Устройство для определения координат и цвета объекта

 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для применения в системах зрительного очувствления роботов, устройствах определения степени деформации деталей и конструкций, автоматизации исследований в материаловедении. Техническим результатом является повышение точности определения координат объекта и обеспечение возможности определения цвета объекта. Устройство содержит формирователь текущего изображения, маски основного и дополнительного изображений, блок корреляционно-экстремальной обработки информации и механизм смены масок основного и дополнительного эталонных изображений. В него дополнительно введены электрооптический фильтр, блок переключения цвета и блок выделения кадровых и строчных синхроимпульсов. 11 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при создании устройств, предназначенных для выработки зрительной информации робота либо для определения степени деформации поверхности деталей и конструкций. Использование устройства в материаловедении дает возможность автоматизации исследований, что несомненно не только повысит их эффективность, но и позволит освободить часть персонала от напряженной монотонной работы. Определение цвета объекта предоставляет большие возможности материаловедам, в исследованиях которых цвет структурных элементов поверхности материала является одним из основных информативных признаков.

Известно устройство для определения местоположения (координат) объекта, содержащее датчик телевизионного изображения, индикатор текущего изображения, оптический коррелятор, телевизионную передающую трубку, запоминающее устройство, схему сравнения, программный блок, лентопротяжный механизм, эталонное изображение, блок строчно-кадровой развертки, блок контроля, вычислитель координат, счетчик числа кадров, исполнительный механизм, блок фильтров, блок масштабирования, устройство реверсирования, вычислитель перемещений, вычислитель скорости, блок цифровой индикации, видеоусилитель, электронный ключ [1, рис. 5.7, стр. 190].

Недостаток устройства заключается в недостаточной точности определения координат объекта (например, объекта манипулирования (ОМ), находящегося в рабочей зоне робота, или структурных элементов (СЭ) поверхности материала).

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее формирователь текущего изображения, дополнительное эталонное изображение, блок корреляционно-экстремальной обработки информации, механизм протяжки и основное эталонное изображение [2].

Недостаток данного устройства заключается в недостаточной точности определения координат объекта.

Цель изобретения состоит в повышении точности определения координат объекта и обеспечении возможности определения цвета объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее формирователь текущего изображения (ТИ), а также последовательно соединенные дополнительное эталонное изображение (ДЭИ), блок корреляционно-экстремальной обработки информации (БКЭОИ), механизм смены и основное эталонное изображение (ЭИ), выходом подключенное к отдельному входу блока корреляционно-экстремальной обработки информации, причем выход механизма смены соединен также со вторым входом дополнительного эталонного изображения, дополнительно введены электрооптический фильтр, расположенный между оптическим выходом формирователя текущего изображения и оптическим входом дополнительного эталонного изображения, блок переключения цвета, выходом подключенный ко второму входу электрооптического фильтра, и БВКСС, первым входом подключенный к выходу блока корреляционно-экстремальной обработки информации, причем два отдельных выхода блока выделения кадровых и строчных синхроимпульсов (БВКСС) подключены к отдельным входам блока переключения цвета, а второй вход БВКСС подключен к выходу формирователя текущего изображения.

Введение электрооптического фильтра, блока переключения цвета и БВКСС и включение их по указанной схеме позволяют разделять спектр цвета на основные цвета: красный, зеленый, синий и определять кроме координат ОМ такие его цвета, как красный, зеленый, синий, желтый, пурпурный, голубой и белый. Кроме того, использование персонального компьютера, оснащенного интерфейсом для управления параметрами работы устройства, индикации промежуточных и конечных результатов, позволяет значительно упростить управление устройством, повысить наглядность получаемых результатов, расширить диапазон внешних условий, к которым возможна адаптация устройства.

В известных устройствах, решающих задачу оценки координат ОМ на основе использования метода корреляционно-экстремального сравнения ТИ и ЭИ, не используется анализ цвета сравниваемых изображений, т.е. из-за отсутствия электрооптического фильтра, блока переключения цветов и БВКСС, включенных по указанной схеме. Все это не дает возможности определять цвет ОМ либо СЭ поверхности материала. Наличие отличительных признаков, не известных в технических решениях, позволяет сделать заключение о соответствии заявляемого решения условиям изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства. На фиг. 2 представлен вариант использования части устройства - оптического коррелятора Майера-Эпплера. На фиг. 3 изображена оптическая схема одной секции электрооптического фильтра, на фиг. 4 приведен вариант исполнения (структурная электрическая схема) электрооптического фильтра. На фиг. 5 приведен вариант исполнения блока переключения цвета. На фиг. 6 даны эпюры напряжений, вырабатываемых блоком переключения цвета. На фиг. 7 представлены реализации сечений взаимно-корреляционной функции (ВКФ). На фиг. 8 приведен вариант исполнения основной части блока корреляционно-экстремальной обработки информации - анализатора ВКФ. На фиг. 9 приведена блок-схема алгоритма работы анализатора ВКФ. На фиг. 10 приведен вариант исполнения БВКСС. На фиг. 11 представлены эпюры напряжений (видеосигнал и синхроимпульсы).

