автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.15, диссертация на тему:Методы и средства организации программно-аппаратных комплексов для управления формированием изображений движущимися источниками света

Торчигин Александр Владимирович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОРГАНИЗАЦИИ ПРОГРАММНО-

АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЕМ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДВИЖУЩИМИСЯ ИСТОЧНИКАМИ СВЕТА

Специальность 05.13.15 - Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Москва-2011

4845505

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт проблем информатики РАН (ИПИ РАН)

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор

Шоргин Сергей Яковлевич

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук,

профессор Михайлюк Михаил Васильевич

- кандидат технических наук Янкевич Евгений Александрович

Ведущая организация Учреяедение Российской академии наук.

Межведомственный суперкомпыотерный центр РАН

Защита состоится «25" » /ЯЬ^Х 2011 года в часов на заседании диссертационного совета Д002.073.01 при Учреждении Российской академии наук Институте проблем информатики РАН (ИПИ РАН) по адресу 119333, Москва, ул. Вавилова, д. 44, кор.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПИ РАН

Автореферат разослан «_££_» в-^ЧНУд. 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.Н. Гринченко

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Встраивание вычислительной техники в устройства отображения информации начинается в семидесятых годах прошлого века, когда развитие средств вычислительной техники дошло до такого уровня, что появилась возможность встраивать их не только в крупные народнохозяйственные и оборонные объекты, но и в приборы, используемые самой вычислительной техникой. Это привело к появлению дисплеев (мониторов). В настоящее время встраиваемые системы получили широкое распространение, начиная от электронных часов и детских игрушек и кончая атомными станциями и ракетными комплексами. В исследования и разработку встроенных систем большой вклад внесли отечественные ученые С.А. Лебедев, B.C. Бурцев, Б.А. Бабаян, В.А. Мельников, В.П. Иванников, Ю.И. Митропольский, Я.А. Хетагуров, Б.В. Бункин и др. Разработанные ими встроенные системы на основе существующих в то время аппаратных средств полностью решали поставленные задачи и обеспечивали надежное функционирование средств противоздушной и противоракетной обороны, работу бортовых систем, управление космическими полетами и. т. п.

Наиболее сложным узлом монитора являются программно-аппаратные средства, которые обеспечивают отображение на экране электронно-лучевой трубки информации, хранящейся в памяти ЭВМ1. В отечественной литературе эти средства обычно называют контроллером монитора. По мере развития технологии изготовления электронных схем постепенно улучшались параметры контроллера монитора, такие как производительность, потребляемая мощность, габариты. Это способствовало повышению разрешающей способности и других параметров самого монитора2. На определенном этапе появилась возможность индивидуально управлять миллионами пикселов, что привело к появлению ЖК мониторов3. Улучшение параметров контроллера монитора способствовало постепенному повышению качества изображения ЖК-мониторов, начиная со стандарта CGA (320x240 пикселов) до современного стандарта QSXGA (2560x2048 пикселов).

1 P. Norton, Inside the PC, Seventh Edition, Sams Publishing, Indianapolis, 1997.

2 О. Колесниченко, И. Шишигин Аппаратные средства PC, БВХ-Петербург, 2002.

3 Современные мониторы: ЖК модели с диагоналями 15-19". Под ред. H.A. Тюнина, A.B. Родина, Солон-Пресс, 2007.

В настоящее время возможности электроники по производительности уже превосходят требования со стороны ЖК мониторов. Например, используемые в современных смартфонах и планшетных компьютерах процессоры с частотой тактирования 1 ГГц превосходят по своим параметрам процессоры, используемые в суперкомпьютерах десятилетней давности4. Массовое внедрение в светотехнику новых источников света в виде светодиодов5,6 открывает потенциальные возможности для создания новых устройств отображения. При этом возросшие возможности электроники позволяют возложить на нее основную нагрузку по формированию изображений. Поэтому исследование программно-аппаратных комплексов, управляющих устройствами, формирующими новые типы изображений, является актуальной задачей. Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются программно-аппаратные комплексы, используемые в новых устройствах отображения информации подвижными источниками света на основе светодиодов. Предметом исследования являются алгоритмы работы, структура и состав программно-аппаратных комплексов. Цель работы и задачи исследования

Анализ, обоснование, исследование и разработка программно аппаратных комплексов для управления формированием изображений движущимися источниками света. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научные задачи.

Анализ и обоснование состава и структуры программно-аппаратных средств, обеспечивающих формирование изображений при произвольных законах движения точечных источников света.

Исследование и разработка программной модели, обеспечивающей исследование характеристик новых устройств отображения и получение сценариев изменения яркости точечных источников света.

Анализ и разработка программно-аппаратных средств для реализации полученных сценариев.

Анализ возможностей модификации существующих программно-аппаратных средств для реализации полученных сценариев.

4 Планшеты: возможности выбора, CHIP, N93,2011, с.46,

5 Ю. Петропавловский, Инновационные технологии расширяют области применения светодиодов. Современная электроника, №2, 2011, с.14.

6 И. Сыроваткин, Мощные светодиоды фирмы High Power Lighting, Современная электроника, NsS, 2009, с.8.

Методы исследования

В процессе теоретических и экспериментальных исследований использовались аналитические и численные методы математического моделирования, методы линейной алгебры, методы структурного программирования и программного моделирования на ЭВМ, методы математической обработки результатов измерений. Научная новизна

Научная новизна состоит в разработке принципов, подходов, методов применения программно-аппаратных комплексов в новой прикладной области, где к таким комплексам предъявляются новые требования: эти комплексы должны решать задачу управления формированием изображений путем модуляции яркости множества источников света, движущихся по произвольным наперед заданным законам. Достоверность полученных результатов

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и практических результатов подтверждается корректным выбором и применением математического аппарата, адекватным использованием методов математического моделирования, линейной алгебры, структурного программирования и программного моделирования, результатами натурного моделирования программно-аппаратных комплексов. Личный вклад

Результаты диссертации получены соискателем самостоятельно. Лично диссертантом разработана программная модель обобщенного устройства отображения информации, разработаны, спроектированы и испытаны макеты устройств, подтверждающие достоверность теоретических положений, внедрены программные средства для создания сценариев в различных организациях. Диссертант является единственным автором 10 печатных работ и трех патентов. Практическая значимость

Результаты исследований могут найти применение в будущих мониторах и телевизорах, обеспечивающих формирование крупноформатных изображений с высоким разрешением, в мобильных телефонах, в проекторах, формирующих яркие изображения на широкоформатных экранах.

Результаты диссертационной работы в виде различных реализаций программно-аппаратных комплексов для управления формированием изображений движущимися источниками света внедрены в нескольких

организациях: Мурманский морской порт, музей космонавтики на ВВЦ, телекомпания 4+,торговый центр VEGAS. Апробация работы

Результаты исследований, включенных в диссертацию, докладывались на следующих научных мероприятиях:

10-я Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение» 26-28 марта 2008 г., Москва, Россия.

XXXV международная конференция, VI Международная конференция молодых ученых «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации й бизнесе» IT+S@E'08, Майская сессия, Украина, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая 2008 года.

31-я конференция молодых ученых и специалистов Институт проблем передачи информации им. A.A. Харкевича РАН ИТиС'08 29 сентября - 3 октября 2008 г., г. Геленджик. Сборник трудов ISBN 978-5901158-08-01, с. 482-487.

V Всероссийская школа-семинар молодых ученых «Управление большими системами» 21-24 октября 2008 г., г. Липецк. Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе имеются 4 публикации в научных журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК, и одна монография. Основные результаты защищены 5 патентами. Выносимые на защиту положения:

Методы и средства организации программно-аппаратных комплексов для устройств отображения информации, обеспечивающих формирование изображений с помощью произвольного количества точечных источников света, движущихся по произвольным наперед заданным законам.

Алгоритмы создания сценариев, описывающих изменение во времени яркости движущихся точечных источников света для конкретных применений на основе алгоритма создания сценариев для обобщенной модели движения точечных источников света.

Архитектура и алгоритмы функционирования программно-аппаратных средств, позволяющих экспериментально определять законы движения источников света.

