УДК 621.397.6:004.3.02.021

В.В. Белавин, А.В. Буданцев, А.В. Гусаченко Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники СО РАН, г. Новосибирск

ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ВРАЩЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМАХ

Рассматриваются вопросы проектирования быстродействующего электронного устройства поворота телевизионного изображения. Приводятся основные требования к выбору элементной базы, а также прогнозируемые параметры устройства.

Устройства компенсации вращения изображения предназначены для облегчения решения задачи распознавания и сопровождения объектов и могут использоваться в бортовых телевизионных системах сопровождения целей. Они также могут применяться в составе оптико-электронных датчиков с динамическим способом формирования поля изображения [1].

Основные отечественные системы компенсации вращения изображения, находящиеся в настоящее время в эксплуатации, базируются на оптико-механическом способе компенсации. Однако они не в состоянии удовлетворить современные требования к массогабаритным параметрам и степени унификации устройств. Ниже рассматривается устройство на основании концепции, изложенной в [2], согласно которой оптимальным путем построения устройств компенсации вращения изображения является аппаратная реализация преобразования координат элементов (пикселей) дискретизированного исходного изображения (растра) с помощью специализированного вычислительного устройства, реализующего рекуррентный алгоритм вычисления координат пикселей преобразованного растра. Как показано в [2], для достижения минимального времени задержки преобразованного изображения разложение исходного изображения в растр должно быть прогрессивным. При этом на вычислительное устройство приходится минимальная нагрузка при наименьшей задержке между кадрами исходного и преобразованного изображений и достаточно высоком качестве преобразованного изображения.

Структурная схема бортового комплекса с использованием электронного способа компенсации вращения изображения показана на рис. 1, где собственно устройство компенсации вращения выделено штриховой рамкой. Бортовая ЭВМ носителя вычисляет необходимый угол поворота растра и передает его значение в устройство компенсации вращения изображения. На выходе устройства должен быть стандартный композитный телевизионный сигнал с чересстрочным разложением изображения и частотой полей 50 Гц (частота кадров 25 Гц). Формат растра преобразованного изображения – 768´576 элементов (288 активных строк в поле).

Рис. 1. Структурная схема системы компенсации вращения изображения

Для обеспечения требуемой динамической погрешности по углу задержка между кадрами исходного и преобразованного изображений должна составлять не более 20 мс. При указанном формате растра преобразованного изображения и с учетом возможной коррекции положения центра вращения из-за несовпадения оптической оси проекционной системы с центром ПЗС-матрицы, на которой формируется изображение, формат растра исходного изображения, согласно [2], должен составлять не менее чем 1024´1024 элементов, участвующих в построении изображения (активных).

Время задержки между кадрами исходного и преобразованного изображений определяется суммарным временем получения изображения с матрицы. Оно, в свою очередь, складывается из следующих фаз: время интегрирования фототока, время переноса накопленного заряда из секции накопления в секцию хранения (только для двухсекционных приборов) и время считывания изображения из секции хранения.

Шины управления переносом заряда в ПЗС-матрицах имеют значительную емкость относительно подложки, поскольку они занимают значительную площадь кристалла. Это ограничивает максимальную частоту смены их потенциала относительно подложки, а следовательно, и скорость переноса заряда. Кроме того, при увеличении скорости переноса заряда падает эффективность его переноса, при этом часть потерянного заряда стекает в подложку, а часть распределяется между соседними элементами вдоль линии переноса, что ведет к ухудшению частотно-контрастной характеристики прибора.

Близкими к предельным для высокоскоростных ПЗС-матриц высокого разрешения можно считать следующие параметры: частота сигнала управления фазами горизонтального регистра считывания приблизительно 40 МГц (время считывания элемента 25 нс), время переноса заряда в вертикальном направлении около 1,25 мкс. Существуют приборы, позволяющие вести считывание изображения по двум каналам для двухсекционных приборов или по четырем – для односекционных. При указанных временных параметрах ПЗС-матрицы суммарная длительность циклов переноса изображения в секцию хранения и считывания из нее по двум каналам составит 15304,5 мкс, а максимальная длительность цикла интегрирования фототока – 4695,5 мкс.