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, где 1 - формирователь текущего изображения (ФТИ); 2 - электрооптический фильтр (ЭОФ); 3 - маска дополнительного эталонного изображения (ДЭИ); 4 - блок корреляционно-экстремальной обработки информации (БКЭОИ); 5 - механизм смены основного и дополнительного эталонного изображения (МС); 6 - маска основного эталонного изображения (ОЭИ); 7 - блок переключения цвета (БПЦ); 8 - блок выделения кадровых и строчных синхроимпульсов (БВКСС).

Из структурной схемы, приведенной на фиг. 1, следует, что выход ФТИ 1 через последовательно соединенные ЭОФ 2, ДЭИ 3, БКЭОИ 4 подключен к МС 5; выход МС 5 подключен ко второму входу ДЭИ 3 и входу ОЭИ 6, выход которого соединен со вторым входом БКЭОИ 4; отдельный выход БПЦ 7 соединен с отдельным входом ЭОФ 2; два отдельных выхода БВКСС подключены к управляющим выходам БПЦ 7; первый вход БВКСС подсоединен к выходу ФТИ 1; выход БКЭОИ 4 подключен ко второму входу БВКСС, отдельный выход БКЭОИ 4 является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. На экране ФТИ 1 воспроизводится цветное ТИ, которое отображается либо на экране телевизионного монитора, либо на экране цветного монитора, содержащего запоминающую электронно-лучевую трубку (ЗЭЛТ). В качестве формирователя ТИ используется комплект: цветная телевизионная камера и цветной телевизионный монитор (приемник) (см. комплекты [8, стр. 313-315; 9, стр. 5-11, 40-70]).

Таким образом, при формировании ТИ телевизионная камера воспринимает цветное изображение, которое воспроизводится на экране цветного монитора. Следует отметить, что с выхода ФТИ 1 снимаются два сигнала: оптический (т.е. само текущее изображение) и электрический (видеосигнал). Оптический сигнал поступает на ЭОФ 2, а электрический - на БВКСС. Синхронно с формированием изображения на экране ФТИ 1 в ЭОФ 2 включается соответствующее поле (например, красного цвета). Тем самым, формируется фильтр, соответствующий определенной длине волны света (например, красного R цвета). Управляет работой БВКСС БКЭОИ 4, вырабатывающий соответствующий импульс разрешения. Затем в ЭОФ 2 также формируется фильтр синего В и зеленого G цветов. Цветное изображение после прохождения ЭОФ 2 представляет собой монохромное изображение красного R, синего B или зеленого G цветов. Далее изображение, после ЭОФ 2, проходит через ДЭИ 3, осуществляющее фильтрацию помех, присутствующих на ТИ. ДЭИ 3 представляет собой совокупность прозрачных и непрозрачных участков маски. Изображения объекта (или объектов) манипулирования на ней прозрачны, по форме и расположению идентичны ТИ, а границы изображения объектов расширены по сравнению с ТИ на величину допустимой ошибки определения смещений объекта манипулирования в рабочей зоне робота. Монохромное, отфильтрованное от помех ТИ вводится в БКЭОИ 4, куда вводится также ОЭИ 6. ОЭИ 6 представляет собой маску, прозрачные участки которой представляют изображения объекта манипулирования в требуемом эталонном положении. Таким образом, устройство формирует и анализирует последовательно три цветных изображения ВКФ, описываемых следующими выражениями:
где J_R(ζ,η), J_G(ζ,η), J_B(ζ,η) - ВКФ, характеризующие соответственно красный R, зеленый G и синий B цвета сравниваемых изображений;
L'₁(x'₁,y'₁) - функция, описывающая ЭОФ 2;
L₁(x₁⁰,y₁⁰) - функция, описывающая ДЭИ 3;
F₁^R(x₁,y₁), F₁^G(x₁,y₁), F₁^B(x₁,y₁) - соответственно функции, описывающие ТИ красного, зеленого и синего цветов;
F₂^R(x₂,y₂), F₂^G(x₂,y₂), F₂^B(x₂,y₂) - функции, описывающие соответственно ЭИ красного, зеленого и синего цветов ОЭИ 6;
x₁o₁y₁, x'₁o'₁y'₁, x''₁o''₁y''₁, x₂o₂y₂ и ζoη - системы координат, связанные с соответствующими плоскостями;
K - коэффициент пропорциональности;
s - площадь коррелируемых изображений.

На основе анализа выражений (1) оценивается цвет объекта манипулирования либо структурного элемента поверхности материала и его линейные координаты. Цвет ОМ или СЭ поверхности материала определяется на основе реализации известного логического правила [8, стр. 343], из которого следует, что цвет Ц объекта может быть описан следующим цветовым уравнением:
Ц=T₁[r_ij]+T₂[g_ij]+T₃[b_ij],
где T₁, T₂, T₃ - координаты цвета Ц;
r_ij, g_ij, b_ij - единичные количества основных соответствующих цветов R, G, B (их световые потоки, их яркости или создаваемые ими освещенности, принятые за единицу). Цвет ОМ или СЭ определяется путем оценки сочетания цветов, приведенных в таблице [8, стр. 42].