Анализ возможностей использования существующих современных программно-аппаратных средств для формирования и реализации различных конкретных сценариев. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, насчитывающего 75 наименований, содержит 118 страниц, 59 рисунков и фотографий.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задача исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе, озаглавленной Особенности предметной области по отображению информации подвижными источниками света, рассматриваются особенности новой прикладной области, в которой предполагается применение исследуемых ВС. Эта область ориентирована на использование новых источников света, в частности, светодиодов.

Показано, что среди многочисленных достоинств светодиодов имеется одно, которое позволяет использовать их в устройствах отображения движущимися источниками света. Светодиоды могут модулироваться по яркости с весьма высокой частотой вплоть до нескольких сотен мегагерц. Это позволяет использовать их в устройствах отображения движущимися источниками света (ДИС). ДИС обладают одним принципиальным преимуществом перед неподвижными источниками. С помощью одного ДИС может быть сформирован не один, а сотни пикселов, что приводит к соответствующему уменьшению количества требуемых источников.

В процессе исследований, кроме ДИС в виде движущихся светодиодов, были обнаружены еще два новых типа ДИС. Это мнимые изображения светодиодов в колеблющемся зеркале и действительные изображения светодиодов на экране в том случае, если объектив проектора периодически изменяет свое положение относительно проецируемых светодиодов. В последних двух случаях светодиоды являются неподвижными. Использование указанных новых типов ДИС для формирования изображений является оригинальным. Об этом свидетельствуют патенты, полученные на эти способы.

В любом из трех типов ДИС изменение яркости пиксела осуществляется путем изменения яркости соответствующего светодиода. Поэтому разрабатываемые программно- аппаратные комплексы ориентированы на работу со всеми тремя типами ДИС.

Рис. 1 Примеры траекторий движения ДИС

На рисунке 1 показаны примеры различных траекторий ДИС. Это -траектории самих светодиодов при их перемещении по цилиндрической поверхности (а), по концентрическим окружностям (б) или дугам (в), по циклоидам (г); траектории изображений светодиодов (д), проецируемых на экран через подвижные объективы; траектории мнимых изображений светодиодов, наблюдаемых во вращающемся зеркале (е), (ж). Как видно, траектории не являются прямыми линиями, в некоторых случаях они могут пересекаться. В общем случае траектории могут лежать не в одной плоскости, а занимать некоторую область трехмерного пространства. В диссертации показано, что требование к прямолинейному и равномерному движению ДИС, которое существовало для электронно-лучевых трубок, при современном уровне развития вычислительной техники является излишним.

С целью разработать программно-аппаратные комплексы для общего случая в диссертации введено представление об обобщенном устройстве отображения. Это устройство можно представить в виде роя ДИС в некоторой замкнутой области пространства, движущихся по известным законам, заданным в параметрической форме х,(г), у,(0> -¡(')> (/=1, 2, 3, ...АО, М-количество ДИС. Если все ДИС включены, то они засвечивают некоторую область, возможно неравномерно. Справедливо

утверждение, что в этой области можно сформировать любое изображение, если яркость каждого ДИС изменять во времени соответствующим образом. Задача программно-аппаратного комплекса - реализовать необходимое изменение во времени яркости каждого ДИС.

Задача по формированию двумерных изображений является частным случаем сформулированной выше, а задача, решаемая всеми существующими ВС, обеспечивающими формирование изображений с помощью неподвижных источников света, у которых скорость равна нулю, является еще более частным случаем.

Программно-аппаратный комплекс для управления формированием изображений должен выполнять гораздо более сложные функции, так как каждый ДИС участвует в формировании нескольких пикселов, а каждый пиксел может формироваться несколькими ДИС Подобные задачи не ставились и не решались ранее, так как отсутствовали средства для реализации множества ДИС в виде ярких многоцветных светодиодов. Кроме того, отсутствовали недорогие и малогабаритные, но при этом высокопроизводительные аппаратные средства, обеспечивающие управление яркостью тысяч светодиодов.

Во второй главе, озаглавленной Программно-аппаратные средства в современных устройствах отображения информации, выполнен анализ текущего состояния программно-аппаратных средств в существующих устройствах отображения информации. Развитие этих средств привело к появлению современных мониторов и оказало решающее влияние на современную вычислительную технику, которую нельзя себе представить без привычных экранов с достаточно высокой разрешающей способностью. Изображение создается на прямоугольном экране, который представляет собой матрицу пикселов. Информация об изображении в памяти ВС также представлена в виде управляющей матрицы того же размера. Элемент матрицы описывает палитру и яркость соответствующего пиксела. Так как между элементами этих матрицам имеется взаимно однозначное соответствие, функции ВС максимально упрощены. В каждом кадре необходимо обеспечить свечение пиксела в соответствии с элементом в управляющей матрице.

Анализ программно-аппаратных средств в существующих устройствах отображения показал, что эти средства состоят из двух принципиально разных частей. Это программно-аппаратные средства в

виде контроллера, выдающего управляющие сигналы в матрицу ЖК пикселов, и аппаратные средства, обеспечивающие изменение яркости пикселов в соответствии с управляющими сигналами, поступающими из контроллера. В зависимости от количества пикселов в матрице, связь между контроллером и матрицей может осуществляться самыми различными способами. При этом с целью уменьшения количества проводников используется временное мультиплексирование, при котором по меньшему количеству проводников передаются управляющие сигналы с увеличенной частотой следования.

В третьей главе, озаглавленной Программная модель обобщенного устройства отображения информации движущимися источниками света, содержится описание разработанной автором программной модели обобщенного устройства отображения. Модель позволяет изучать свойства формируемых изображений. Однако основной ее задачей является создание сценариев, то есть законов изменения яркости каждого ДИС в реальном времени при формировании заданного изображения. Не имея сценариев, невозможно сформировать изображение. Таким образом, программная модель является одной из основных компонент программно-аппаратных средств. Конкретизация следующей информации позволяет свести модель абстрактного обобщенного устройства отображения к модели реального устройства.

Количество М ДИС, участвующих в формировании изображения .

Количество N временных интервалов, в каждом из которых яркость ДИС постоянна. Это количество определяет количество пикселов, формируемых одним ДИС. Чем больше И, тем выше разрешение изображения, но тем больше аппаратных средств требуется для реализации.

Закон движения во времени и пространстве для каждого ДИС.

В диссертации разработан следующий алгоритм формирования сценариев для обобщенной модели.

Сначала определяются параметры устройства отображения, независимые от формируемого изображения. С этой целью

1. Определяются форма и размеры максимальной области, в которой может быть сформировано изображение.

2. Накладывается прямоугольная сетка размером \VxI1 на эту область и определяются координаты каждого пиксела {Яу, { ¿-1..И7,

j=i..H], где Pij, - номер пиксела, х^у^ его координаты, IV- количество пикселов в строке, Я - количество строк.

3. В соответствии с заданными законами движения ДИС вычисляются координаты каждого ДИС {Дк, Г„ jc,j, } {А=1..Л/, h=I../V} в каждом временном интервале, где А. - номер ДИС, Тп -номер временного интервала, x-ti, уп,- координаты ДИС в этом временном интервале.

4. Из (2) (3) определяются для каждого пиксела Рц те ДИС Da, которые его «посещают» в некотором временном интервале 7р. В результате создается множество {P^Da, {а=0|1|2..,/?=0|1|2..}.

Полученная информация не зависит от формируемого изображения и создается один раз для выбранного формата изображения и конкретного устройства.

Далее в матрицу В размером WxH загружается информация об изображении из файла типа BMP. Размерность матрицы В совпадает с размерностью формируемого изображения. Элементом матрицы является 32-разрядное целое, в котором в трех байтах содержится информация о яркости красного, зеленого и синего цветов соответствующего пиксела. После этого сценарии для изменения яркости красных, зеленых и синих ДИС формируются следующим образом.

1. Выделяются из матрицы В байты для красного цвета Щ {i=l..W, j-l-H}-

2. Сопоставляя Щ с множеством fPjj, Da, 7р}, определяется, какие ДИС, в каких временных интервалах и на какое время требуется включить, чтобы обеспечить требуемую яркость R¡j пиксела Рч. В результате создается множество {Рц, Da, Тр, ур} {/? =0, 1, ..Л}, где корректирующий множитель 0<=ур <=1 определяет долю временного интервала, в которой должен быть включен ДИС.

