fpga lcd controller

Cuprins

1

Cuprins

1. Obiective şi specificaŃii ................................................................................................. 3

2. Fundamente teoretice. Studiu bibliografic................................................................... 4

2.1. Structuri hardware reconfigurabile .......................................................................... 4

2.1.1. Prezentare generală ......................................................................................... 4

2.1.2. Placa de dezvoltare Digilent Nexys2[4].............................................................. 7

2.2. Limbajul de descriere hardware VHDL[5][12]............................................................ 8

2.2.1. Structura unui fişier sursă VHDL...................................................................... 9

2.3. Limbajul Visual C# ................................................................................................ 12

2.4. Algoritmi de gesenare a primitivelor grafice .......................................................... 15

2.4.1. Linia[7][8] ........................................................................................................ 15

2.4.2. Cercul[9] ......................................................................................................... 17

2.4.3. Elipsa[10] ......................................................................................................... 22

2.5. Sisteme de reprezentare a culorilor în echipamente video ...................................... 25

2.5.1. Sistemul RGB – Red, Green, Blue (roşu, verde, albastru)[17] ........................... 25

2.5.2. Sisteme luminanŃă-crominanŃă – YCrCb, YPbPr, YDbDr, YUV[19] .................. 28

2.5.3. Sisteme nuanŃă-saturaŃie – HSV, HSL[16] ........................................................ 29

2.6. Algoritmi de prelucrare a imaginii ......................................................................... 32

2.6.1. Negativul imaginii .......................................................................................... 33

2.6.2. Controlul luminozităŃii imaginii[13] ................................................................. 34

2.6.3. Controlul contrastului imaginii[15] .................................................................. 35

2.6.4. Controlul saturaŃiei imaginii[14] ...................................................................... 36

2.7. InterfeŃele seriale RS-232 şi PS/2 ........................................................................... 37

2.7.1. InterfaŃa serială RS-232[11][18] ........................................................................ 37

2.7.2. InterfaŃa serială PS/2[1] .................................................................................. 39

2.8. Protocolul de transfer între mouse şi sistem[1]........................................................ 41

3. Analiza, proiectarea şi implementarea hardware a aplicaŃiei pentru FPGA ........... 44

3.1. Premise de proiectare – Analiza problemei ............................................................ 44

3.2. Proiectarea structurii hardware – Schema bloc ..................................................... 51

3.3. Proiectarea şi implementarea generatorului semnalelor de ceas ............................ 51

3.4. Scanarea stării butoanelor – modulul debouncer ................................................... 52

3.5. Proiectarea şi implementarea memoriei video ....................................................... 53

3.6. Proiectarea şi implementarea controlerului LCD-ului ........................................... 55

Proiect de diplomă

2

3.6.1. Sincronizarea ................................................................................................. 55

3.6.2. Preluarea datelor din memoria video.............................................................. 56

3.6.3. Generarea interfeŃei grafice ............................................................................ 57

3.6.4. InterfaŃa grafică OSD de control a LCD-ului .................................................. 58

3.6.5. Generarea semnalului PWM pentru controlul luminozitătii LCD-ului ............. 61

3.7. Modulul de modificare a parametrilor funcŃie de evenimentele mouse-ului ............ 62

3.8. Selectorul modului de funcŃionare .......................................................................... 64

3.9. Generarea primitivelor grafice .............................................................................. 65

3.10. Procesarea imaginii în timp real ........................................................................ 69

3.11. Controlul interfeŃei RS-232 - comunicaŃia cu PC-ul ........................................... 71

3.12. Modulul principal – schema sintetizată a structurii ............................................ 73

4. Analiza, proiectarea şi implementarea aplicaŃiei software pentru PC ..................... 74

4.1. Premise de proiectare – Analiza problemei ............................................................ 74

4.2. Proiectare – Structurarea pe clase ......................................................................... 74

4.3. Proiectare – InterfaŃa grafică ................................................................................ 75

4.4. Premise de implementare ....................................................................................... 76

4.5. Implementarea interfeŃei grafice ............................................................................ 77

4.6. Implementarea clasei pentru simularea unui buffer video ...................................... 83

4.7. Implementarea clasei şi metodelor pentru gesenarea primitivelor grafice .............. 83

4.8. Implementarea clasei şi metodelor pentru filtrele punctuale .................................. 85

4.9. Implementarea comunicaŃiei seriale....................................................................... 85

5. Testare şi validare ....................................................................................................... 87

5.1. Testarea modulelor VHDL implementate ............................................................... 87

5.1.1. Tehnici de testare folosite ............................................................................... 87

5.1.2. Simulări ale modulelor implementate .............................................................. 87

5.2. Testarea aplicaŃiei software pentru PC .................................................................. 92

5.2.1. Planul de testare ............................................................................................. 92

5.2.2. Rezultate ale testării ....................................................................................... 93

6. Concluzii ..................................................................................................................... 97

6.1. Probleme întâmpinate şi soluŃionarea lor .............................................................. 97

6.2. Realizări şi direcŃii de dezvoltare ........................................................................... 98

Bibliografie ....................................................................................................................... 100

Anexe ................................................................................................................................ 101

Capitolul 1 - Obiective şi specificaŃii

3

1. Obiective şi specificaŃii

Tema proiectului de faŃă presupune realizarea unui sistem hardware pentru generarea

primitivelor grafice pe un afişor LCD de dimensiuni mici sau medii şi pentru aplicarea asupra

imaginii rezultate a unor procesări de bază. Modulul respectiv trebuie să ofere posibilitatea

conectării la un calculator personal şi să fie capabil de a recepŃiona şi executa comenzi primite

de la o aplicaŃie software aferentă.

Figura 1.1. Schema de principiu a sistemului dorit.

Se doreşte o procesare a imaginii rezultate în timp real cu minimum de întârzieri ale

semnalului de culoare trimis afişorului. OperaŃiile de desenare şi de procesare vor fi

implementate atât în structura hardware, cât şi în aplicaŃia software de comandă.

Tema proiectului este total motivată de cererea actuală din ce în ce mai mare de sisteme

de tip CAD portabile care pot lucra de sine stătătoare, dar totodată oferind posibilitatea

conectării şi trasferului de informaŃie cu un calculator (figura 1.2). În acest sens proiectul

atinge o fază incipientă a unui astfel de sistem, oferind elementele de bază pentru dezvoltări

ulterioare.

Figura 1.2. Sistem CAD embedded.

Proiect de diplomă

4

2. Fundamente teoretice. Studiu bibliografic

2.1. Structuri hardware reconfigurabile

2.1.1. Prezentare generală

Structurile programabile se găsesc în literatura de specialitate sub denumirea de FPD

(field programmable device) în care sunt incluse module digitale ce pot fi configurate de către

proiectant pentru anumite operaŃii. Ele reprezintă un tip aparte de circuite VLSI (Very-large-

scale integration). O structură programabilă este numită reconfigurabilă datorită faptului că

schimbarea interconexiunilor din aceasta conduce la o altă configuraŃie a FPD-ului.

ConfiguraŃia FPD-ului este reŃinută într-o memorie înternă a acestuia. În funcŃie de tipul

de memorie folosită există următoarele tipuri de tehnologii de programare: ROM, RAM,

EPROM, E2ROM şi FLASH.[5]

În funcŃie de complexitatea structurilor reconfigurabile acestea sunt clasificate astfel:

1. PLD – Programmable Logic Devide – din aceastp categorie fac parte următoarele

tipuri de structuri reconfigurabile: PLA (Programmable Logic Array), PAL

(Programmable Array Logic), GAL (Generic Array Logic).

2. CPLD – Complex Programmable Logic Array - pentru scopuri practice aceste

circuite pot fi vizualizate ca PLD-uri multiple într-un singur circuit integrat.

3. FPGA – Field Programmable Gate Array – sunt cele mai complexe structuri

hardware reconfigurabile; în acestea se poate implementa aproape orice tip de circuit;

Structurile CPLD sunt formate dintr-un număr definit de blocuri de tip MacroCell care se

găsesc pe o singură capsulă. Acestea reprezintă o complexitate plasată între PLA şi FPGA.