Как видно из таблицы, устройство может определять семь цветов ОМ или СЭ. С этой целью БКЭОИ 4 на основе последовательной фиксации амплитуды ВКФ согласно таблице оценивает результирующий цвет ОМ (например, если за весь цикл работы устройства зафиксирован первый сигнал, то результирующий цвет будет красный, а если зафиксирован второй и третий сигналы, то результирующий цвет будет голубой).

Операции оценки цвета объекта предшествует операция оценки координат объекта. Координаты ζ_i,η_i объекта определяются на основе анализа положения главного максимума ВКФ в корреляционной плоскости. Далее цикл работы устройства продолжается до тех пор, пока не возникнет необходимость (смена рабочей зоны с ОМ или изменение масштаба сравниваемых изображений) смены эталонных изображений ДЭИ 3 и ОЭИ 6 (см. условие (3)). После смены эталонных изображений ДЭИ 3 и ОЭИ 6 цикл работы возобновляется.

На фиг. 2 представлен вариант исполнения части устройства - оптического коррелятора Майера-Эпплера, построенного согласно [1, стр. 54, рис. 2.24].

Коррелятор содержит следующие элементы:
2 - электрооптический фильтр (ЭОФ);
3 - дополнительное эталонное изображение (ДЭИ);
9 - текущее изображение (ТИ);
10 - совпадающая часть (неискаженное) ТИ (СТИ);
11 - несовпадающая часть (помехи) ТИ (НТИ);
12 - изображение ОМ либо СЭ на ДЭИ 3;
13 - эталонное изображение (ЭИ);
14 - изображение ОМ или СЭ на ЭИ 13;
15 - плоскость регистрации ВКФ.

ТИ 9 является элементом ФТИ 1, а ЭИ 12 и плоскость регистрации ВКФ 15 являются элементами БКЭОИ 4. В корреляторе введены системы координат x₁o₁y₁, x'₁o'₁y'₁, x''₁o''₁y''₁, x₂o₂y₂ и ζoη, связанные соответственно с плоскостями ТИ 9, ЭОФ 2, ДЭИ 3, ЭИ 13 и плоскости регистрации ВКФ 15.

Параметры оптического коррелятора связаны следующими соотношениями:

где M - линейный размер ТИ 9 относительно ДЭИ 3 (A, B - линейные размеры ТИ 9 и ДЭИ 3);
t, f - параметры коррелятора;
ΔX₁, ΔY₁, ΔX₂, ΔY₂ - координаты, связанные с ТИ 9 и ДЭИ 3;
Δζ, Δη - координаты главного максимума ВКФ в плоскости регистрации 15 (точка M').

Коррелятор работает следующим образом. Цветное ТИ проектируется на ЭОФ 2, который пропускает к ДЭИ 3 изображение конкретного цвета. С помощью ДЭИ 3 осуществляется фильтрация помех 11, расположенных на ТИ 9. Для этого ДЭИ 3 выполнено в виде [1, стр. 50]:

или

где x₁, y₁ - координаты центра тяжести любого элемента ТИ 9;
x₁⁰, y₁⁰ - координаты центра тяжести совпадающего элемента ТИ 9;
S⁰ - область существования совпадающего элемента;
ΔS⁰ - приращение области S⁰.

Как уже указывалось, ДЭИ 3 представляет собой маску, в которой изображения элементов прозрачны, по форме и расположению идентичны ЭИ 13, а границы элементов изображения на ДЭИ 3 расширены по сравнению с ЭИ 3 на величину

где δ⁰₁ - допустимая ошибка определения координат ОМ;
δ⁰₂ - смещение элементов на границе экрана ТИ 9, имеющего соответствующие размеры растра по горизонтали и вертикали A_р и B_р, при относительном угле ν_d разворота датчика ТИ (например, телекамеры) и конвейера;
δ⁰₁, δ⁰₂, δ⁰₃ определяются в масштабах изображений.

Таким образом, в плоскости регистрации БКЭОИ 4 будет формироваться оптическое изображение ВКФ, описываемое выражением (1).

На фиг. 3 изображена структурная схема одной секции ЭОФ 2 [4]. Секция ЭОФ 2 содержит следующие элементы:
16, 19 - ахроматические нейтральные поляризаторы;
17 - хроматическая фазовая пластина;
18, 20, 22 - электрооптические фазовые пластины (ЭОФП);
21, 23 - хроматические поляризаторы;
24 - изотропный светофильтр.

ЭОФП 18, 20 и 22, выполненные из электрооптической сегнетокерамики, разделены на n независимых секций, причем электроды каждой секции ЭОФП 18 и 22 соединены между собой (фиг. 4), образуя первые входы секций светофильтра 24 [4] . Электроды ЭОФП 20 являются вторыми входами секций светофильтра 24. Первый и второй входы i-ой секции ЭОФ 2 соединены соответственно с n-м и (n-1)-м выходами БПЦ 7.