3. Выбираются из полученного множества (2) элементы, у которых номер ДИС а=1. В результате имеем для этого ДИС множество {Гр, Yp}.

4. Упорядочивая множество (3) по Ц, получаем сценарий {у^} {к= 1.. N} для D\, где ук определяет яркость D{nk- ом временном интервале.

5. Повторяются шаги (3), (4) с целью получения сценария для ДИС с номером а=2 и т.д.

6. Повторяются шаги (1) - (5) для зеленых ДИС.

7. Повторяются шаги (1) - (5) для синих ДИС.

Таким образом, сценарий для ДИС представляет собой последовательность из N байтов, задающих яркость ДИС в N временных интервалах. Прикладная программа, реализующая этот алгоритм, написана в среде программирования DELPHI и выполняется на обычном ПК. В эту программу заложены около 20 различных наиболее распространенных законов движения ДИС.

В формировании изображения могут участвовать тысячи ДИС. В диссертации исследованы возможные способы уменьшения трудоемкости при заполнении информации о законах движения ДИС. Предложены программно-аппаратные средства, которые позволяют экспериментально в автоматическом режиме получать законы фактического движения ДИС при проецировании изображений светодиодов на экран 1 проекторами 2 (рис.2). Здесь кажцый из проекторов 2 имеет свой контроллер 3. Контроллеры управляются персональным компьютером 5. В программную модель введены средства, позволяющие пользователю создавать для любого ДИС любой сценарий. Используя эту возможность, последовательно в каждом временном интервале включается поочередно каждый светодиод, изображение которого на экране фиксируется видеокамерой 4 и передается в ПК на последующую обработку. В результате в ПК накапливается информация о положении каждого ДИС в каждом

Рис.2. Схема формирования на экране одного изображения многими проекторами. 1 - экран, 2 - элементарный проею-ор, контроллер элементарного проектора, 4 - цифровой фотоаппарат или видеокамера, 5- персональный компьютер

временном интервале. Введение видеокамеры позволило избавиться от кропотливой работы, связанной с заданием законов движения каждого ДИС, что позволило расширить круг применений. Разработанный подход не имеет мировых аналогов, о чем свидетельствует патент РФ на устройство отображения с такой ВС.

Четвертая глава, озаглавленная Аппаратные и программные средства для модуляции яркости светодиодов по заданному сценарию, посвящена исследованию и разработке программно-аппаратных комплексов, предназначенных для реализации подготовленных сценариев. Показано, что процесс реализации сценариев легко распараллеливается. Максимальная степень параллелизма достигается в том случае, когда сценарий для каждого ДИС реализует отдельный микроконтроллер.

В диссертации представлена методика определения количества сценариев, которые могут быть реализованы микроконтроллером с заданными параметрами по частоте тактирования, количеству портов ввода-вывода и скорости работы этих портов. Показано, что для решения поставленной задачи в наибольшей степени подходит архитектура масштабируемой ВС, в которой количество микроконтроллеров может изменяться в зависимости от их производительности и количества используемых ДИС. Обосновано положение о том, что другим важным свойством ВС должна быть ее модульность, которая позволяет осуществлять простой переход от одного типа ДИС к другому путем замены только тех модулей, которые определяются типом ДИС. Например, это свойство позволяет использовать одну и ту же ВС для управления светодиодами, различающимися по мощности, взаимному расположению на плате, габаритам, направленности излучения и т. п.

Архитектура универсальной масштабируемой модульной ВС, отвечающей этим требованиям, приведена на рис.3. Полученные сценарии загружаются из ПК в память главного микроконтроллера. Он рассылает в флеш-память вспомогательных микроконтроллеров, сценарии для ДИС, которые находятся под управлением этих микроконтроллеров.

С целью экспериментальной проверки теоретических положений диссертантом разработаны типовые платы для главного и вспомогательных микроконтроллеров. В зависимости от специфики применения возможен выбор платы с соответствующим

Рис. 3 Структура универсального масштабируемого программно-аппаратного комплекса для показа изображений с помощью движущихся светодиодов

микроконтроллером и плат с необходимым размещением светодиодов. В качестве главного и вспомогательных микроконтроллеров использованы восьмиразрядные микроконтроллеры типа ATMEGA16 с частотой тактирования 16 МГц, имеющие 4 порта ввода/вывода. Показано, что генерация синхроимпульсов для драйверов светодиодов может производиться программным образом. В качестве драйверов светодиодов могут быть использованы коммерчески доступные специально разработанные для этих целей микросхемы типа МВ12116, каждая их которых может управлять 16 светодиодами. Применение этих микросхем позволяет уменьшить количество идущих на микросхему проводников с управляющими сигналами в 16 раз.

В типичных случаях передача информации в главный микроконтроллер производится из ПК пакетами с использованием интерфейса UART. В заголовке каждого пакета содержится информация о его размере, о номере вспомогательного микроконтроллера и об адресе этого пакета в энергонезависимой памяти вспомогательного микроконтроллера. Передача информации из главного микроконтроллера в вспомогательные производится с использованием протокола SPI (Serial Peripheral Interface), который обеспечивает дуплексный высокоскоростной обмен данными между микропроцессорами по трем проводам. При этом используются понятия ведущий узел (Master) и ведомый (Slave). В качестве ведущего

узла используется главный микроконтроллер, а в качестве ведомого -вспомогательный.

В диссертации разработана структура программного обеспечения главного и вспомогательных микроконтроллеров. При этом все вспомогательные микроконтроллеры работают по одной и той же программе, но с разными данными, оформленными в виде сценариев. Программные средства обеспечивают взаимодействие с главным микроконтроллером и включение светодиодов в соответствующих временных интервалах. Кроме того, они обеспечивают реакцию на поступающий от главного микроконтроллера сигнал прерывания, свидетельствующий о начале показа очередного кадра. При этом вычисляется интервал между соседними по времени прерываниями и определяется таким образом время показа одного кадра. После этого вычисляется длительность одного временного интервала, что позволяет вспомогательному микроконтроллеру в каждом временном интервале в соответствии с полученным из главного контроллера сценарием включать на соответствующее время светодиоды, которые находятся под его управлением. Программное обеспечение для главного и вспомогательного микроконтроллеров разработано в системе программирования 1АЯ на языке С.

В работе определены функции аппаратных средств для управления яркостью источников света. Показано, что эти функции целесообразно выполнять модулями драйверов светодиодов, модулями питания светодиодов и модулями светодиодов. Конструкции этих модулей могут быть самыми разными в зависимости от количества светодиодов, их расположения, размеров, типов, электрических параметров. Важно, что при замене одних модулей на другие не требуется модификация аппаратуры вспомогательных микроконтроллеров.

В диссертации рассмотрена методика приспособления масштабируемого программно-аппаратного комплекса к специфике конкретного применения. Показано, что в том случае, если устройство отображения используется для формирования статических изображений, которые изменяются достаточно редко, архитектура ВС может быть упрощена путем использования интерфейса ОМХ-512 для передачи информации от главного микроконтроллера вспомогательным. Переход на этот интерфейс позволяет также управлять большим набором существующих устройств, воспринимающих сигналы по указанному интерфейсу.

Автором проведен анализ специфики использования программно-аппаратных комплексов в различных устройствах отображения, содержащих различное количество светодиодов, имеющих различную частоту смены кадров, управляющих различными типами подвижных источников света. Определены требования к производительности микроконтроллеров и к количеству портов ввода-вывода. Показано, что в зависимости от конкретного применения архитектура, состав оборудования и требования к быстродействию микроконтроллеров могут изменяться в значительной степени.