Din punct de vedere tehnologic sunt implementate pe o tehnologie nevolatilă, dar în prezent

se gasesc în mare parte şi în tehnologie FLASH. Intern, numărul de porŃi logice ajunge la sute

de mii dând posibilitatea unor aplicaŃii mai complexe în comparaŃie cu PLA. În plus, spre

deosebire de PLA, deŃin blocuri logice interne între macrocelule şi functii logice specializate

pentru cele utilizate des în digital. Circuitul CPLD este format din blocuri de tip I/O şi blocuri

logice configurate prin matrici logice de interconectare. Blocurile logice ale unui CPLD au o

structură destul de apropiată celor ale circuitelor PLD.

Capitolul 2 - Fundamente teoretice. Studiu bibliografic

5

Figura 2.1.1.1. Structura internă a unui CPLD.[5]

Principalii producătorii de structuri hardware reconfigurabile sunt: Xilinx, Altera,

Cypress, Atmel şi Lattice.

În circuitele de tip CPLD interconectările se găsesc sub două tipuri:[5]

1. Interconectări bazate pe matrici (array based interconnect).

Acestea leagă semnalele dintre matricea de interconectare către blocurile logice. Fiecare

linie din matricea de interconectare este reprezentată printr-un fir vertical şi este atribuită ca

intrare unui bloc logic dat. Pentru fiecare intrare din matricea de interconectare dată către un

bloc logic prezintă câte un termen produs. Ieşirea unui bloc logic poate fi conectată la un

termen produs prin intermediul unei celule (de tip EPROM) sau un pin de ieşire. Acest tip de

rutare este relativ scump, consumă mult şi ocupă o suprafaŃă fizică destul de mare, dar

prezintă o flexibilitate de implementare destul de bună.

Figura 2.1.1.2. Modul de interconectare bazat pe matrici.

��

��

…

…

…

…

…

…

Matrice de

interco-nectare

Blocurile logice

I/O

Blocurile logice

I/O

Blocurile logice

Blocurile logice

Blocurile logice

Blocurile logice

Proiect de diplomă

6

2. Interconectări bazate pe mutiplexoare programabile.

Acestea au o eficienŃă sporită atunci când blocurile logice au un număr mic de intrări.

Practic, matricea de interconectare este conectată cu blocurile logice printr-un număr de

multplexoare finit. Prezintă avantajul că poate ruta orice semnal de intrare către un bloc logic.

Figura 2.1.1.3. Modul de interconectare bazat pe multiplexoare finite.

FPGA-urile sunt un şir de celule conŃinând elemente logice şi de memorie, configurabile.

Celulele pot fi interconectate folosind un număr mare de switch-uri (întrerupătoare)

programabile, într-o varietate de moduri de construcŃie virtuală a oricărui sistem digital.

Matricile de elemente logice şi switch-uri pot fi configurate extern prin intermediul unui "bit

stream" reprezentând respectiva funcŃie sau sistem digital. Sistemele apărute oferite de

producatorii de FPGA-uri generează "bit stream"-ul folosind o descriere sistematică sau de

nivel înalt a sistemului digital, descriere realizată în Veriolg sau în limbajul VHDL. Design-ul

poate fi simulat înainte de configurarea FPGA-ului. Cele mai multe FPGA-uri sunt re-

programabile şi astfel pot fi modificate foarte uşor. Acest lucru oferă flexibilitate şi reduce

riscurile în comparatie cu ASIC-urile care nu pot fi reprogramate. Din ce în ce mai multe

aplicaŃii folosesc tot mai des FPGA-urile din diverse motive. Înalta performanŃâ, schimbările

de situaŃie tot mai rapide şi costurile scăzute sunt sunt doar câteva din aceste motive. Acum

FPGA-urile sunt foarte complexe şi implică multe scheme pentru îmbunătăŃirea

performanŃelor, reducerea numărului de componente şi a costurilor. De exemplu, majoritatea

FPGA-urilor oferă în prezent mai multe standarde diferite de I/O, dar la fel de bine şi elimină

rezistorii terminali de pe placă. Există mult mai multe avantaje pe care le au FPGA-urile, iar

producatorii sunt într-o continuă muncă de îmbunătăŃire a lor.

��

��

…

…

…

…

…

…


7

2.1.2. Placa de dezvoltare Digilent Nexys2[4]

Placa de dezvoltare aleasă pentru implementarea proiectului a fost Digilent Nexys2. Placa

deŃine o serie de avantaje în comparaŃie cu alte plăci similare. A fost construită în jurul unui

FPGA Xilinx Spartan 3E-500 FG320 care are aproximativ 500000 de porŃi şi poate lucra

sincron cu un ceas de 50MHz. Programarea se realizează foarte uşor prin intermediul unei

interfeŃe JTAG implementate pe un port USB 2.0.

Figura 2.1.2.1. Placa de dezvoltare Digilent Nexys 2

După cum se poate observa în figura 2.1.2.1, placa Nexys2 este deja echipată cu toate

interfeŃele necesare pentru dezvoltarea proiectului şi alte interfeŃe adiŃionale:

- 1 port serial RS-232.

- 1 port serial PS/2.

- 4 porturi Pmod – echivalentul porturilor paralele pe 8 biŃi.

- 1 port VGA limitat 256 de culori (RGB 8 biŃi, format 3:3:2).

- 1 port USB – folosit atât pentru programare cât şi pentru transferul de date.

- 1 port FX2 de viteză mare – magistrală paralelă.

- 8 comutatoare şi 4 butoane cu revenire.

- 1 afişor pe patru digiŃi.

Totodată această placă este compatibilă cu mediile de dezvoltare oferite de Xilinx, printre

care şi WebPack 9.2i, mediul în care am dezvoltat sistemul. Placa include şi două module de

memorie externă, una de tip RAM, iar alta de tip FLASH, fiecare având o dimensiune de 16

MB.

Proiect de diplomă

8

Pe de altă parte, FPGA-ul Spartan 3E-500 are implementate în interiorul cipului un

număr de 20 de module de memorii Block RAM dual-port (biport) de care pot fi configurate

în funcŃie de necesităŃile proiectului având în total o dimensiune de 360 KbiŃi şi încă 20 de

multiplicatori cu operanzi (intrări) pe 18 biŃi.

2.2. Limbajul de descriere hardware VHDL[5][12]

VHDL este unul dintre limbajele standard folosite în industrie la ora actuală, pentru a

descrie sistemele numerice. VHDL înseamnă VHSIC (Very High Speed Integrated Circuits)

Hardware Description Language adică un limbaj pentru descriere hardware a circuitelor

integrate de foarte mare viteză. IniŃial, acest limbaj foarte asemănător cu limbajul ADA, a fost

destinat doar modelării şi simulării unor circuite ASIC complexe şi numai ulterior a fost

utilizat pentru sinteza şi implementarea logicii corespunzătoare.

Un sistem numeric poate fi reprezentat la diferite nivele de abstractizare. Acest lucru

facilitează mai ales descrierea şi proiectarea sistemelor complexe. Cel mai înalt nivel de

abstractizare este nivelul de descriere al comportării (funcŃionării) numit în engleză

behavioral. La acest nivel de abstractizare un sistem este descris prin ceea ce face, adică

modul cum se comportă şi nu prin componentele sale şi conexiunile dintre acestea. O

descriere de acest tip specifică relaŃiile dintre semnalele de intrare şi ieşire. Descrierea poate fi

o expresie booleană sau o descriere mai abstractă, la nivelul transferului între registre sau la

nivelul algoritmilor. Ca un exemplu tipic să considerăm un circuit simplu care avertizează

pasagerul atunci când uşa automobilului este deschisă sau centura nu este folosită, de fiecare

dată când se introduce cheia în contact. Descrierea la nivel funcŃional s-ar putea face în modul

următor : „Avertizare utilizator = Contact AND (Usa_deschisa OR Nu_Centura)”

Nivelul structural, spre deosebire de nivelul 'behavioral', descrie un sistem ca o colecŃie

de porŃi şi componente care sunt conectate între ele pentru a realiza funcŃia dorită. O

reprezentare structurală poate fi comparată cu o schemă de porŃi logice conectate între ele.

Aceasta este o reprezentare care se apropie mai mult de realizarea fizică a sistemului.

Limbajul VHDL permite reprezentarea sistemelor la nivel funcŃional (behavioral) sau

structural. Nivelul behavioral poate fi împărŃit în două stiluri de reprezentare: al fluxului de

date (Data Flow) şi algoritmic. Reprezentarea de tip Data Flow descrie modul cum circulă

datele prin sistem, aceasta realizându-se în termenii transferului de date între registre (RTL).