Для получения цветоделенных R (красного цвета), G (зеленого цвета) и B (синего цвета) оптических сигналов ЭОФ 2 размещен между экраном ФТИ 1 и ДЭИ 3. Каждая из n секций ЭОФ 2 может пропускать красный, зеленый и синий цвет в зависимости от комбинации напряжений, подаваемых на электроды электрооптических элементов секций. В ЭОФ 2 оси пропускания нейтральных поляризаторов 16 и 19 ориентированы параллельно. Ось ориентации молекул полимерной хроматической фазовой пластины 17 ориентирована под углом 45^o к осям нейтральных поляризаторов 16 и 19. ЭОФП 18, 20 и 22, выполненные из электрооптической сегнетокерамики с поперечным электрооптическим эффектом, ориентированы таким образом, что направление управляющего электрического поля составляет 45^o с осями нейтральных поляризаторов 16 и 19. Нейтральные поляризаторы 16 и 19 осуществляют поляризацию неполяризованного света.

ЭОФП 18, 20 и 22 при подаче на их электроды полуволновых управляющих напряжений осуществляют поворот вектора поляризации света на 90^o. Хроматическая фазовая пластина 17, помещенная между параллельными нейтральными поляризаторами 16 и 19, пропускает красный и синий цвет, а при перпендикулярном положении осей нейтральных поляризаторов 16 и 19 пропускает зеленый свет. Хроматический поляризатор 21 при направлении вектора поляризации света, совпадающего с осью наибольшего пропускания, пропускает все спектральные компоненты света, а при перпендикулярном направлении вектора поляризации света пропускает только красный свет. Хроматический поляризатор 23 при направлении вектора поляризации света, совпадающего с осью наибольшего пропускания, пропускает все спектральные компоненты света, а при перпендикулярном направлении вектора поляризации пропускает только синий свет. Изотропный светофильтр 24 подавляет инфракрасную область спектра.

В исходном состоянии, т.е. при отсутствии напряжений, каждая секция ЭОФ 2 пропускает свет в синей области спектра. Для того, чтобы какая-либо секция ЭОФ 2 пропускала красный свет, необходимо подать на электроды соответствующей секции ЭОФП 20 полуволновое напряжение. При подаче полуволновых управляющих напряжений на электроды какой-либо секции ЭОФП 18, 20 и 22 секции ЭОФ 2 пропускают зеленый свет. Для перемещения границы смены цветов ЭОФ 2 вслед за развертывающей строкой растра передающей телевизионной трубки БКЭОИ 4 используется БПЦ 7.

Структурная схема БПЦ 7 приведена на фиг. 5. БПЦ 7 содержит следующие элементы [4]:
25 - делитель частоты на три;
26, 27 - триггеры;
28 - регистр сдвига на два разряда;
29, 30 - регистр сдвига на n разрядов;
31.1-31.n - импульсные усилители;
32.1-32.n - импульсные усилители.

БПЦ 7 работает следующим образом. На входы БПЦ 7 от БВКСС 8 поступают две импульсные последовательности с частотой F (фиг. 6а) и nF (фиг. 6б), где F - частота полей телевизионной развертки, n - число секций ЭОФ 2. Импульсы с частотой полей поступают на вход делителя частоты на три 25, на выходе которого формируется последовательность импульсов с частотой F/3 (фиг. 6в). С выхода делителя частоты на три 25 импульсы поступают на первый вход регистра сдвига на два разряда 28. На второй вход регистра сдвига 28 подаются импульсы от БВКСС с частотой F. На выходах регистра сдвига 28 образуются последовательности импульсов частотой F/3, сдвинутые относительно последовательности импульсов, подаваемых на первый вход регистра сдвига 28, на время T, равное периоду частоты полей, на первом выходе регистра сдвига 28 (фиг. 6г) и на время 2T на втором выходе регистра сдвига 28 (фиг. 6д).

Импульсы с первого и второго выходов регистра сдвига 28 поступают соответственно на первый и второй входы триггера 26, образуя на выходе триггера 26 последовательность импульсов, указанную на фиг. 6е. С выхода делителя частоты на три 25 импульсы поступают на первый вход триггера 27. На второй вход триггера 27 подаются импульсы со второго выхода регистра сдвига 28. На выходе триггера 27 формируется последовательность импульсов, указанная на фиг. 6ж. С выхода триггера 26 импульсы подаются на первый вход регистра сдвига на n разрядов 29, на второй вход которого подаются импульсы от БВКСС с частотой nF (фиг. 6б). На первом выходе регистра сдвига 29 формируется последовательность импульсов, показанная на фиг. 6е. На втором выходе регистра 29 сдвига формируется последовательность импульсов (фиг. 6з), сдвинутая относительно последовательности импульсов на первом выходе регистра сдвига 29 на время t, равное периоду импульсов, поступающих на второй вход регистра сдвига 29. На n-ом выходе регистра сдвига 29 формируется последовательность импульсов (фиг. 6и), сдвинутая относительно последовательности импульсов на первом выходе регистра сдвига 29 на время (n-1)t.