Существует большое количество аппаратных и программных средств, обеспечивающих показ на экране монитора изображений, полученных от различных источников, таких как телевизионные программы, видеокамеры, CD диски, Интернет. Информация об этих изображениях передается из ПК в монитор. Желательно использовать эту информацию для формирования изображений с помощью ДИС. В этом случае устройство для формирования изображений может воспринимать информацию об изображении от тех же источников, что и ПК. С этой целью проведен анализ возможностей по использованию в максимально возможной степени существующих аппаратных и программных средств, встроенных в ЖК монитор. Автором экспериментально проанализирована работа контроллеров ЖК мониторов различных фирм, таких как Samsung, View Sonic, BenQ, Acer, Green Wood с целью определения интерфейса между контроллером ЖК монитора и электроникой ЖК экрана.

Путем анализа сигналов с выходов ЖК микроконтроллера при показе различных изображений на ЖК матрице диссертантом установлено, что эти сигналы совпадают с последовательностью, на основе которой формируются сигналы стандартного интерфейса DVI (Digital Video Interface). Однако интенсивности красного, зеленого и голубого цветов могут быть подвергнуты корректировке в соответствии с имеющимися в ЖК контроллере регуляторами, которые могут изменять яркость, контрастность и палитру изображения. Кроме того, в ЖК контроллере используется таблица LUT (Look Up Table), в соответствии с которой осуществляется коррекция величины управляющих воздействий на ЖК ячейки таким образом, чтобы яркость пиксела соответствовала значению, указанному в управляющей матрице. На основе проведенного анализа сделан вывод, что выходные сигналы с ЖК контроллера могут быть использованы в разрабатываемых программно-аппаратных комплексах

Основываясь на этом выводе, диссертантом разработана методика использования существующих аппаратных средств для передачи сценариев из ПК в соответствующие ДИС. При этом выходные сигналы ЖК контроллера, предназначенные для колонки пикселов, рассматриваются как сценарий для ДИС. В управляющую матрицу в памяти ПК записывается не изображение в формате BMP, а сформированные при помощи программной модели сценарии. Количество временных интервалов в сценариях равно количеству строк в управляющей матрице. Сценарий для ДИС с номером i записывается в / - ой колонке управляющей матрицы.

Анализ возможных способов извлечения управляющей информации для каждого сценария из потока информации с выходов ЖК контроллера показал, что эти функции целесообразно выполнять аппаратными средствами, так как темп поступления данных со всех выходных шин достаточно высок и составляет около 1 Гбит/с. В диссертации разработаны аппаратные средства, реализующие эти функции. Эти средства представляют собой совокупность регистров сдвига, в которых запоминается поступающая с выходов ЖК контроллера информация, относящаяся к показу очередной строки. После заполнения этих регистров в драйверы светодиодов поочередно передается информация о 8 контрастных изображениях. Время показа очередного контрастного изображения в 2 раза меньше, чем предыдущего. В результате время свечения светодиода оказывается пропорционально значению яркости, указанному в сценарии. Таким образом, информация, поступающая с выходов ЖК контроллера для показа одной строки пикселов, используется для установки яркости всех ДИС в одном временном интервале. Информация, поступающая с выходов ЖК контроллера для показа очередной строки, используется для формирования яркости ДИС в очередном временном интервале.

Чтобы совместить процесс заполнения регистров сдвига с процессом показа изображения, используется 2 комплекта регистров сдвига. Когда производится засветка ДИС в соответствии с одним комплектом, другой комплект заполняется информацией с выходов ЖК контроллера, относящейся к следующей строке.

В диссертации показано, что указанные аппаратные средства могут быть реализованы на основе ПЛИС, содержащей около 25 ООО логических ячеек. Например, может быть использована ПЛИС фирмы ALTERA типа CYCLONE III EP3C25F324. Такая аппаратура

обеспечивает управление в реальном масштабе времени 1280 RGB светодиодами, что позволяет формировать XVGA изображения с разрешением 1280*1024 пикселов.

В пятой главе, озаглавленной Экспериментальное исследование функционирования программно-аппаратных комплексов в устройствах отображения информации движущимися источниками света и перспективы их применения, приводятся результаты экспериментального исследования функционирования программно-аппаратных комплексов, обеспечивающих формирование изображений. Экспериментальные исследования проводились диссертантом на макетах устройств отображения с помощью ДИС. Управления яркостью ДИС осуществлялось в соответствии со сценариями, полученными с помощью программной модели. Сценарии загружались в масштабируемый иерархический программно-аппаратный комплекс, количество вспомогательных микроконтроллеров в котором изменялось от одного до десяти. Макеты отличаются от реальных устройств только меньшим количеством используемой аппаратуры, в частности, меньшим количеством используемых светодиодов. Однако они позволяют полностью проверить справедливость полученных теоретических результатов. Исследовалось формирование изображений при различных законах движения ДИС, таких как движение светодиодов по цилиндрической поверхности, движение светодиодов, расположенных на поверхности вращающегося диска, движение светодиодов, прикрепленных к колеблющемуся вибратору.

Были экспериментально изучены свойства изображений, видимых в колеблющемся зеркале при отражении от него неподвижной линейки светодиодов. Такие изображения обладают рядом неожиданных, непривычных свойств. Основное отличие в том, что изображение формируется не в плоскости экрана, так как экран в этом случае отсутствует. Наблюдаемая в зеркале картина полностью совпадает по своим свойствам с картиной реального мира, которую можно наблюдать через отверстие в стене. При приближении к зеркалу виден больший фрагмент изображения.

Различные модификации модульных, масштабируемых иерархических аппаратно-программных комплексов внедрены в нескольких организациях, таких как Мурманский морской порт, музей космонавтики на ВВЦ, телекомпания 4+ .торговый центр VEGAS, где реализованы различные сценарии для светодиодных систем, состоящих

из десятков тысяч светодиодов. Сценарии составлялись

заказчиками с использованием переданных им программных средств для создания сценариев. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования функционирования аппаратно-программных комплексов в устройствах отображения

информации на основе ДИС полностью подтвердили выводы, полученные при теоретических исследованиях.

При анализе перспектив дальнейшего развития разработанных программно аппаратных комплексов следует иметь в виду перспективы использования тех устройств отображения, для которых они предназначались. В первую очередь, следует упомянуть применение устройств с колеблющимся зеркалом для просмотра телевизионных программ. В настоящее время имеется тенденция к увеличению телевизионного экрана. Однако при этом такие телевизоры являются громоздкими дорогостоящими изделиями, требующими больших площадей для установки. Просмотр телевизионных программ в колеблющемся зеркале (рис.4) позволяет наблюдать изображение размером в несколько метров и при этом находиться в комнате, размеры которой могут быть меньше размера наблюдаемого изображения. Когда светодиодные источники света получат широкое распространение, линейку светодиодов на рис.6 можно использовать в качестве светильника с любым цветовым оттенком и с любой яркостью.

Устройства с колеблющимся зеркалом могут быть также использованы в качестве мониторов. При этом одновременно можно формировать несколько страниц с помощью нескольких линеек светодиодов. Для перехода от просмотра одной страницы к просмотру другой пользователю достаточно изменить ориентацию колеблющегося зеркала или угол, под которым он смотрит на зеркало.

Весьма перспективно использование разработанных средств в распределенных проекторах при создании яркого изображения на

Линейка светодиодов

Рис. 4. Схема просмотра телевизионной передачи зрителем в колеблющемся зеркале, в котором отражается линейка светодиодов

экране большой площади. Такие проекторы позволяют передавать динамические изображения на уличные рекламные щиты, а также на стены высотных зданий.

Основные результаты диссертации

1. Разработана программная модель обобщенного устройства формирования изображений движущимися источниками света

2. Исследована и разработана архитектура модульного масштабируемого программно-аппаратного комплекса для новых устройств отображения информации, где изображение создается множеством движущихся источников света.

3. Предложены алгоритмы функционирования отдельных компонентов программно-аппаратного комплекса для различных типов новых устройств отображения.

4. Выполнен анализ программно-аппаратных комплексов существующих персональных компьютеров и ЖК мониторов. Показано, что в разработанных программно-аппаратных комплексах могут быть частично использованы существующие аппаратные и программные средства.

5. Экспериментально исследованы макеты некоторых новых устройств отображения информации под управлением разработанных программно-аппаратных комплексов. Результаты экспериментальных исследований полностью подтвердили выводы теоретического анализа.