Această descriere foloseşte instrucŃiuni concurente, care se execută în paralel în momentul în

care datele sunt prezente la intrare. Pe de altă parte în reprezentarea de tip algoritmic


9

instrucŃiunile sunt secvenŃiale şi se execută în ordinea specificată. VHDL permite atribuirea

semnalelor în ambele moduri (secvenŃial şi concurent).

2.2.1. Structura unui fişier sursă VHDL

Un sistem numeric este descris ca o entitate (entity) principală care, la rândul ei, poate

conŃine alte entităŃi, acestea fiind considerate componente ale entităŃii principale. Fiecare

entitate este modelată de o declaraŃie a entităŃii şi de corpul arhitectural. DeclaraŃia entităŃii se

poate considera o interfaŃă cu mediul extern care defineşte semnalele de intrare şi de ieşire, pe

când corpul arhitectural conŃine descrierea entităŃii şi este compus din alte entităŃi, procese şi

componente interconectate, toate funcŃionând în acelaşi timp.

La fel ca orice alt limbaj VHDL, foloseşte cuvinte cheie, iar acestea nu pot fi folosite ca

nume de semnale sau identificatori (simboluri definite de utilizator).

O linie de comentariu, care va fi ignorată de sintetizator, începe cu “--„.

Declararea entităŃii defineşte numele entităŃii şi specifică porturile de intrare şi de ieşire.

Forma generală este următoarea :

entity NUME_ENTITATE is [ generic declaratii_generice);]

port ( nume_semnale : mode tip ;

nume_semnale : mode tip ;

:

nume_semnale : mode tip;

end [NUME_ENTITATE] ;

O entitate începe întotdeauna cu cuvântul cheie entity (entitate) urmat de numele entităŃii

şi de cuvântul cheie is (este). În continuare sunt declaraŃiile porturilor cu cuvântul cheie port.

DeclaraŃia entităŃii se termină întotdeauna cu cuvântul cheie end.

- NUME_ENTITATE este un identificator (simbol) ales de utilizator;

- nume_semnale constă într-o listă de identificatori separaŃi prin virgulă care specifică

semnaleleinterfeŃei externe;

- mode este un cuvânt rezervat care indică sensul semnalelor;

- in - semnal de intrare;

- out - semnal de ieşire, valoarea poate fi citită decât de alte entităŃi;

- buffer - semnal este ieşire, dar valoarea poate fi citită în arhitectura entităŃii

- inout - semnal ce poate fi ieşire sau intrare (bi-direcŃional);

Proiect de diplomă

10

- tip este tipul de semnal; exemple de tipuri sunt: bit, bit_vector, boolean, character,

std_logic, std_ulogic

Corpul arhitectural specifică modul în care funcŃionează şi în care este implementată o

entitate. După cum am spus mai devreme, o entitate sau circuit poate fi specificat în modul

funcŃional sau cel structural dar şi de o combinaŃie dintre cele două. Generalizând, corpul

arhitectural arată în felul următor:

architecture nume_arhitectura of NAME_ENTITATE is

-- declaratii ale componentelor

-- declaratii de semnale, constante, functii, proceduri, tipuri

begin

-- Instructiuni

end nume_arhitectura;

Descrierea funcŃională (behavioral) a arhitecturii pentru exemplul amintit mai sus, în care

avertizarea s-ar realiza prin intermediul semnalului BUZZER este:

architecture behavioral of BUZZER is

begin

Avertizare <= (not Usa AND Contact) OR (not Centura AND Contact);

end behavioral;

Descrierea structurală a aceluiaşi circuit, bazată pe utilizarea unor porŃi AND, OR cu

două intrări şi a inversorului NOT va fi următoarea:

architecture structural of BUZZER is

component AND2

port (in1, in2: in std_logic; out1: out std_logic);

end component;

component OR2

port (in1, in2: in std_logic; out1: out std_logic);

end component;

component NOT1

port (in1: in std_logic; out1: out std_logic);

end component;

signal USA_NOT, CENTURA_NOT, B1, B2: std_logic;

begin

U0: NOT1 port map (USA, USA_NOT);

U1: NOT1 port map (CENTURA, CENTURA_NOT);

U2: AND2 port map (CONTACT, USA_NOT, B1);

U3: AND2 port map (CONTACT, CENTURA_NOT, B2);

U4: OR2 port map (B1, B2, AVERTIZARE);

end structural;


11

În partea de declaraŃii se precizează componentele ce urmează a fi folosite în descrierea

circuitelor. În exemplul nostru folosim o poartă ŞI cu două intrări, două porŃi SAU cu două

intrări şi un inversor. Aceste porŃi trebuie definite în prealabil, adică vor avea nevoie de

declararea entităŃii şi de un corp arhitectural aşa cum s-a arătat mai sus. Acestea pot fi păstrate

într-unul din package-uri după cum se va arăta în continuare.

InstrucŃiunile de după cuvântul cheie begin creează instanŃieri ale componentelor şi

descriu modul cum acestea sunt conectate între ele. Definirea unei instanŃe creează un nou

nivel ierarhic. Fiecare linie începe cu numele (de exemplu U0) urmat de două puncte, numele

componentei şi cuvântul cheie port map. Acest cuvânt cheie defineşte modul în care sunt

conectate componentele. În exemplul de mai sus, aceasta se face prin asocierea poziŃiei:

semnalul USA corespunde intrării in1 a porŃii NOT1, iar USA_NOT corespunde ieşirii. La fel

este şi pentru poarta AND2 unde primele două semnale, CONTACT şi USA_NOT, corespund

intrărilor in1 şi in2, iar semnalul B1 corespunde ieşirii out1.

Se poate folosi şi un mod alternativ de asociere a porturilor, astfel eticheta:

numele componentului port map (port1 => semnal1, port2 => semnal2,…

portn => semnaln);

Modelarea structurală impune o proiectare ierarhizată în care se pot defini componente

care sunt folosite de mai multe ori. Odată ce au fost definite, aceste componente pot fi folosite

ca blocuri, celule sau macro-uri într-o entitate la un nivel mai înalt. Aceasta poate reduce în

mod semnificativ complexitatea proiectelor mari. La fel ca la orice aplicaŃie software

proiectele ierarhizate sunt preferate întotdeauna în locul celor pe un singur nivel.

Biblioteci (library) şi package-uri; cuvintele cheie library şi use. O bibliotecă poate fi

considerată ca un loc unde sintetizatorul păstrează informaŃii despre un proiect.

Un package VHDL este un fişier sau un modul care conŃine: declaraŃiile obiectelor

folosite în mod curent, tipuri de date, declaraŃii de componente, semnale, proceduri şi funcŃii

care pot fi folosite de diferite modele VHDL. Spre exemplu std_logic este definit în package-

ul ieee.std_logic_1164 din biblioteca ieee. Pentru a folosi std_logic trebuie specificată

biblioteca şi package-ul. Aceasta se face la începutul fişierului VHDL folosind cuvintele cheie

library şi use după cum urmează :

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

Extensia .all indică faptul că se foloseşte tot package-ul ieee.std_logic_1164.

Luând ca exemplu mediul Xilinx ISE biblioteca ieee conŃine următoarele package-uri:

- std_logic_1164; defineşte tipurile de date standard

Proiect de diplomă

12

- std_logic_arith; pune la dispoziŃie funcŃii aritmetice, de conversie şi comparaŃie

pentru tipurile de date signed, unsigned, integer, std_ulogic, std_logic şi

std_logic_vector

- std_logic_unsigned

- std_logic_misc; defineşte tipuri suplimentare, subtipuri, constante şi funcŃii pentru

package-ul std_logic_1164 .

2.3. Limbajul Visual C#

Limbajul C# este un limbaj simplu, modern, orientat pe obiecte conceput pentru a

dezvolta aplicaŃii care să ruleze pe platforma .Net Framework. Combină productivitatea

limbajelor de dezvoltare rapidă a aplicaŃiilor cu puterea brută a limbajului C++.

Codul C# este compilat ca şi cod de bază, ceea ce înseamnă că beneficiază de serviciile CLR.

Aceste servicii includ interoperabilitea limbajelor, garbage collection, securitate ridicată şi

suportul versiunilor imbunătăŃite.