С выхода триггера 27 импульсы подаются на первый вход регистра сдвига на n разрядов 30, на второй вход которого подаются импульсы от БВКСС с частотой nF. На первом выходе регистра сдвига 30 формируется последовательность импульсов, изображенная на фиг. 6ж, на втором выходе регистра сдвига 30 формируется последовательность импульсов (фиг. 6к), сдвинутая относительно последовательности импульсов на первом выходе регистра сдвига 30 на время t. На n-ом выходе регистра сдвига 30 формируется последовательность импульсов (фиг. 6л), сдвинутая относительно последовательности импульсов на первом выходе регистра сдвига 30 на время (n-1)t.

С выходов регистров сдвига 29 и 30 сигналы поступают соответственно на импульсные усилители 31.1-31.n и 32.1-32.n, где осуществляется усиление напряжения импульсов до величины, равной полуволновому напряжению ЭОФП 18, 20 и 22.

С выходов импульсных усилителей 31.1-31.n импульсы подаются соответственно на входы секций 2.1-2.n ЭОФП 18 и 22 электрооптического фильтра 2, а с выходов импульсных усилителей 32.1-32.n импульсы поступают соответственно на входы секций 2.1-2.n ЭОФП 20 электрооптического фильтра 2.

Следовательно, в момент времени t_cn на все секции ЭОФП 18, 20 и 22 напряжения не подаются и все секции электрооптического фильтра 2 остаются синие, то есть пропускают синий цвет. В момент времени t_к1 подают полуволновое напряжение только на секцию 2.1 ЭОФП 20 и секция 2.1 электрооптического фильтра 2 становится красной, а остальные секции (2.n-1) - синими. В момент времени t_к2 полуволновые напряжения поданы на секции 2.1 и 2.2 ЭОФП 20. Следовательно, красными становятся секции 2.1 и 2.2. В момент времени t_кn напряжения подают на все секции 2.n ЭОФП 20 и весь электрооптический фильтр 2 становится красным. В момент времени t_з1 напряжения подают на все секции ЭОФП 20 и на секцию 2.1 ЭОФП 18 и 22 и секция 2.1 электрооптического фильтра 2 становится зеленой, а остальные секции 2.n - красными. В момент времени t_з2 напряжение подают на все секции ЭОФП 20 и на секции 2.1 и 2.2 ЭОФП 18 и 22. Следовательно, зелеными становятся секции 2.1 и 2.2 электрооптического фильтра 2. В момент времени t_зn напряжение подают на все секции ЭОФП 18, 20 и 22, и весь электрооптический фильтр 2 становится зеленым. В момент времени t_с1 напряжение подано на все ЭОФП 18, 20 и 22, кроме секции 2.1, которая становится синей, а остальные секции остаются зелеными и т.д.

На фиг. 7 приведены реализации сечения ВКФ по оси oζ в плоскости регистрации ВКФ. Здесь на фиг. 7а показано сечение ВКФ, формируемое тремя монохромными ТИ и ЭИ. Это соответствует случаю, когда ОМ на ТИ представлен цветным ТИ, окрашенным сложным цветом. На фиг. 7б показано сечение ВКФ, формируемое тремя монохромными ТИ и ЭИ. Это соответствует случаю, когда ТИ представлено двумя цветными ОМ или СЭ (одно красным R цветом и второе голубым (B+G) цветом). Из приведенных реализаций видно, что можно оценивать цвет и координаты одного или нескольких цветных ОМ.

На фиг. 8 приведен вариант исполнения основной части БКЭОИ 4 - анализатора корреляционных функций. Этот анализатор, реализованный согласно [1, стр. 256; 6], содержит следующие элементы:
33 - датчик видеосигналов;
34, 35, 36 - блоки селекции сигналов считывания (БССС);
37 - первый видеоусилитель;
38 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
39 - первый регистр;
40 - блок памяти (БП);
41 - мультиплексор;
42 - второй регистр;
43 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
44 - второй видеоусилитель;
45 - генератор импульсов;
46 - блок формирования адреса (БФА);
47 - формирователь сигналов записи (ФСЗ);
48 - мультиплексор;
49 - формирователь управляющих сигналов (ФУС);
50 - дешифратор;
51 - первый регистр;
52 - второй регистр;
53 - блок связи;
54 - монитор;
55 - ЭВМ;
56, 61 - интерфейс (например, стандартный И2);
57 - аналоговый блок;
58 - информационный вход;
59, 60, 62 - информационные выходы.

Блоки памяти образуют три идентичных канала соответствующего цвета: красного, синего и зеленого, поэтому в дальнейшем рассмотрим работу только одного из них.