6. Показано, что требования к системе управления яркостью подвижными источниками света в принципиально новых устройствах отображения информации могут быть удовлетворены на основе достигнутого в настоящее время уровня развития электроники.

Список работ по теме диссертации

В рецензируемых журналах из списка ВАК:

Торчигин A.B. Об одном подходе к формированию виртуального окружения // Автометрия т. 45, № 1,2009, с. 73-82.

Торчигин A.B. Об одном подходе к формированию изображений без использования экрана // Информатика и ее применение т.З, №1 2009, с. 60-68.

Торчигин A.B. О возможности использования новых технических средств для формирования ярких широкоформатных изображений // Информационные технологии и вычислительные системы. №1,2009, с. 98-105.

Торчигин A.B. Цифровая обработка сигналов в распределенном проекторе для формирования ярких изображений на широкоформатных экранах // Цифровая обработка сигналов, №4,2008 с.19-22.

В других изданиях:

Торчигин A.B. Формирование изображений движущимися источниками света. М.: Издательство ИПИ РАН, 2008. - 75с.

Торчигин A.B. Об одном подходе к формированию ярких широкоформатных изображений // Сборник трудов ИПИ РАН «Системы и средства информатики (дополнительный выпуск)» М:. Наука 2008, с.231-242.

Торчигин A.B. Об одном подходе к реализации систем ЦОС на основе многоядерных кристаллов Н 10-я Международная конференция «цифровая обработка сигналов и ее применение» 26-28 марта 2008 г., Москва, Россия. Труды научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова. Москва, 2008. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Выпуск Х-2 с. 585-588.

Торчигин A.B. Об одном подходе к реализации электронных схем на основе многоядерных кристаллов // XXXV международная конференция, VI Международная конференция молодых ученых «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» IT+S@E'08, Майская сессия, Украина, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая 2008 года, с.55-56.

Торчигин A.B. Управление множеством светодиодов в распределенном проекторе при синтезе ярких изображений на широкоформатных экранах V Всероссийская школа-семинар молодых ученых // "Управление большими системами» 21-24 октября 2008 г., г. Липецк. Сборник трудов, том 2, с. 303-309.

Торчигин A.B. Обработка данных в системах создания виртуального окружения // 31-я конференция молодых ученых и специалистов Институт проблем передачи информации им. A.A. Харкевича РАН ИТиС'08 29 сентября - 3 октября 2008 г., г. Геленджик. Сборник трудов

ISBN 978-5-901158-08-01, с. 482-487 (доступен по адресу http://www.iitp.ru/ru/conferences/340.htm ).

Список полученных патентов:

Торчигин A.B. Способ формирования изображений и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2328024 с приоритетом от 29 декабря 2003 г. Опубликовано в Бюллетень изобретений №18,2005.06.10.

Торчигин A.B. Устройство для формирования на экране изображений. Патент РФ на изобретение №2392650 с приоритетом от 30 июня 2008 г. Опубликовано в Бюллетень изобретений №17,20 06 2010.

Торчигин В.П., Торчигин A.B. Светодиодный цифровой проектор. Патент РФ на изобретение №2400789. Приоритет от 12 сентября 2008 г. Опубликовано в Бюллетень изобретений №27 27.09.2010 (личный вклад автора - предложенный метод размещения проецируемых светодиодов в светодиодном цифровом проекторе).

Торчигин В.П., Торчигин A.B. Устройство для формирования и наблюдения изображений. Патент РФ на изобретение №2400787. Приоритет от 12 сентября 2008 года. Опубликовано в Бюллетень изобретений №27 27.09.2010 (личный вклад автора - предложенный метод формирования и наблюдения изображений с помощью системы вращающихся трехгранных призм с зеркальными гранями).

Торчигин A.B. Переносной светодиодный экран. Патент РФ на изобретение №2411590. Приоритет от 27 февраля 2009 года. Опубликовано в Бюллетень изобретений №4 10.02.2011.

Подписано в печать:

19.04.2011

Заказ № 5364 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autorcferat.ru

Основания для использования светодиодов в новых устройствах отображения информации.

Типы устройств отображения с использованием движущихся светодиодов.

Факторы, ограничивающие механическое перемещение светодиодов.

Формирование изображений неподвижными светодиодами для движущегося наблюдателя.

Устройства отображения с использованием перемещения мнимых изображений светодиодов

Теоретические предпосылки.

Формирование стереоизображений.

Формирование стереоизображений с помощью дифракционной решетки, свойства которой изменяются электрическими сигналами.

Факторы, ограничивающие перемещение мнимых изображений в колеблющемся зеркале.

Устройства отображения на основе движущихся по экрану изображений светодиодов.

Факторы, ограничивающие параметры изображений, создаваемых распределенным проектором. 43 Заключение.:.

Глава 2 Программно-аппаратные средства в современных устройствах отображения информации.

Аппаратные средства для формирования изображений на экранах мониторов.

Интерфейс между ЖК контроллером и жидкокристаллической панелью.

Вычислительные системы для формирования изображений на экранах мобильных телефонов.

Вычислительные системы в цифровых проекторах.

Вычислительные-систему для формирования изображений на светодиодных экранах и бегущих строках.

Вычислительные системы для формирования изображений движущимися светодиодами.

Встраивание вычислительной техники в устройства отображения информации начинается в семидесятых годах прошлого века, когда развитие средств вычислительной техники дошло до такого уровня, что появилась возможность встраивать их не только в крупные народно-хозяйственные и оборонные объекты, но и в приборы, используемые самой вычислительной техникой. Это привело к появленшо дисплеев (мониторов). В настоящее время встраиваемые системы получили широкое распространение, начиная от электронных часов и детских игрушек и кончая атомными станциями и ракетными комплексами. В исследования и разработку встроенных систем большой вклад внесли отечественные ученые С.А. Лебедев, B.C. Бурцев, Б.А. Бабаян, В.А. Мельников, В.П. Иванни-ков, Ю.И. Митропольский, Я.А. Хетагуров, Biß. Бункин и др. Разработанные ими встроенные системы на основе существующих в то время аппаратных средств полностью решали поставленные задачи и обеспечивали надежное функционирование средств противо

4 1 "lA Я I Ы \ U) U14 ! 11 1 О Hi'i\<t К. >1 .,1 | ',1 ilMi I IIV. v " здушной и противоракетной обороны, работу бортовых систем, управление космическими полетами и. т. п.

Наиболее сложным узлом монитора являются программно-аппаратные средства, которые обеспечивают отображение на экране электронно-лучевой трубки информации, хранящейся в памяти ЭВМ. В отечественной литературе эти средства обычно называют контроллером монитора. По мере развития технологии изготовления электронных схем '.Uli' > | (и > I 1 ' V Uli п 1 • 1 I постепенно улучшались параметры контроллера монитора, такие как производительность, потребляемая мощность, габариты. Это способствовало повышению разрешающей спо

1 -I собности и других параметров самого монитора. На определенном этапе появилась возможность индивидуально управлять миллионами пикселов, что привело к появлению ЖК мониторов. Улучшение параметров контроллера монитора способствовало постепенному

Hi | ¡;]«>iv\ 'i noil "и п.),ii,i \iixi'1 iu'MUHi,1 ' повышению качества изображения ЖК-мониторов, начиная со стандарта CGA (320x240 пикселов) до современного стандарта QSXGA (2560x2048 пикселов).

В настоящее время возможности электроники по производительности уже превосходят требования со стороны ЖК мониторов. Например, используемые в современных смартфонах и планшетных компьютерах процессоры с частотой тактирования 1 ГГц пре ■ v. UvUIUiviji.l liO \lv-|V l'kl >Ы 1 i II /I 1 \ I и I iv 11 И I i H ч v I * I! восходят по своим параметрам процессоры, используемые в суперкомпьютерах десятилетней давности. Массовое внедрение в светотехнику новых источников света в виде све-тодиодов открывает потенциальные возможности для создания новых устройств отображения. При этом возросшие возможности электроники позволяют возложить на нее основную нагрузку по формированию изображений. Поэтому исследование программноI

I ( И |Ч( . 1 |> I 1It. и И) I | 11 > ч /К i \ . Ч 1||| О1 Ii 1', 11 |Ч| I

К I ро 1 аппаратных комплексов, управляющих устройствами, формирующими новые типы изображений, является актуальной задачей.