În .NET (şi, implicit, în C#), tipurile de date se împart în două categorii principale: tipuri

valoare şi tipuri referinŃă. DiferenŃa dintre ele este că variabilele de tip referinŃă conŃin

referinŃe (pointeri) spre datele propriu-zise, care se află în heap, pe când variabilele de tip

valoare conŃin valorile efective. Această deosebire se observă, de exemplu, la atribuiri sau la

apeluri de funcŃii. La o atribuire care implică tipuri referinŃă, referinŃa spre un obiect din

memorie este duplicată, dar obiectul în sine este unul singur (are loc fenomenul de aliasing –

mai multe nume pentru acelaşi obiect). La o atribuire care implică tipuri valoare, conŃinutul

variabilei este duplicat în variabila destinaŃie. Tipurile valoare sunt structurile (struct) şi

enumerările (enum). Tipuri referinŃă sunt clasele (class), interfeŃele (interface), tablourile şi

delegările (delegate). Poate părea surprinzător, dar unele din tipurile \"primitive\" cu care

suntem obişnuiŃi din C (int, de exemplu), sunt tot structuri. Altele, cum ar fi string, sunt clase.

Singurul lucru care le face mai speciale în C# este faptul că, la compilare, textul din codul

sursă este identificat şi convertit automat în instanŃe ale acestor tipuri. În plus, pentru aceste

tipuri, există cuvinte cheie C# prin care sunt descrise, dar şi clase .NET care reprezintă

implementarea propriu-zisa.

O clasă este o structură de date care poate conŃine date (variabile şi constante) şi cod

(metode, proprietăŃi, evenimente, operatori, constructori şi destructori). Clasele pot fi derivate

din alte clase, prin acest mecanism clasele derivate putând extinde, specializa sau modifica

comportamentul clasei de bază. Clasele reprezintă piatra de temelie a programării pe obiecte.


13

Acest concept porneşte de la aserŃiunea că datele sunt strâns legate de codul care le

prelucrează şi că gruparea lor într-o structură comună (spre deosebire de limbajele

procedurale, în care datele sunt separate de cod) duce la o proiectare, implementare, testare şi

întreŃinere mai simplă. Membrii unei clase pot fi statici; în acest caz, există o singură instanŃă

a lor care este accesibilă din toate instanŃele clasei respective; în situaŃia în care membri statici

sunt şi publici, ei vor fi accesibili din alte clase fără a avea nevoie de o instanŃă a clasei

respective. Mai mult, ei nu pot fi accesaŃi prin intermediul unor instanŃe, ci numai folosind

numele clasei. De asemenea, pot fi definite metode statice. Acestea aparŃin clasei şi nu

instanŃelor acesteia şi pot fi apelate folosind numele clasei.

Încapsularea reprezintă un aspect esenŃial al programării pe obiecte şi înseamnă, pe scurt,

posibilitatea de a separa implementarea unui obiect de funcŃionalitatea pe care acesta o pune

la dispoziŃie utilizatorilor săi. Prin implementarea unui obiect ne referim, în general, la

variabilele membru ale obiectului respectiv şi la metodele interne, care contribuie la realizarea

funcŃionalităŃii obiectului, dar care nu sunt necesare utilizatorilor obiectului respectiv.

Drepturile de acces reprezintă modalitatea prin care putem ascunde de utilizatorii clasei

detaliile de implementare ale acesteia. Cei cinci specificatori de acces în C# şi semnificaŃia lor

sunt:

- private – membrii privaŃi sunt accesibili numai din clasa în care sunt declaraŃi.

- internal – membrii interni sunt accesibili numai din clase care fac parte din acelaşi

assembly cu clasa în care sunt declaraŃi.

- protected – membrii protejaŃi sunt accesibili din clasa în care sunt declaraŃi şi din

clasele derivate din aceasta.

- protected internal – membrii interni şi protejaŃi sunt accesibili din clasa în care sunt

declaraŃi, din clasele care fac parte din acelaşi assembly şi din clasele derivate,

indiferent în ce assembly sunt acestea.

- public – membrii publici sunt accesibili din orice clasă.

Dacă specificatorul de acces lipseşte, membrii unei clase sunt implicit privaŃi.

O clasă este alcătuită din membrii moşteniŃi din clasa de bază şi din membrii declaraŃi în

corpul clasei. Datele pot fi variabile, constante, sau variabile read-only. Diferenta dintre

constante si variabile read-only este ca valoarea constantelor poate fi calculata la compilare si

plasată în fişierul executabil ca atare, pe când valoarea variabilelor read-only este calculată la

rulare. Implicit, pot fi declarate doar constante apartinând tipurilor recunoscute de compilator

Proiect de diplomă

14

ca „primitive”. Variabilele read-only pot fi de orice tip si pot avea valori care nu sunt

cunoscute la compilare.

Constructorul este o metodă care implementează acŃiunile care au loc la crearea şi

iniŃializarea unei instanŃe a clasei. Are acelaşi nume ca şi clasa din care face parte şi nu

returnează nici o valoare, nici măcar void. Poate apela un alt constructor al aceleiaşi clase sau

un constructor al clasei de bază. Poate avea orice nivel de acces. Moştenirea se referă la

crearea unei clase derivate care conŃine implicit toŃi membrii (mai puŃin constructorii,

constructorul static şi destructorul) unei alte clase, numite de bază. Moştenirea se mai

numeşte şi derivare sau, mai rar, specializare. În C#, moştenirea se realizează punând „:” după

numele clasei, urmat de numele clasei de bază. O clasă poate avea o singură clasă de bază.

Dacă o clasă nu este derivată explicit din nici o clasă, compilatorul o face implicit să fie

derivată din object. Object este rădăcina ierarhiei de clase din .NET. Moştenirea este

tranzitivă, în sensul că dacă A este derivată din B şi B este derivată din C, implicit A va

conŃine şi membrii lui C (şi, evident, pe cei ai lui B). Prin moştenire, o clasă derivată extinde

clasa de bază. Clasa derivată poate adăuga noi membri, dar nu îi poate elimina pe cei

existenŃi. Deşi clasa derivată conŃine implicit toŃi membrii clasei de bază, acest fapt nu

înseamnă ca îi şi poate accesa. Membrii privaŃi ai clasei de baza există şi în clasa derivată, dar

nu pot fi accesaŃi. În acest fel, clasa de bază îşi poate schimba la nevoie implementarea internă

fără a distruge funcŃionalitatea claselor derivate existente.

Polimorfismul este a treia piatră de temelie a programării pe obiecte. Dacă încapsularea

afectează în mod direct uşurinŃa de implementare şi utilizare a claselor prin separarea

implementării de funcŃionalitate, iar moştenirea reprezintă o modalitate simplă de reutilizare a

codului, polimorfismul reprezintă componenta esenŃială când vine vorba despre

extensibilitate. O metodă virtuală este o metodă care poate fi suprascrisă într-o clasă derivată.

În .NET, memoria ocupată de obiecte este automat recuperata de un garbage collector în

momentul când nu mai este folosită. Uneori, însă, un obiect este asociat cu resurse care nu

depind de .NET şi care trebuie dealocate explicit, într-un fel sau altul. Un exemplu de astfel

de resurse îl reprezintă conexiunile TCP/IP, care nu pot fi lăsate la voia întâmplarii.

De obicei, este bine să se elibereze astfel de resurse în momentul când nu mai sunt necesare şi

vom vedea puŃin mai încolo cum se face acest lucru. Există însă şi o plasă de siguranŃă oferită

de compilator, reprezentată de destructori. Destructorii sunt metode care au acelaşi nume cu

clasă din care fac parte, precedat de semnul ~. Nu au drepturi de acces, nu au argumente şi nu

permit nici un fel de specificatori. Nu pot fi invocaŃi explicit, ci numai de librariile .NET


15

specializate pe recuperarea memoriei. În C#, este posibil, ca şi în C++ sau Java să avem mai

multe metode cu acelaşi nume în cadrul aceleiaşi clase. În C#, la supraîncarcare se Ńine cont

de numele metodei, de tipul argumentelor, de categoria lor (de intrare, intrare-iesire, iesire),

de numărul şi de ordinea lor. Semnătura unei metode nu include tipul returnat, numele

argumentelor sau argumentele variabile de la sfârşitul listei de argumente. Supraîncărcarea

metodelor şi operatorilor se mai numeşte şi polimorfism static, deoarece putem obŃine

comportamente diferite prin acelaşi apel de funcŃie, dar comportamentul este totuşi bine

determinat la compilare.