Анализатор работает следующим образом. Видеосигнал с выхода датчика 33 поступает на видеоусилитель 37 и после усиления и оцифровывания с помощью АЦП 38 поступает на вход регистра 39, куда заносится импульсами с выхода генератора 45. Запись кадра изображения в БП 40 осуществляется по команде, поступающей от ЭВМ 55 через блок связи 53. Дешифратор 50 расшифровывает эту команду и выдает сигнал на регистр состояний 52, который ожидает после этого прихода кадрового синхроимпульса, после чего выдает сигнал управления на ФСЗ 47 и регистр 39 блока 34. По этому сигналу регистр 39 преобразовывает последовательную информацию, идущую с АЦП 38, в параллельную, после чего по сигналу записи с ФСЗ 47 осуществляется запись кода в БП 40. В процессе преобразования ФУС 49 подает на БП 40 сигналы, необходимые для выбора адреса при записи, а БФА 46 через мультиплексор 48 осуществляет последовательную коммутацию разрядов на адресные входы. При этом совместная работа регистра 39 и БФА 46 синхронизируется генератором импульсов 45.

С окончанием полукадра (с приходом следующего кадрового синхроимпульса на регистр 52) регистр 52 снимает разрешающий сигнал с регистра 39 и ФСЗ 47 и устройство переходит в режим контроля.

В режиме контроля информация считывается из БП 40 параллельным кодом, преобразуется с помощью регистра 42 в последовательную и подается на ЦАП 43, на выходе которого появляется соответствующий уровень напряжения, который усиливается видеоусилителем 44 и через выход 59 подается на монитор 54.

При считывании данных из БП 40 на выход устройства дешифратор 50 выдает сигналы на ФУС 49 и блок связи 53. По этому сигналу ФУС 49 после окончания очередного цикла обращения к БП 40 устанавливает команду на мультиплексор 48, по которой на адресные входы БП 40 подается адрес, предварительно записанный в регистр 51.

Затем формируются сигналы управления БП 40 - точно так же, как и в режиме контроля. В результате этого данные, считанные из этого БП 40, через мультиплексор 41 поступают на выход 60 и далее на блок 53. Мультиплексор 41 выбирает в зависимости от двух младших разрядов адреса соответствующую группу микросхем блока памяти 40.

С появлением сигнала на выходе БП 40 ФУС 49 выдает сигнал на дешифратор 50, который вырабатывает сигнал приема информации, по которому ЭВМ 55 приступает к приему информации. Одновременно с этим снимается сигнал, по которому к БП 40 подключается регистр 51 через мультиплексор 48, и анализатор корреляционных функций переходит в режим контроля.

При записи данных в БП 40 и ЭВМ 55 работа устройства аналогична считыванию, за исключением того, что дешифратор 50 выдает сигнал на блок связи 53, подключающий выход мультиплексора 41 к шине ЭВМ 55. Кроме того, дешифратор 50 выдает сигнал на ФСЗ 47, по которому на выбранную двумя младшими разрядами адреса столбцов, поступающими на ФСЗ 47, группу микросхем выдается сигнал записи.

Данные в БП 40 поступают из блока связи 53 через регистр 39. Адрес в регистр 51 заносится предварительно из канала ЭВМ 55.

Таким образом, анализатор корреляционных функций позволяет считывать цветное изображение ВКФ, записывать из ЭВМ цветное изображение ВКФ в память и осуществлять контроль записанной в блок памяти информации на экране цветного монитора. Отметим здесь, что считываемое изображение может представлять собой изображение размером 256 x 256 элементов, содержащее 16 градаций яркости.

После этого ЭВМ 55 (например, "Электроника-60" либо IBM PC XT, AT) начинает анализировать цветные ВКФ. В результате определяются цвет и координаты объектов, находящихся в рабочей зоне робота. При анализе ВКФ могут исследоваться амплитуда, ширина, крутизна (или только амплитуда) и положение главного максимума ВКФ в плоскости ее регистрации 15 [1, 3].

После окончания анализа ВКФ с помощью ЭВМ определяется необходимость смены кадра ЭИ путем анализа выражения
Δζ_з-Δζ_i≅ 0, (3)
где Δζ_з, Δζ_i - соответственно заданные и текущие значения координат главного максимума ВКФ в плоскости ее регистрации. Если выражение (3) не выполняется (т.е. Δζ_з> Δζ_i), то через интерфейс 56 передается сигнал на аналоговый блок 57, преобразующий цифровой сигнал в аналоговый. Интерфейс представляет собой устройство И2 [7]. Блок 57 содержит ЦАП (микросхема 1118ПА1, включенная по стандартной схеме). Через интерфейс 61 поступает информация о цвете и координатах.

Обобщенный алгоритм работы устройства приведен на фиг. 9:
63 - начало;
64 - формирование разрешающего сигнала;
65 - ввод изображения ВКФ;
66 - вычисление координат;
67 - бинаризация (определение коэффициентов r_ij, g_ij, b_ij);
68 - запоминание в ОЗУ эталонных коэффициентов r_ij^э, g_ij^э, b_ij^э;
69 - определение цвета;
70 - проверка условия (3): Δζ_з-Δζ_i≅ 0;
71 - запись в ОЗУ заданного значения Δζ_з;
72 - формирование команд смены кадров ОЭИ и ДЭИ;
73 - вывод результата;
74 - конец.