История развития средств для формирования изображения с помощью электрических сигналов имеет более чем вековую историю. В 1876 году немецкий студент Пауль Непков запатентовал свой знаменитый диск. При его вращении светящиеся отверстия представляли собой подвижные источники света. Они формировали совокупность строк. При модуляции их яркости можно было сформировать изображение. Такие устройства в виде телевизоров с механической разверткой просуществовали до начала второй мировой войны.

После войны на их смену пришли электронно-лучевые трубки. Движущимся источником света в этом случае являлось пятно люминофора, светящееся под действием электронного луча. Такие устройства можно встретить и сейчас, однако они вытесняются устройствами на основе жидкокристаллических и плазменных панелей, в которых имеется несколько миллионов индивидуально управляемых неподвижных светящихся пикселей.

Казалось бы, что эра устройств с подвижными источниками света ушла в прошлое. Однал п оц.1 j сион nrjMCUM t ыи шек ! iri: ei о нр:1"!Л1ЧИ v -ко уже в настоящее время фирма SONY начала выпуск коммерчески доступных телевизоров, в которых изображение формируется тремя движущимися по строкам лазерными лучами [1]. Преимуществом этих телевизоров перед существующими является гораздо лучшая цветопередача.

Существенным и постоянно действующим преимуществом устройств отображения ill. 14 II • — * I Ч. 1 ! I I I I I 1 I. . — с подвижными источниками света является то обстоятельство, что количество требуемых . . . . , , ч источников света может сокращаться на порядки. Например, при использовании телевизионной трубки количество источников света сокращается более чем в миллион раз! Хотя при этом сам источник света оказывается весьма сложным и громоздким.

В немалой степени интерес к подвижным источникам света связан в происходящей в настоящее время революцией в светотехнике [2]. На смену лампам накаливания, газок iii'/iiiioo кроми фьрчч SOW илчам м. :п\■ 1 > i р разрядным и люминесцентным лампам идут совершенно новые источники света в виде светодиодов. К достоинствам светодиодов, которые обычно перечисляются при разговорах об очередной революции в светотехнике, таким как высокая надежность с наработкой на отказ до 100 ООО часов; высокий к.п.д.; низкое напряжение питания; большая сила света и световой поток одного излучателя, которые возрастают с каждым годом; высокая свето

• >Ь'\'М ML'I'^'ttlH КИМ И CHCI.t ЧНЧЯС'О! 'II (I4L щяи.- II (.'ЦП ' отдача(150 лм/Вт)4 которая примерно в 11,5 раз выше таковой у ламп накаливания (13 лм/Вт) и в 1,7 раза выше, чем у люминесцентных ламп; устойчивость к значительным механическим перегрузкам; относительно малые габариты; уменьшающаяся с каждым годом стоимость [3], [4], [5], [6] следует добавить еще 2 достоинства, весьма существенных для устройств отображения.

Во-первых, светопередача у светодиодов гораздо лучше, чем у люминофоров, используемых в ЖК мониторах и плазменных панелях. Область цветопередачи светодиодов близка к области, воспринимаемой зрением человека [7].

Во-вторых, светодиоды могут модулироваться по яркости с весьма высокой частотой, измеряемой сотнями мегагерц [8].

Оказалось, что использование последней возможности в сочетании с возможностями других весьма быстро развивающихся приборов микроэлектроники, а именно - микроконтроллеров и ПЛИС, позволяет создавать, наряду с уже имеющимися устройствами отображения информации на светодиодах в виде бегущих строк и уличных световых табло [9], принципиально новые устройства, обладающие рядом весьма привлекательных свойств [10],[ПИ12]![1з],[14],[15],[1б], [17]. Целью работы является исследование возможности и специфики применения вычислительных систем в новой области применения, где изображение формируется подвижными источниками света на основе многоцветных светодиодов.

Первая глава посвящена анализу специфики новой прикладной области. Рассмат , 1/1 м1| «к 1 I. , ; Л |. риваются следующие три способа получения движущихся источников света.

Движется сам светодиод. В этом случае светодиоды перемещаются в пространстве при помощи механических колебательных или вращательных систем.

Движется изображение неподвижного светодиода в зеркале [17],[18]. В этом случае мнимое изображение светодиода перемещается в глубине зеркала, когда зеркало совершает вращательные или вращательно-колебательные движения. *' 1 1 М ■ ! ч К»1 !1 7!

Движется полученное с помощью проекционной аппаратуры изображение светодиода на экране [19], [20]. В этом случае изображение светодиода перемещается по экрану ИЫЮ'. либо при перемещении светодиода и объектива относительно друг друга.

При использовании первого подхода каждый светодиод осуществляет периодическое движение по некоторой замкнутой траектории. Форма этой кривой может быть самой . i' юп1пс фи сиос'огч, пс !\';с1!пи ! в >' н \ 11111v ' 1!'' i11 разной. Это может быть окружность, эллипс, циклоида и т. п. Совокупность таких траекторий образует поле, на котором может формироваться любое изображение.

При втором подходе движущийся источник света представляет не сам светодиод, а его изображение в колеблющемся зеркале. В обычном неподвижном зеркале изображение светодиода представляет собой светящийся точечный источник света. В зеркале, совер 1 ' 1 I , li.ll 1 М . Н .! ч > !\1 I. к \ М ' IV . 1* шающем периодические колебания вокруг вертикальной неподвижной оси, изображение такого неподвижного светодиода воспринимается зрителем в виде светящейся горизонтальной линии. Тогда вертикальная линейка светодиодов видна в неподвижном зеркале в виде вертикальной светящейся линии, а в колеблющемся зеркале будет виден светящийся прямоугольник, ширина которого определяется амплитудой колебаний зеркала. При соответствующей модуляции яркости светодиодов, светящийся прямоугольник превращается в некоторое изображение, которое, в отличие от привычных изображений на экране телевизора или монитора, обладает весьма интересными свойствами.

При третьем подходе светящийся источник света создается на экране при проецировании на него светящегося светодиода [19], [20], [21]. Если при этом светодиод перемещать на небольшое расстояние относительно проекционного объектива, то изображение светодиода на экране может перемещаться на расстояние, сравнимое с размерами экрана.

Во второй главе анализируется специфика работы программно-аппаратных средств в существующих устройствах отображения. При этом особое внимание уделено анализу алгоритмов работы этих средств с целью выяснения возможности использования некоторых компонентов этих средств в новой прикладной области.

•' мо.чу.чишш яркое in cisi'i о числом, гг^ппшшея npv-' --• . ■

В третьей главе показано, что проблема создания программно-аппаратных средств в новой прикладной области может быть разделена на две задачи. Во-первых, это создание сценария, по которому происходит включение движущихся источников света (ДИС) при показе видеоизображений с заданными разрешением и частотой смены кадров устройством с заданным количеством подвижных источников света и заданными законами движения каждого из них. Во-вторых, создание программно-аппаратных средств, обеспе > ' . " ч-'Р ( ' '."Л чивающих реализацию указанных сценариев. Показано, что программно-аппаратные средства для всех трех вариантов ДИС различаются лишь на стадии составления сценариг 1t % » t ев. Первая задача решается с использованием концепции обобщенного устройства отображения, частными случаями которого являются различные конкретные устройства отображения. Рассматривается математическая модель обобщенного устройства отображе pjn.'.v i.unu- ¡ioiwii.nl" ч lo проблем I о > i.!1"!1 про | i.i . ■ ния, которая позволяет не только видеть на экране монитора будущие изображения, но и получать сценарии изменения яркости ДИС во времени.

В четвертой главе рассматриваются вопросы по реализации полученных сценариев с помощью различных вариантов аппаратно-программных средств.

В пятой главе приводятся результаты экспериментального исследования макетов •'• , • i.moioio и'! пи\. Но-Н'оры.\. еоч.ишие upoi р'1ммг"-;п''1"" устройств отображения под управлением программно-аппаратных средств, спроектированных на основе проведенных исследований, и рассматриваются перспективы применения устройств отображения с подвижными источниками света в различных областях применения.