ProprietăŃile sunt membri care oferă acces la atributele unui obiect. Exemple de

proprietăŃi includ lungimea unui şir de caractere, lungimea unui tablou, mărimea unui font,

titlul unei ferestre etc. ProprietăŃile diferă de variabilele membru prin faptul că nu reprezintă

spaŃii de memorie, ci funcŃii de acces. Aceste funcŃii de acces sunt executate când utilizatorii

clasei încearcă să obŃină sau să modifice aceste atribute. Ele sunt similare cu modelul get/set

din alte limbaje de programare (aşa şi sunt implementate intern), dar oferă o modalitate mai

coerenta de lucru împreună cu aceleaşi.

2.4. Algoritmi de gesenare a primitivelor grafice

2.4.1. Linia[7][8]

Se cunosc o multitudine de algoritmi de desenare a segmentelor de dreaptă pe un afişor

unde suprafaŃa pe care se desenează este formată dintr-un număr discret de puncte sau pixeli.

Când se lucrează cu astfel de dispozitive de afişare este util să se evite folosirea calculelor cu

numere reale. Una dintre primele publicaŃii care aborda un astfel de algortim de desenare a

segmentelor de dreaptă a fost scrisă de Josh Bresenham în 1965. Ideea principală în algoritm e

să se analizeze şi manipuleze ecuaŃiile liniare astfel încât numai numere întregi sunt utilizate

în toate calculele. Aritmetica numerelor întregi deŃine avantajul vitezei şi preciziei; lucrul cu

numere reale necesită mai mult timp şi memorie şi asemenea valori ar avea nevoie să fie

oricum rotunjite la numere întregi în momentul afişării pixelilor.

Se va porni de la � � � �, ecuaŃia cu variabile reale a unei drepte care este trasată

folosind o matrice de pixeli unde cele două puncte �� şi �� au coordonate întregi şi

reprezintă două punte cunoscute pe dreaptă care vor fi conectate printr-un segment de dreaptă

simulat în desen. În figura 2.2.1.1 de mai jos cele două puncte sunt reprezentate spre

exemplificare în colŃurile jos-stânga, respectiv sus-dreapta ale matricii de pixeli.

Proiect de diplomă

16

Figura 2.4.1.1. O linie reală dispusă pe o matrice de pixeli

Algoritmul ales pentru implementarea desenării dreptei din pixeli este algoritmul lui Josh

Bresenham. Presupunem că pe orizontală coodonatele cresc deplasându-ne către dreapta, iar

pe verticală coordonatele � cresc deplasându-ne înspre partea superioară. Aşadar pentru acest

exemplu, presupunem că � � � şi �� . Aceste restricŃii sunt necesare pentru a descrie

organizarea exemplului necesar explicării algoritmului, dar în nici un caz nu impun limitări

implementării efective a algoritmului.

O altă presupunere este că panta este definită în intervalul ��. Această presupunere ne

asigură faptul că pe parcursul deplasării punct cu punct din stânga către dreapta de-a lungul

graficului, coordonata � nu va creşte niciodată cu mai mult de un pixel şi că � creşte

concomitent cu . De asemenea această presupunere este necesară doar pentru explicarea ideii

care stă la baza algoritmului. Practic se limitează pentru exemplificare la prezentarea

algoritmului într-un singur octant al cercului trigonometric şi anume în cel în care se află

dreapta din figură.

După cum se ştie panta unei drepte determinată de două puncte în plan este determinată

de ecuaŃia:

� ��

În continuare ne vom referi la pantă prin această fracŃie. Pentru a realiza o desenare

precisă, se va contoriza eroarea acumulată în variabila �. Dat fiind faptul că primul punct

desenat este chiar �� , variabila care păstrează valoare erorii pe � ar trebui iniŃializată cu

valoarea 0. Pe decursul deplasării de la stânga la dreapta, se va incrementa valoarea lui � cu 1

doar dacă valoarea erorii depăseste ��. În această manieră se vor desena doar puncte a căror

coordonate pe verticală diferă fată de coordonatele reale cu maxim 1 pixel. Eroarea acumulată

pe � este o valoare reală cu semn care contorizează eroarea reală dintre � desenat şi � real

pentru un curent.


17

De menŃionat faptul că se presupune că toate coordonatele pe orizontală sunt exacte.

Aşadar totdeauna în acest caz se incremenează valoarea lui cu 1 atunci când se încearcă să

se calculeze următorul punct pe dreaptă prin deplasarea de la stânga la dreapta. Astfel singura

eroare care va fi contorizată este asociată variabilei �. În fapt, eroarea acumulată pe � indică

cum să se corecteze valoarea curentă a variabilei � pentru a obŃine valoarea reală.

Având în vedere ecuaŃia generală a dreptei în plan, se poate observa că la fiecare

incrementare a lui cu 1, � ar trebui incrementat cu valoarea pantei, . Dacă � nu este

incrementat când este incrementat cu 1 atunci valaorea erorii acumulare pentru � ar trebui

incrementată cu . In momentul în care � este incrementat cu 1, dar rămâne staŃionar,

eroarea acumulată trebuie decrementată cu 1.

Transpunerea în pseudocod a celor spuse este următoarea:

eroare ← 0 x_curent ← x0 y_curent ← y0 x_final ← x1 repeta punct(x_curent, y_curent) x_curent ← x_curent + 1

eroare ← eroare + ��

daca eroare > �� atunci

y_curent ← y_curent + 1 eroare ← eroare – 1 sfarsit daca pana cand x_curent > x_final Este uşor de verificat că în această descriere a algorimului la începutul şi sfâşitul unei

bucle eroarea se încadrează în următorul interval:

��

fapt care este încă un indiciu că pe verticală coordonatele punctelor sunt totdeauna calculate

spre cel mai apropiat pixel.

2.4.2. Cercul[9]

Pornim de la � � �� , ecuaŃia cu numere reale a cercului cu centrul în origine care

va fi desenat pe o matrice de puncte discrete unde fiecare pixel are coordonate intregi. Nu

există nici o degradare a gereralităŃii problemei din moment ce punctele astfel determinate

pot fi translatate relativ la oricare alt centru diferit de origine după cum se poate observa în

figura 2.4.2.1.

Proiect de diplomă

18

Figura 2.4.2.1. Translatarea cercului cu centrul în origine

Se vor compara erorile asociate coordonatelor şi � ale punctelor care vor fi desenate.

Deşi se vor desena puncte de forma ! " � �"� , aceste puncte de obiecei nu satisfac cu

exactitate ecuaŃia cercului. Presupunând că " este exact, coordonata � reală a punctului !

este #�� "�.

Cantitatea $� � �� %�� reprezintă abaterea punctului ! de la valoarea reală. Dacă

această cantitate este negativă înseamnă că punctul ! se află în interiorul cercului real, iar

dacă respectiva cantitate este pozitivă punctul ! este în exteriorul cercului real. BineînŃeles

dacă este 0 (ceea ce poate să apară foarte rar), punctul ! se află exact pe cerc.

Expresia &"� � �"� � ��& este mai degrabă o măsurătoare a erorii. Valoarea absolută va fi necesară când se ajunge la

compararea a două astfel de erori şi această nouă cantitate ajută la evitarea calculului

rădăcinilor pătrate care necesită mult timp de calcul. Aşadar se va defini variabila ��'� ( în

care va fi memorată valoarea erorii a fiecărui punct desenat. ��'� ( � &"� � �"� � ��& Strategia de desenare presupune începerea cu urmatoarele valori: � � � şi �� . În

acest caz: ��'� ( � &"� � �"� � ��& � )�� ) � �

Aşadar primul punct este desenat exact pe cercul real.

�

* � �*�

+� �+�

�

�


19

Cercul va fi desenat în aceeaşi ordine ca şi cea dată de ecuaŃile parametrice ale cercului � ,-.� /� şi � � .01� /� în care / începe la 0 şi creşte. Prin urmare cercul este desenat în

sens contrar acelor de ceas începănd pe axa orizontală pozitivă. Pe zona de început a desenării

coordonatele � cresc sau îşi schimbă valoarea mult mai repede decât coordonatele . Prin

urmare la fiecare iteraŃie se va decide să se incrementeze �, dar va fi nevoie să se testeze când

trebuie decrementat . �"2� � �" � �� 3��/�4�5 � ��6�7

FuncŃie de rezultatul testului dacă trebuie sau nu decrementată valoarea lui , se va

obŃine:

"2� � 8 " � ��(49/ /��: /5;" � �� (49/ /�3�(5/5;< Decizia de a decrementa sau nu valoarea lui este luată pe baza a două valori ale erorii:

pentru ! " � �� " � ��, respectiv pentru ! " � �" � ��. Apoi se va alege dacă " � � sau " va fi noua valoare pentru coordonata funcŃie de

care dintre cele două valori ale erorii este mai mică.