После выполнения команды "Начало", проводящей описание регистров (блок 63), производится подача разрешающего сигнала (блок 64) БВКСС и ввод изображения ВКФ в БП 40 анализатора ВКФ (блок 65), представленного на фиг. 8. Вводимое изображение ВКФ может отображаться (выводиться) на мониторе (видеоконтрольном устройстве).

Введенное изображение представляет собой совокупность массивов (блок 68) R, G, B, элементы которых характеризуют уровни красного, зеленого и синего цветов соответственно для каждого элемента z_ij массива z. После введения этих трех изображений согласно (1) определяются координаты Δζ_i,Δη_i наибольшего значения ВКФ (блок 66). Хотя координаты Δζ_i,Δη_i могут определяться для каждого цветового поля, но в данной программе, с целью упрощения, координаты Δζ_i,Δη_i/ оцениваются только по массиву R (красной компоненте). Такое допущение всегда правомерно, если объект манипулирования имеет простую цветовую окраску (например, объект желтого или пурпурного цвета). После введения этих трех изображений запоминаются и определяются уровни (амплитуды) r_ij, g_ij, b_ij (блок 67) изображений. Запомненные коэффициенты r_ij, g_ij, b_ij сравниваются (блок 69) с эталонными (табличными) r_ij^э, g_ij^э, b_ij^э (блок 68). После этого принимается решение (например, при максимальном совпадении вычисленных и эталонных коэффициентов (см. таблицу)) о цвете изображения ВКФ и, следовательно, цвете объекта, находящегося в рабочей зоне.

С помощью блока 70 производится проверка условия (3) путем сравнения запомненного значения Δζ_з (блок 71) и текущего значения Δζ_i. На основе этого анализа принимается решение (блок 72) о смене кадров ОЭИ 6 и ДЭИ 3. При смене этих кадров цикл работы останавливается и затем снова возобновляется с начала. После осуществления операции вывода результата (блок 73) работа программы заканчивается (блок 74).

Листинг (текст) основной части программы, реализующей описанный алгоритм работы анализа ВКФ, приведен ниже. Программа работы БКЭОИ 4 написана на языке Си. Кратко поясним работу программы. Программа начинается с описания регистров (внешних устройств) анализатора корреляционых функций и подачи разрешающего сигнала на блок управления. Затем осуществляется ввод составляющих кадра изображения ВКФ. После этого производится определение координат точек максимальной яркости и проведение операции бинаризации. В случае необходимости производится смена эталонного изображения с остановкой цикла работы устройства.

#include<dos.h>
#include<conio.h>
#include<stdio.h>
/*описание регистров анализатора корреляционных функций*/
#define RSB 164000
#define RST 164002
#define RS 164004
#define RDR 164012
#define RDG 164014
#define RDB 164016
#define RC 167700
void main(void)
{
int i,j,k,r_max=0,ksi,nu,i_cont,j_cont;
int i_kor,j_kor,r,g,b,colour;
char red,green,blue;
char pr,pg,pb;
/*подача разрешающего сигнала на блок управления*/
BEG: outportb(RC,1);
/*ввод составляющих кадра изображения ВКФ*/
STR: outportb(RS,9);
outportb(RS,10);
outportb(RS,11);
/*определение координат точек максимальной яркости*/
for (i=0; i<=255; i++){
for (j=0; j<=255; j++){
outportb(RSB,i);
outportb(RST,j);
k=inportb(RDR);
if (k>r_max){
r_max=b;
i_kor=i;
j_kor=j;
}
}
}
/* "бинаризация" */
pr=7;pg=4;pb=9;
for (i=0; i<=255; i++){
for (j=0; j<=255; j++){
outportb(RSB,i);
outportb(RST,j);
r=inportb(RDR);
g=inportb(RDG);
b=inportb(RDB);
if (r>pr) outport(RDR,15);
else outport(RDR,0);
if (g>pg) outport(RDG,15);
else outport(RDG,0);
if (b>pb) outport(RDB,15);
else outport(RDB,0);
}
}
/*цвет точки максимальной интенсивности*/
outportb(RSB,i_kor);
outportb(RST,j_kor);
if ((r=inportb(RDR))==15) red=100;
else red=0;
if ((g=inportb(RDG))==15) green=10;
else green=0;
if ((b=inportb(RDG))==15) blue=1;
else blue=0;
colour=red+green+blue;
switch(colour) {
case 111: printf("белый"); break;
case 110: printf("желтый"); break;
case 11: printf("голубой"); break;
case 10: printf("зеленый"); break;
case 101: printf("пурпурный"); break;
case 100: printf("красный"); break;
case 1: printf("синий"); break;
case 0: printf("черный"); break;
}
/*повторный ввод*/
i_cont=100;
j_cont=100;
if (i_cont<=i_kor) {ksi=i_kor; goto STR;}
if(j_cont<=j_kor) {nu=j_kor; goto STR;}
goto CNG;
/*смена эталона*/
CNG: printf ("координата строки=%d, столбца=%d", ksi, nu);
outportb(RC,2);
goto BEG;
}
На фиг. 10 приведена электрическая схема БВКСС. На вход БВКСС 8 поступает видеосигнал с телекамеры ФТИ 1. БВКСС вырабатывает две импульсные последовательности с частотой F и nF, где F - частота полей телевизионной развертки, n - число, определяемое количеством строк телекамеры. Эти сигналы необходимы для работы БПЦ 7. БВКСС выделяет из видеосигнала (фиг. 11а) кадровые (фиг. 11б) и строчные (фиг. 11в) синхронизирующие импульсы. На фиг. 11 использованы следующие обозначения: U - напряжение; t - время. Эти синхроимпульсы поступают на микросхему 75 (155ЛИ1); кадровые и строчные импульсы поступают на соответствующие входы БПЦ 7. БВКСС построен на микросхеме 76 (174ХА11), которая используется в стандартном включении.