Заключение посвящено анализу полученных результатов.

Ч ■ • ■ • • ' мм | . у . ч'о ' I I I ■ I I Ц|| ,. I ' ;i,| I' • м 1

Заключение

Методика, при которой рассматриваются вопросы построения программно-аппаратных комплексов для устройств отображения в самом общем случае, где произвольное множество источников света движется в трехмерном пространстве по произвольным наперед заданным законам, оказалась весьма продуктивной. Разработанные для общего случая методы построения сценариев применимы для многих частных случаев, некоторые из которых обладают новизной и запатентованы. Архитектура иерархической масштабируемой модульной ВС, разработанная для реализации сценариев в общем случае, может быть приспособлена для реализации частных случаев с минимальными изменениями.

Из проведенного рассмотрения можно сделать вывод, что возможностей современной электроники вполне достаточно для построения вычислительных систем, управляющих яркостью светодиодов в новых устройствах отображения информации с подвижными i i i >ч 11 К'1\ч »Н i l/i . v ¡ н ¡II- ! ■ i пин i,', u^ , 11 i пни источниками света. Анализ особенностей этих устройств показывает, что по своей конструкции они гораздо проще существующих. За счет использования подвижных источников света, количество светодиодов сокращается на несколько порядков по сравнению с существующими устройствами. При этом основная нагрузка переносится на вычислительные системы, осуществляющие подготовку сценариев для изменения яркости светодиодов, и mlu'mi \к<[;> i ы ion 'U p;up.ui0i;in!i'u¡ ' isi ос ' mí'"ir вычислительные системы, реализующие эти сценарии. Анализ существующих в настоящее время аппаратных средств в цифровых мониторах и светодиодных экранах показывает, что имеются по-отдельности все необходимые компоненты для реализации требуемой аппаратуры. Разработана методика определения состава и производительности аппаратуры для конкретного применения. . 1ч ч,,11дЧ1> I. пи , \ \ 1. I ¡ Ч ' I I . щ, \ ( 1 | 1.1/11 , I

Показано, что структура вычислительных систем определяется главным образом i > 1 такими параметрами изображения, как разрешающая способность и частота смены кадров. Специфика конкретного устройства отображения может быть учтена в программах подготовки сценариев для показа изображения. Это обстоятельство позволяет снять ограничения на траектории движения подвижных источников света, что приводит к значительному упрощению конструкции устройств отображения. v 11,1,1.k' UI'v'.CMM. :V 1 '. i . Mil ¡U НИ > ИЛ" i' !' \lni 11'

Анализ существующих программных средств, используемых для отображения информации, и функций, выполняемых программами при отображении информации в рассматриваемых устройствах, показал, что подавляющая часть имеющихся в настоящее время программных средств на верхнем уровне может быть использована в рассматриваемых устройствах. Для нижнего уровня, который определяется спецификой устройства

К ¡.'ПК' 'МО С !'р\ 1С I \ РЛ Ш.1ЧМС Г Г Г !СММП ''М<: !<".! ОМОС* ' • " отображения, разработана система программирования, которая позволяет по заданному закону движения подвижных источников света, с одной стороны, и требуемым изображениям, с другой, сформировать необходимые сценарии для вычислительных систем, управляющих яркостью подвижных источников света.

Разработаны алгоритмы формирования изображений в том случае, когда описание движения источников вызывает определенные трудности. Используемая при этом дополнительная ВС, обеспечивающая обратную связь между фрагментами изображения и подвижными источниками, ответственными за формирование, позволяет получить в автоматическом режиме экспериментальные данные, на основе которых с использованием методов интерполяции определяются требуемые законы движения.

При оценке перспектив практического применения рассмотренных устройств елег " » ) » >¿'1 I • I » 1 » \ I ■>•> 1)« дует иметь в виду, что технология изготовления светодиодов и управляющей ими аппаратуры постоянно совершенствуется, а их стоимость непрерывно снижается. Без сомнения, в т , I, ближайшем будущем появятся мощные светодиодные проекторы, которые найдут широкое применение в рекламе. Не исключено, что получат также распространение новые системы для просмотра телевизионных программ, а также системы для погружения зрителей м^," ШИКОМ И1,ПМ!'.,к'1 .41 рс 1С к I! 111>11 ИЛ [ПО. 1 , ,, в виртуальный мир. Такие системы весьма привлекательны для компаний, производящих компьютерные игры.

Исследования по рассматриваемой тематике достигли такого уровня, при котором имеется уверенность, что проведение опытно-конструкторских работ может завершиться созданием устройств, имеющих определенные преимущества перед существующими. Наопенке перепек 1 пи мрак I ичеемм о применение и.ю • <" > * пример, не представляет труда спроектировать и изготовить несколько сотен устройств, каждое из которых содержит автономный источник питания и матрицу светодиодов и представляет собой элемент большого экрана. Эти устройства могут быть переданы участникам российской олимпийской команды, которые при проходе по стадиону могут образовать передвигающийся экран и показывать зрителям эмблемы, гербы, приветствия и т. п. Такой экран могли бы видеть миллиарды телезрителей, наблюдающих за церемонией

I М| ■ - 141 I ч 'II' 'СЫ "Ч " V 1 >" I'1' 1 1 ' открытия Олимпиады.

Дальнейшие исследования по применению таких систем в конкретной области це I м, лесообразно вести по согласованию с заказчиком. ч п'ч ¡С1.1Н1Яе! 1р\,м . нррек'1 пропс •. п;ю г.Н'/. <

1 •!• ; |<ч! МО(.'П10Ы Н11/1С ! Ь М1Ы-1 Н<1р, М'! ' С 1С <рп I С 11 щи.

1. Телевизоры с лазерными лучами http://ww.nytimes.com/2006/04/03fousiness/Q3hdtv.html? г=1 http://en.wikipedia.org/wiki/Laser video display

2. А Бурняшев, Современные мощные светодиоды и их оптика // Современная электроника. — 2006.-№1.- С. 24-27, www.leds.ru, www.osram-os.com/goldendragon. www.osram.ru/index.php,www.upec.com,www.laminaceramics.com

3. В. Шурыгина Твердотельные осветительные устройства Электроника, наука, технология, бизнес. №5 с.88 (2008)

4. И. Сыроваткин, Мощные светодиоды фирмы Yigh Power Lightning, Современная электроника №5, 2009, с.8.

5. Рекордно яркие LED от Nichiahttp://www.3 cinews.m/néws/rekordnо yarkie led ot nichia/

6. Область цветопередачи светодиодов. http://www.electrolight.m/?type=publ&id=43

7. JI.M. Коган Светодиод. Физическая энциклопедия. Под ред. A.M. Прохорова, т.4 с. 465 (М.: Большая Российская энциклопедия, 1994).

8. Уличные световые табло. Бегущие строки http://en.wikipedia.org/wiki/LEDdisplay

9. A.B. Торчигин, Формирование изображений движущимися источниками света. М.: издательство ИПИ РАН, 2008. 75с.

10. A.B. Торчигин, Устройство для формирования на экране изображений. Патент РФ на изобретение №2392650 ^приоритетом от,30 июня 2008 г. Опубликовано в Бюллетень изобретений №17,20062010. '

11. A.B. Торчигин, Способ формирования изображений и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2328024 с приоритетом от 29 декабря 2003 г. Опубликовано в Бюллетень изобретений №18,2005.06.10.

12. A.B. Торчигин, Цифровая обработка сигналов в распределенном проекторе для формировашясярких-изображениймна,широкоформатных экранах. "Цифровая обработка сигналов", №4,2008 с. 19-22.

13. A.B. Торчигин, Переносной светодиодный экран. Патент РФ на изобретение №2411590. Приоритет от 27 февраля 2009, года. Опубликовано в Бюллетень изобретений №4 10.02.2011.

14. В.П. Торчигин, Торчигин A.B., Устройство для формирования и наблюдения изображений, ДахентРФна изобретение №2400787.-1 Приоритет от 12 сентября 2008 года. Опубликовано в Бюллетень изобретений №27 27.09.2010.

