 В рассматриваемом примере достаточно организовать работу МП вминимальном режиме. Структура ВУ на МП показана на рисунке 7.
/>
Рисунок 7 ¾ Структура вычислительного устройствана МП4.2
Разработка программыфункционирования
Программа разработанав соответствии с алгоритмом, показанным на рис. 2. На рис. 8 приведён текстпрограммы на языке ассемблера и соответствие микрокоманд алгоритма.
/>/>/>
Рисунок 8 ¾ Программа функционирования
Расчёт времени работыпрограммы
Зная время выполнения каждой команды (см. рис. 8), можно определить общеевремя выполнения программы:
Т = [(((52m + 37)n + 97)r +37)p+74]tц,
где tц определяется тактовой частотой процессора, tц = 200 нс.
Для m = n = 16 и r = p = 5; T = 70 мс.