La orice moment trebuie să se cunoască cum se schimbă valoarea erorii pentru orice

schimbare a coordonatelor, de exemplu dacă " scade sau �" creşte. Altfel spus, valoarea

erorii nu trebuie calculată iar pentru fiecare nou punct dacă se monitorizează cum se schimbă

valoarea în momentul în care se schimbă coordonatele.

Dacă tocmai a fost desenat punctul ! "� �"� , în continuare va trebui să se ia în

considerare desenarea fie a punctului ! " � �� " � �� , fie a punctului ! " � �" � �� şi

decizia să fie bazată pe compararea erorilor care ar aparea în fiecare dintre cazuri.

Pentru punctul ! " � �� " � �� eroarea este: ��'� ( " � �� " � �� ) " � �� " � �� ) � � &"� � �" � � � �"� � ��" � � � ��& � � &"� � �"� � �� "� � ��" � ��& Iar pentru punctul ! "� �" � �� eroarea este: ��'� ( "� �" � �� &"� � �" � �� & � � &"� � �"� � ��" � � � ��& � � &"� � �"� � �� " � ��& În continuare trebuie simplificată inegalitatea: ��'� ( " � �� " � �� '� ( " � �" � �� =

Proiect de diplomă

20

&"� � �"� � �� "� � ��" � ��& � &"� � �"� � �� " � ��& =

#>�"� � �"� � �� " � �� "�?� � #�"� � �"� � �� " � �� =

>�"� � �"� � �� " � �� "�?� � �"� � �"� � �� " � �� =

�"� � �"� � �� " � �� "� � �"� � �� " � �� "� � � � �"�� "� � �"� � �� " � �� =

��"� � �"� � �� " � �� "� � � � �"�� =

��"� � �"� � �� " � �� "� @ �

Ultima echivalenŃă este datoră presupunerii că valoarea � � �" este negativă, adică " este cel puŃin 1.

Aşadar, dacă ��"� � �"� � �� " � �� "� @ � atunci valoarea lui trebuie

decrementată pentru desenarea următorului punct ! "2�� "2��. Realizând această analiză se poate observa utilitatea definirii a încă două noi cantităŃi şi

anume: A5B � � � �" �A5B � ��" � �

Având în vedere faptul că în momentul în care " şi �" îşi schimbă valoarea, diferenŃa

dintre valoarea îniŃială şi cea curentă este de C�, valorile variabilelor A5B şi �A5B se vor

modifica exact cu C�. Aşadar aceste valori sunt totdeauna impare. DA5B începe cu o valoare

negativă � � �� şi creşte către 0. EA5B reŃine valori impare începând cu 1 şi de asemenea

creşte. În timpul procesului de desenare, valoarea eroarii ��'� ( poate fi fie pozitivă, fie

negativă. Aşadar nu este nevoie şi nici nu este folosită valoarea absolută menŃionată anterior.

Conform explicaŃiilor oferite, în cele ce urmează este evidenŃiat în pseudocod algoritmul

de desenare a cercului cu centrul în origine:

x ← r y ← 0 xdif ← 1-2r ydif ← 1 er_raza ← 0 cât timp x≥y repetă


21

deseneazăpuncte(x,y) y ← y + 1 er_raza ← er_raza + xdif ydif ← ydif + 2 dacă (2*er_raza+xdif>0) atunci x ← x – 1 er_raza ← er_raza + xdif xdif ← xdif + 2 sfârşit dacă sfârşit repetă

Datorită simetriei cercului este necesar calculul coordonatelor punctelor doar pentru

primele FGH ale cercului. De aici rezultă condiŃia de stop a buclei şi anume � � . Prin

subrutina deseneazăpuncte se profită de avantajele simetriei. La fiecare iteraŃie sunt calculate

coordonatele unui punct, dar afişate prin simtrie 8 puncte conform celor patru axe de simetrie

ale cercului evidenŃiate în figura 2.4.2.2.

Figura 2.4.2.2. Axele de simetrie ale cercului şi cele 8 puncte desenate la o iteraŃie

După cum rezultă din figura 2.4.2.2 subrutina deseneazăpuncte v desena 8 puncte astfel:

deseneazăpuncte(x,y) punct(x,y); punct(-x,y);

punct(x,-y); punct(-x,-y); punct(y,x); punct(-y,x); punct(y,-x); punct(-y,-x);

sfârşit deseneazăpuncte

Proiect de diplomă

22

2.4.3. Elipsa[10]

Similar algoritmului de desenare a cercului se va pornii de la ecuaŃia cu variabile reale a

elipsei cu centrul în origine şi anume: � � � �� = ��

De asemenea trebuie menŃionat că nu există nici o degradare a gereralităŃii problemei din

moment ce punctele astfel determinate pot fi translatate relativ la oricare alt centru diferit de

origine după cum se poate observa în figura 2.4.3.1.

Figura 2.4.3.1. Translatarea elipsei cu centrul în origine

Se va compara eroarea asociată coordonatelor şi � ale punctelor desenate. Deşi sunt

desenate puncte de forma ! "� �"�, aceste puncte nu satisfac cu exactitate ecuaŃia elipsei.

Pentru a evita folosirea operaŃiei de împărŃire se va folosi cea de-a doua formă a ecuaŃiei

elipsei. ��

Pentru un punct ! "� �"� dat, cantitatea ��"� � ��"� � ��

reprezintă abaterea punctului ! de la valoarea reală. Dacă această cantitate este negativă,

punctul este în interiorul elipsei reale, iar dacă este pozitivă respectivul punct este în

exteriorul elipsei reale. Când se obŃine o cantitate nulă (ceea ce, ca şi la cerc, se întâmplă

foarte rar) punctul ! este exact pe elipsa reală. Expresia: &��"� � ��"� � �� &

* � �*�

+� �+�

�


23

este o măsură mult mai practică a erorii. Valoarea absolută este necesară când sunt comparate

două astfel de erori. Această valoare va fi reŃinută în variabila ��'�953. ��'�953 "� �"� � &��"� � ��"� � �� & Algoritmul de desenare a elipsei diferă de cel al cercului prin faptul că elipsa are două

axe de simetrice. Prin urmare la fiecare iteraŃie vor fi desenate 4 puncte. Este necesară

calcularea coordonatelor punctelor doar din primul cadran (aşadar calculul trebuie să acopere

un unghi de 90º - figura 2.4.3.2). În fapt, momentul modificării coordonatelor este determinat

de panta dreptei tangente la elipsă.

Figura 2.4.3.2. Axele de simetrie ale cercului şi cele 4 puncte desenate la o iteraŃie

În primul cadran panta dreptei tangente este totdeauna negativă. Începând pe axa şi

continuând în sens contrar acelor de ceas panta este mare şi negativă ceea ce subliniază

creşterea mult mai rapidă a valorilor coordonatelor verticale decât a celor orizontale. Dar

odată ce tangenta trece prin valoare �� valorile coordonatelor orizontale sevor modifica mult

mai repid decat cele verticale.

Aşadar se vor calcula două seturi de puncte în primul cadran. Primul set începe pe axa

orizontală pozitivă avansând în sens contrar acelor de ceas până când panta tangentei devine ��. Al doilea set de puncte va porni pe axa verticală pozitivă în sensul acelor de ceas şi se va

opri când panta tangentei devine din nou �� (figura 2.4.3.2).

Proiect de diplomă

24

Pentru primul set de puncte � este totdeauna incrementat şi se testează cînd să fie

decrementat . Acest proces este similar cu cel de la desenarea cercului. Pentru al doilea set

de puncte se va incrementa totdeauna şi se va decide când să fie decrementat �.

Decizia de decrementare a lui pentru primul set de puncte se bazează pe compararea

erorii apărute pentru punctele ! " � �� "� şi ! "� �" � ��. Se va alege fie " � �, fie " ca

noua coordonată pe orizontală având în vedere care dintre cele două erori este mai mică.

Oricare ar fi decizia, trebuie cunoscută fluctuaŃia valorii variabilei ��'�953 la orice

fluctuaŃie a coordonatelor. Valoarea nu trebuie să fie calculată din nou dacă se urmăreşte

modul în care aceasta se schimbă funcŃie de coordonate.