МС 5 реализован и функционирует аналогично описанному в [10].

По сравнению с известным предлагаемое устройство имеет более высокие точностные характеристики. Покажем это. Пусть, например, ставится задача сортировки по цвету ОМ, поступающих в рабочую зону. Причем ОМ могут быть семи цветов (см. таблицу). Если ОМ имеют одинаковую форму, но разный цвет, то вероятность P правильного распознавания цвета определяется известным выражением:

где N₁ - число правильных ответов (правильного распознавания);
N₂ - общее число испытаний (общее число объектов манипулирования).

Тогда для известного устройства вероятность правильного распознавания будет

а для предлагаемого вероятность правильного распознавания будет

Отметим здесь, что величина P₁ для известного устройства соответствует единичному случаю правильного распознавания, когда ОМ представлен объектом белого цвета.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает в 7 раз лучшими точностными характеристиками по сравнению с известным устройством.

Литература
1. Кориков А. М. , Сырямкин В.И., Титов B.C. Корреляционные зрительные системы роботов. - Томск: Радио и связь, Томск. отд-ние, 1990. - 264 с.

2. А. с. N 532283, М.Кл.² G 01 C 21/14, G 01 S 7/22. Устройство для определения координат объекта // Ангелов М.П., Карпов А.Г., Катышев В.А. и др. Заявл. 23.06.75, заявка N 2147734/23 (прототип).

3. Корреляционно-экстремальные видеосенсорные системы для роботов // Андреев Ю. А., Белоглазов Н.Н., Кориков А.М., Сырямкин В.И., Тарасенко В.П. - Томск: Изд-во Томск. ун-та. - 240 с.

4. А.с. N 1249718, М.Кл. H 04 N 5/225. Однотрубочная камера цветного телевидения // Цаплин М.Н., Дадешидзе В.В., Помберг М.Г., Соколов В.А. и др. Опубл. 07.08.86, Бюл. N 29.

5. А. с. N 1352668, М.Кл.⁴ H 04 N 9/09. Цветная телевизионная камера // Уханов С.П., Однолько В.В. Опубл. 15.11.87, Бюл. N 42.

6. Устройство для считывания и отображения изображений объектов // Нечунаев П. И. , Сырямкин В. И. , Титов В.С. и др. Заявка N 4615286/24-24 (150511), заявл. 25.10.88, М.Кл.⁴ G 06 K 9/00, 11/00. Положительное решение от 18.04.89.

7. Захаров И. В. Техническое обслуживание и эксплуатация микроЭВМ "Электроника-60М". - М.: Машиностроение, 1989. - 192 с. (стр. 75).

8. Крыжановский В.Д., Костыков Ю.В. Телевидение цветное и черно-белое. - М.: Связь, 1980. - 336 с.

9. Однолько В.В., Ожигин А.Ф., Харитонов Ю.А. Портативные камеры цветного телевидения. - М.: Радио и связь, 1984. - 104 с.

10. А.с. N 1823773, М.Кл. H 04 N 7/18. Устройство для определения координат объекта // Ангелов М.П., Кондычеков Г.Б., Кориков А.М. и др. Заявл. 30.07.90, заявка N 4855747/09.

Формула изобретения

Устройство для определения координат и цвета объекта, содержащее формирователь текущего изображения, а также последовательно соединенные маску дополнительного эталонного изображения, блок корреляционно-экстремальной обработки информации, механизм смены масок основного и дополнительного эталонных изображений и маску основного эталонного изображения, выходом подключенную к отдельному входу блока корреляционно-экстремальной обработки информации, причем выход механизма смены масок основного и дополнительного эталонных изображений соединен также со вторым входом маски дополнительного эталонного изображения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены электрооптический фильтр, подключенный между оптическим выходом формирователя текущего изображения и оптическим входом маски дополнительного эталонного изображения, блок переключения цвета, выходом подключенный ко второму входу электрооптического фильтра, и блок выделения кадровых и строчных синхроимпульсов, первым входом подключенный к выходу блока корреляционно-экстремальной обработки информации, причем два отдельных выхода блока выделения кадровых и строчных синхроимпульсов подключены к отдельным входам блока переключения цвета, а второй вход блока выделения кадровых и строчных синхроимпульсов подключен к выходу формирователя текущего изображения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12