Рис. 2. Функциональная схема устройства

Функциональная схема устройства компенсации вращения телевизионного изображения приведена на рис. 2, а временная диаграмма его работы – на рис. 3. Запуск цикла интегрирования фототока в ПЗС-матрице осуществляется в начале отображения четного поля предыдущего кадра преобразованного изображения. При суммарной длительности циклов интегрирования фототока, переноса заряда в секцию хранения и считывания из нее изображения, равной 20 мс, кадр исходного изображения успевает записаться в выходной видеобуфер до начала отображения первого поля преобразованного изображения, соответствующего принятому кадру исходного. Задержка между моментами начала интегрирования кадра исходного изображения и начала вывода соответствующего ему кадра преобразованного изображения будет равной длительности поля, т.е. 20 мс.


	Рис. 3. Временная диаграмма работы устройства

С учетом столь высокой скорости считывания сигнала с ПЗС-матрицы часть устройства, расположенного со стороны входного порта видеобуфера, необходимо реализовать на наименьшем числе БИС, причем задержка распространения сигнала от тактового входа до управляющих и информационных выходов не должна превышать 7 нс. Этим требованиям удовлетворяет семейство программируемых логических устройств ХС4000ЕХ архитектуры FPGA производства фирмы Xilinx [3]. Часть устройства со стороны выходного порта видеобуфера также предполагается реализовать на микросхемах FPGA фирмы Xilinx, однако она может быть реализована и на базе отечественных цифровых микросхем БМК, так как быстродействие этой части устройства определяется скоростью выдачи элементов обработанного изображения, что составляет приблизительно 14,77 МГц.

Для применения в составе устройства была выбрана ПЗС-матрица FTT1010-M производства фирмы Philips Semiconductors, технические характеристики которой приведены в [4].

Субмодуль вычисления начальных координат и приращений (ВНКП) предполагается реализовать на процессоре цифровой обработки сигнала (ЦОС). В качестве процессора ЦОС был выбран ADSP-21062 фирмы Analog Devices Inc. Возможно использование устройства другого изготовителя с близким быстродействием и составом периферийных устройств, например семейства TMS320C52xx/62xx.

Для достижения высокой степени совместимости между различными системами проектирования цифровой техники, а также для облегчения перехода на заказные БИС предполагается проект цифровой части устройства, за исключением субмодуля ВНКП, выполнить в виде модели смешанного типа на языке VHDL (Very high speed Hardware Descriptive Language), который является общепринятым стандартом при проектировании цифровой техники. Субмодули, соответствующие нижнему уровню, описываются в виде поведенческой модели. Само устройство представляется в виде структурной модели, объединяющей поведенческие модели составляющих его субмодулей.

Ожидаемые параметры быстродействия проектируемого устройства должны быть не хуже следующих:

диапазон угла поворота.................................................... ±180°;

максимальная скорость изменения угла........................... 90°/с;

cуммарная погрешность по углу.......................... не более ± 3°;

статическая погрешность..................................... не более ± 1°.

На выходе устройства имеется стандартный композитный телевизионный сигнал с чересстрочным разложением изображения и частотой полей 50 Гц. Формат растра – 768´576 элементов (два поля по 288 активных строк в каждом).

Поскольку при проектировании пришлось сократить время интегрирования фототока в ПЗС-матрице приблизительно в 2 раза по сравнению с номинальным, ожидается пропорциональное ухудшение соотношения сигнал/шум. Снижение отношения сигнал/шум ожидается пропорциональным, поскольку основной вклад в это отношение вносит шум считывания, интенсивность которого не зависит от времени интегрирования.

Список литературы

1. Демьянов Э.А., Добровольский П.П., Журавлев П.В. и др. Многоспектральные широкоугольные оптикоэлектронные датчики с динамическим способом формирования поля изображения // Микросистемная техника. 2001. № 7. С. 22-24.

2. Буданцев А.В., Гусаченко А.В., Журавлев П.В. Возможность использования электронного способа компенсации вращения изображения в бортовых телевизионных системах // Микросистемная техника. 2001. № 7. С. 25-28.

3. ХС4000Е and XC4000X Series Field Programmable Gate Arrays. Product specification (Version 1.6). © Xilinx, May 14, 1999.

Наверх