Pentru primul set de puncte, ��'�953 " � �� " � �� )�� " � �� " � �� ) � &��"� � ��" � �� "� � � ��" � � � �� & � &��"� � ��"� � �� "� � � ��" � ��& în timp ce ��'�953 "� �" � �� )��"� � � �" � �� ) � &��"� � ��"� � � ��" � � � �� & � &��"� � ��"� � �� " � ��&

Analiza următoarei inegalităŃi este aproximativ identică cu cea apărută în fundamentarea

algoritmului pentru desenarea cercului cu excepŃia faptului că factorul de fluctuaŃie este

multiplicat fie cu �, fie cu ��. Rezultatul este: ��'�953 " � �� " � �� '�953 " � �" � �� = ��"� � ��"� � �� " � �� "� @ �

Când această ultimă inegalitate este îndeplinită coordonata va trebui decrementată

pentru afişarea punctului ! "2� � �"2��. Finalizând această analiză se poate observa utilitatea definirii a două noi variabile: A5B � �� "� �A5B � � ��" � �� Având în vedere că şi � se modifică de la iteratie la iteratie cu C� se poate observa că A5B, respectiv �A5B totdeauna se modifică cu C�� , respectiv C� � . Valoarea iniŃială a

variabilei A5B este � � � � �, iar a variabilei �A5B este � . Similar algoritmului pentru

desenarea cercului, în realitate nu este folosită valoarea absolută pentru calculul erorii.

Poate fi analizată panta dreptei tangente la elipsă prin derivarea implicită a ecuaŃei:


25

�� I � �

Rezolvând după �J se obŃine

�I � �� Deşi ar fi de aşteptat ca în mod normal să se reducă fracŃia de mai sus prin împarŃirea atât

a numitorului, cât şi a numărătorului la 2, reiese totuşi că este mai eficient să nu se facă

această reducere.

Acum se poate determina unde să se separe cele două seturi de puncte calculate în primul

cadran. Primul set corespunde porŃiunii în care �I @ ��. Aşa că se va lua în considerare

inegalitatea

�� @ ��

şi se vor afişa puncte din primul set până când �� @ � ��

Pentru a evita realizarea de înmultiri în această inegalitare la fiecare iteraŃie, se profită din

nou de avantajul faptului că la fiecare reactualizare, şi � se modifică cu o unitate. Astfel se

vor defini încă două noi variabile, K/�3 şi �K/�3: K/�3 � �� K/�3 � � �

Când se desenează primul set de puncte, valorile iniŃiale ale variabilelor vor fi: K/�3 �� şi �K/�3 � �. Pentru primul set de puncte descreşte cu 1 la fiecare iteraŃie, astfel că K/�3 are o descreştere corespunzătoare de ��, în timp ce �K/�3 creşte cu � �.

La desenarea celui de-al doilea set de puncte valorile iniŃiale ale variabilelor vor fi: K/�3 � � şi �K/�3 � � ��. Pentru acest set de puncte creşte cu 1 la fiecare iteraŃie, astfel

încât K/�3 are o creştere corespunzătoare de �� , în timp ce �K/�3 descreşte cu � � de

fiecare dată când � descreşte cu 1.

2.5. Sisteme de reprezentare a culorilor în echipamente video

2.5.1. Sistemul RGB – Red, Green, Blue (roşu, verde, albastru)[17]

Modelul de culoare RGB este un model aditiv de culoare în care cele trei componente

(roşie, verde şi respectiv albastră) sunt suprapuse în diferite moduri pentru a reproduce o

Proiect de diplomă

26

paletă variată de culori. Numele modelului provine de la iniŃialele celor trei componente

aditive primare (figura 2.5.1.1).

Figura 2.5.1.1. Modelul aditiv RGB

Principalele scopuri ale modelului RGB este detectarea, reprezentarea şi afişarea

imaginilor în sisteme electronice dintre care amintim: televizoare, calculatoare; totodată a fost

folosit şi în tehnica fotografică. Chiar dinaintea epocii electronice acest model avea o

fundamentare teoretică solidă bazată pe modul în care omul percepe culorile.

Acest model reprezintă un spaŃiu de culori dependent de echipament: diferite

echipamente detectează sau reproduc o anumită valoare RGB diferit, dat fiind faptul că

elementele culorii şi răspunsul lor la nivele individuale de R, G, B variază de la producător la

producător sau chiar în timp la acelaşi echipament. Aşadar o valoare RGB nu defineşte

aceeaşi culoare la echipamente diferite fără a avea o metodă de gestionare a culorii.

Pentru a forma o culoare cu RGB trei fascicule luminoase colorate (unul roşu, unul verde,

iar ultimul albastru) trebuie să fie suprapuse. Fiecare dintre cele trei fascicule este denumit

componentă a acelei culori, iar fiecare dintre ele poate avea o anumită intensitate, de la total

închis până la total deschis, în respectiva mixtură.

Modelul de culoare RGB este aditiv în sensul că cele trei fascicule sunt însumate

împreună, iar sprectrul lor luminos este însumat pentru a realiza spectrul final al culorii.

Cea mai scăzută intensitate pentru fiecare componentă va reda cea mai închisă culoare

(considerată negru), iar cea mai ridicată intensitate va reda culoarea alb. Calitatea albului

redat depinde de natura surselor primare de lumină, dar dacă sunt echilibrate corect rezultatul

este un alb neutru. Când intensitătile celor trei componente sunt identice dar nu minime sau

maxime se va obŃine o nuanŃă de gri mai deschisă sau mai închisă funcŃie de intensitate.


27

Când una dintre componente are intensitatea cea mai puternică, culoarea obŃinută este o

nuanŃă apropiată de componenta respectivă, iar când două dintre cele trei componente au

intensităŃi puternice atunci culoarea obŃinută este o nuanŃă apropiată de una dintre culorile

secundare (culori obŃinute prin combinarea a două componente la intensităŃi maxime).

Modelul RGB în sine nu defineşte ceea ce înseamnă colorimetric roşu, verde, respectiv

albastru şi astfel rezultatele combinărilor nu sunt specificate absolut, ci relativ la culorile

primare. Când componentele primare sunt definite exact atunci modelul devine un spaŃiu

absolut de culoare (de exemplu sRGB sau Adobe RGB).

Alegerea culorilor primare este în stransă legătură cu fiziologia ochiului uman. Culori

primare bune sunt stimuli care maximizează diferenŃa între răspunsul celulelor conice ale

retinei ochiului uman la lumină de lungimi de undă diferite şi prin urmare realizează un

triunghial culorilor mult mai acoperitor (figura 2.3.1.2).

Figura 2.5.1.2. Triunghiul de culoare pentru spaŃiu de culoare sRGB

Cele trei tipuri normale de celule fotoreceptoare ale ochiului (celule conice) răspund cel

mai mult la următoarele lungimi de undă ale luminii: galben, verde, violet. DiferenŃa în

semnalele recepŃionate de la cele trei tipuri de celule permite creierului sa diferenŃieze o largă

gamă de culori distincte, fiind cel mai senzitiv la lumină verde-gălbuie şi la diferenŃe de

nuanŃe în zona verde-portocaliu.

Totuşi utilizarea celor trei culori primare nu este suficientă pentru reproducerea tuturor

culorilor, ci doar a celor aflate în triughiul culorilor (figura 2.5.1.2).

Proiect de diplomă

28

2.5.2. Sisteme luminanŃă-crominanŃă – YCrCb, YPbPr, YDbDr, YUV[19]

Toate aceste sisteme sunt folosite în transmisia şi procesarea semnalului video.

Majoritatea afişoarelor (cu tub catodic, cristale lichide etc.) au la bază semnale de control a

intensităŃii componentelor RGB, dar aceste semnale nu sunt la fel de eficiente ca o

reprezentare pentru stocarea şi transmisia datelor video.

Sistemele luminanŃă-crominanŃă reprezintă o aproximare practică pentru procesarea

culorii şi uniformitatea perceptuală, unde culorile primare aproximativ corespunzătoare

componentelor de bază ale RGB sunt procesate într-o formă de informaŃie cu semnificaŃie

perceptuală. Prin aceasta, procesarea video, transmisia şi stocarea pot realiza operaŃii şi pot

introduce erori în forme cu semnificatie perceptuală.