15. В.П. Торчигин, Устройство для формирования на экране ярких изображений. Патент на изобретение №2347274 от 02 ноября 2006 г. Опубликовано Бюллетень изобретений 20 02 2009 №5.

16. A.B. Торчигин, Об одном подходе к формированию изображений без использования экрана. Информатика и ее применение т.З, №1 2009, с. 60-68.

17. A.B. Торчигин, Об одном подходе к формированию виртуального окружения. Автометрия т. 45, № 1, 2009, с. 73-82

18. A.B. Торчигин, Об одном подходе к формированию ярких широкоформатных изображений. Сборник трудов ИЛИ РАН «Информатика и ее применение» М:. Наука 2008, с.

19. Большие экраны в Китае, Японии, США http://www.mitsubishi-tv.eom/Iaser.html

20. Параметры лазерной указки мощностью 200 мВт, http://en.wikipediaiore/wiki/Green.laserypointer#©reenilaser pointer

21. Современные мониторы. Под ред. H.A. Тюнина. Ремонт №101. М., СОЛОН ПРЕСС, 2007.

22. И.Кокарева, Промышленные дисплеи., Электроника, наука, технология, бизнес. №5 с. 12 (2008).

23. С.Н. Попов, Видеосистема, БВХ- Петербург, 2000.

24. Ю. Летролавл.одскрй^Инновационныедахнрлогии расширяют области применения светодиодов, Современная электроника №2,2011, с.14.

25. Ю. Петропавловский, Светодиоды компании Seoul Semiconductor, Современная электроника, №2,2011, с.8. , ,, iv

26. И. Безверхий, Особенности схемотехники ИС драйверов светодиодов RGB, Современная электроника №9,2011,16-21.

27. Драйверы для светодиодов www.mblock.com .

28. Драйвер .мощных,светодиодов, на базе,контроллера NCL30000 фирмы ON Semiconductor, Современная электроника №9,2011,28-31.

29. М. Новодачный, Микроконтроллеры.наюсновеядер ARM: широкое масштабирование аппаратных возможностей в рамках программной совместимости, Современная электроника №9,2011,16-21.

30. В.Майская,,Микроконтроллеры. Возможности расширяются. Электроника. Наука Технология^Бизн^2009,№4.с.'24г2Яи. , YO. :,;> ¡-,

31. Д. Гаманюк, Некоторые вопросы разработки встраиваемых компьютерных систем, Современная электроника №6,2009, с.72.

32. П.П. Редышн Микроконтроллеры ARM7 семейства LPC2000. -М.: Додэка-ХХ1, 2007.' | J.Ii i ¡!Ср Ml И Ц1' Ы \ с'ВС I U 11! V ■ U 4i Iii! Гм !С Ki 11 ! pi I I К I , \( ' ~

33. А.В. Торчигин, О возможности использования новых технических средств для формирования ярких широкоформатных изображений. Информационные технологии и вычислительные системы. №1,2009, с. 98-105.

34. В.П. Торчигин, Торчигин А.В., Светодиодный цифровой проектор. Патент РФ на изобретение №2400789. Приоритет от 12 сентября 2008 г. Опубликовано в Бюллетень изобретений №27 27.09.2010.

35. Светодиоды фирмы OSRAM Opto Semiconductors www.osram-os.com/goldendraGon and www-osram.ru/in dex .php, m ,,uiv> mm и л . v ^

36. В.П. Торчигин, Устройство для осуществления механической развертки при формировании изображения путем модуляции движущихся источников света. Патент на изобретение №2378567 от 15 ноября 2005 г. Опубликовано Бюллетень изобретений 10 01 2010 №1.

37. В.П. Торчигин, Способ формирования стереоизображений. Патент на изобретение №2337386,от 021mw6pf 2006<гмОпубликовано Бюллетень изобретений 27 10 2008 №30.

38. Г.С. Ландсберг, Оптика. -М.: Наука, 1976, 930 с.

39. Тюнин Н.А., ЖК мониторы. Ремонт №95 М., СОЛОН ПРЕСС, 2007.

40. А. Шматок, Архитектура, технологические особенности и методы проектирования систем на кристалле ПЛИС, Современная электроника №9,2011, 52-53.

41. В.А. Швец, Одноплатные микроконтроллеры. Проектирование и , Киев МК-Пресс,

42. Сидоренко Б.iМикроконтроллеры компанииiATMEЛ. Новые Решения. Электроника. Наука Технология Бизнес 2009, №4 с 24-29.

43. М. Гук, Аппаратные интерфейсы ПК, М.:, ПИТЕР, 2002.

44. Колесниченко, И. Шишигин, Аппаратные средства PC, Санкт-Петербург, БВХ-Петербург, 2002.

45. Контроллер SVH-1920 http://www.omnidisplays.com/lcd-controllers.html

46. Н. Культин, Delphi в задачах и примерах, Санкт-Петербург, БВХ-Петербург, 2008.

47. С.М. Парижский, Delphi, Киев, МК-пресс, 2005.

48. Ф. Чиртик, В. Борисок, Ю. Корвель, DELPHI, М.:, ПИТЕР, 2007.

49. Ю.А. Шпак, Разработка приложений в DELPHI 2005/2006, МК-ПРЕСС, 2005.

50. Д.Д.Мюррей, У.Райнер Энциклопедия форматов графических файлов, BHV, Киев, 1997.

51. А.В. Белов, Конструирование! устройств на микроконтроллерах, СПб, Наука и Техника, 2005.

52. Е. Угрюмов, Цифровая схемотехника, СПб, БВХ- Петербург, 2002.

53. Д.А. Кнышев, М.О. Кузьмин, ПЛИС фирмы XILINX, М.:, ДОДЭКА, 2001.

54. В.Б. Стешенко, ПЛИС фирмы ALTERA: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры, М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2007.

55. В.Л. Григорьев, Видеосистемы ПК фирмы IBM, МЮ:, Радио и связь 1993.

56. В.П. Дьяконов, MATHEMATICA 4, М.:, Нолидж, 2000.

57. Дж. Данн, Цифровое видео СПб, ПИТЕР, 2005.

58. Max 3000А, Programming Logic Device Family Data Sheet.

59. В. Вычужанин, ПЛИС серии CYCLONE с встроенными аппаратными трансиверами, Современная электроника №5,2010, с.8.

60. Е. Суворова, Ю Шейнин, Проектирование цифровых систем на VHDL, Санкт -Петербург, БВХ-Петербург, 2003.

61. А.К. Поляков Языки VHDL и VERILOG проектирования цифровой аппаратуры, М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2010.

62. В. Зотов, практический курс сквозного проектирования цифровых устройств на основе ПЛИС, фирмы XILINX (часть 25), Современная электроника №7 2009, с.60.

63. Д.А. Комолов, Системы автоматизированного, проектирования фирмы ALTERA Vax+Plus и QUARTUSII, M.:, РадиоСофт, 2002.

64. П.Н. Бибило, Основы языка VHDL, M.:, СОЛОН-Р, 2002.68670 А. П. Антонов, Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. Практический курс. М.:, РадиоСофт, 2001.

65. Ю.А. Шпак, Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров, МК-ПРЕСС,201i0i,-¡.,,!, , Мр.чч-мимми,!. .И,;. ,

66. Т. Мартин, Микроконтроллеры ARM7. Семейство LPC 2000 компании Phillips, M.:, Додэка-XXI, 2006.

67. В.Д. Поляков, Система проектирования цифровых устройств ORCAD, М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2010.

68. В.Д. Разевиг, OrCAD 9.2 , M.:, Солон-Р, 2001.

69. В.Д. Разевиг,<,Система проектирования,цифровых устршств OrCAD, M.:, Солон-Р, 2000.

70. А.О. Афанасьев, С. А. Кузнецова, OrCAD 7.0.9.0. Проектирование электронной аппаратуры и печатных плат, М.:, Горячая линия-телеком, 2005.

71. Е.М. Елшин, Справочное руководство по работе с подсистемой SPECTRA, M.:, СОЛОН-Р, 2002.• " ) ¡i'l-AV. .¿О!0.1.ci ii'UHi. ^ iic ic »la 11 j mi. к i ирчнамн« цнф)Н >иы s \ v 1t ччк t •