Modelele YCrCb, YprPb, YdrDb sunt folosite pentru a separa luminanŃa care poate fi

transmisă la o rezoluŃie mai mare şi viteze mai mari şi două componente de crominanŃă care

pot fi reduse ca rezoluŃie, ca număr de eşantioane, compresate sau chiar tratate separat pentru

mărirea eficienŃei sistemului.

Un exemplu practic ar fi reducerea lungimii de bandă sau a rezoluŃiei alocate culorii în

comparaŃie cu alb-negru ca o urmare a faptului că ochiul uman este oricum mult mai sensibil

la informaŃia alb-negru (figura 2.5.2.1).

Cele patru spaŃii de culoare sunt adese confundate, diferenŃele între ele fiind relativ mici.

Cronologic termenul YUV era folosit pentru o codare specifică a culorii în semnale analogice

în sistemele de televiziune, pe când YCrCb era folosit pentru o codare digitală a semnalului

video şi a imaginilor statice în fişiere de tip MPEG şi JPEG.

Figura 2.5.2.1. Imagine color şi componentele Y, Cr, Cb separate


29

EcuaŃiile de conversie între sistemul LMNOLJMJNJ şi sistemele luminanŃă-crominanŃă sunt

prezentate în cele ce urmează:

PQRQSE � TU V LI � � � TU � TW� V MI � TW V NJ!� � �� V XYZ[Y�Z\]!� � �� V ^YZ[I�Z\_

<, unde TW � �`��F şi TU � �`�aa

PQRQSEI � b^ V L � bc V M � bX V Nd � �`F6e V XZ[Y�Zf]g � �`e�G V ^Z[Y�Zf_

<, unde h bU � �`�aabW � �`��Fbi � � �bU �bW � �`Gjk< Unul dintre principalele avantaje ale transmisiei semnalului video în format luminanŃă-

crominanŃă este păstrarea compatibilităŃii cu sistemele de televiziune alb-negru. Canalele de

transmisie E păstrează aproximativ toate datele înregistrate de camerele alb-negru, astfel

producând un semnal adecvat pentru recepŃia pe vechile afişoare monocrom. În acest caz,

semnalele d � g sau �� sunt pur şi simplu ignorate.

Un alt avantaj al acestor sisteme este faptul că anumite informaŃii pot fi ignorate sau

reduse pentru a micşora cerinŃa de lăŃime de bandă. Ochiul uman are o sensitivitate relativ

mică la culori: acurateŃea informaŃiei de luminozitate a canalului de luminanŃă are un inpact

mult mai mare decât informaŃia de crominanŃă a celorlalte două canale. Prin înŃelegerea

acestor limitări umane s-au dezvoltat standarde de transmisie mult mai eficiente lăsând

creierul uman sa extrapoleze o mare parte din informaŃia de culoare. Aşadar informaŃia de

crominanŃă poate fi substanŃial redusă.

Pe de altă parte trebuie menŃionat faptul că o conversie dintr-un spaŃiu/sistem de culoare în

altul se face cu pierdere de informaŃie. Prin urmare ecuaŃiile de conversie prezentate anterior

nu au un caracter total bijectiv, constantele care apar fiind stabilite experimental.

2.5.3. Sisteme nuanŃă-saturaŃie – HSV, HSL[16]

Sistemele HSL şi HSV reprezintă două modele de reprezentăre a culorilor într-un spaŃiu

general RGB care încearcă să descrie relaŃiile dintre culorile perceptuale cu o mai mare

acurateŃe decât RGB, în acelaşi timp rămânând simple de calculat. HSL/HSV sunt acronime

pentru nuanŃă, saturaŃie, luminozitate/valoare.

Ambele sisteme descriu culorile ca puncte într-un cilindru a cărui axă centrală merge de

la negru în partea de jos până la alb în partea de sus având culori neutre între ele, unde

Proiect de diplomă

30

unghiul în jurul axei corespunde nuanŃei, distanŃa de la axă corespunde saturaŃiei, iar distanŃa

de-a lungul axei corespunde luminozităŃii sau valorii (figura 2.3.3.1).

Cele două reprezentări sunt similare ca scop, dar diferă într-o oarecare măsură ca mod de

abordare. Matematic ambele sisteme descriu un cilindru, dar în timp ce HSV poate fi

considerat conceptual ca un con al culorilor inversat, HSL reprezintă conceptual un con dublu

sau o sferă (figura 2.5.3.2).

Figura 2.5.3.1. Cilindrul HSV

Figura 2.5.3.2. HSL reprezentat ca un con dublu

Trebuie remarcat faptul că deşi “nuanŃa” se referă la acelaşi atribut pentru ambele

sisteme, în cazul “saturaŃiei” definiŃile diferă dramatic.

Din cauza faptului că sistemele HSL şi HSV sunt simple transformări ale unui sistem

RGB dependent de echipament, culorile definite de astfel de triplete depind de culorile

primare folosite. Fiecare echipament are un sistem unic RGB, prin urmare şi un sistem unic

HSL sau HSV corespunzător. Pe de altă parte un triplet sau devine definit în

momentul în care este legat de un spaŃiu de culoare RGB, cum ar fi sRGB.

Conversia din RGB în HSL sau HSV se face conform următoarelor ecuaŃii:

Pentru HSL:


31

K �PQRQS �� A l � � 5� �5� �5� � �5��9 � A l �9 � �� 5�� 5�� 5�� 9 � A l �9 @ ��

< Pentru HSV: ; �

K � m �� A l � � � �5� � � � 5� � A l � n �<

Conversia din HSL în RGB este prezentată în cele ce urmează plecând de la următoarele

premise: o p ��6e��, K� 9 p ��, iar rezultatul �� :� � p ��. De remarcat faptul că în cazul

în care saturaŃia este 0 culoarea rezultată este acromatică, adică un gri. În acest caz valorile

componentelor �� :� � sunt egale cu valoarea 9, aşadar valoarea o este ignorată şi poate fi chiar

nedefinită. Indiferent dacă K � � va fi respectată următoarea secvenŃă de conversie:

q � r 9 s � � K�� A l �9 � ��9 � K � 9 s K� A l �9 t ��<

3 � � s 9 � q

ou � o6e� � o�� 95( / /^ � ou � �6 v �/c � ouv � /X � ou � �6

/w � 8/w � �� /w � �/w � �� /w @ �� p >L� M� N?<

LMNw �PQQQRQQQS 3 � x q � 3� s e s /wy� A l �/w � �eq�A l �e � /w � ��3 � z q � 3� s e s {�6 � /w|} � A l �� /w � �63� A l �/w t �6

< � � p >L� M� N?

Proiect de diplomă

32

Conversia din HSV în RGB se realizează similar:

o" � ~ oe��e

B � oe� � ~ oe�� 3 � ; s � � K� q � ; s � � B s K� / � ; s � � � � B� s K� �� :� ��

PQQRQQS ;� /� 3�� A l �o" � � q� /� 3�� A l �o" � � 3� ;� /�� A l �o" � � 3� q� ;�� A l �o" � 6 /� 3� ;�` A l �o" � F ;� 3� q�� A l �o" � G

<

2.6. Algoritmi de prelucrare a imaginii

În ingineria electronică şi în stiinŃa calculatoarelor, procesarea imagnii reprezintă orice

formă de procesare a semnalelor unde intrarea în sistemul de procesare este o imagine (desen,

fotografie, cadru video, etc.), iar ieşirea poate fi reprezentată fie de o imagine, fie de un set de

caracteristici sau paramentri ai imaginii iniŃiale. Tehnologia digitală modernă a făcut posibilă

prelucrarea semnalelor multidimensionale în sisteme de diferite complexităŃi, de la simple

circuite digitale până la calculatoare paralele. Scopurile acestor prelucrări pot fi împărŃite în

trei categorii:

a. Procesarea imaginii pentru îmbunătăŃirea sau modificarea calităŃii acesteia.

b. Procesarea şi analiza imaginii pentru obŃinerea de măsurători asupra acesteia.

c. Procesarea imaginii cu scopul înŃelegerii conŃinutului şi formării unor descrieri de

nivel înalt ale acesteia.

Procesarea imaginilor de orice natură este realizată cu ajutorul filtrelor implementate fie

hardware (circuite dedicate, procesoare de semnal, filtre implementate în hardware

reconfigurabil de tip FPGA), fie software (aplicaŃii de procesare şi/sau editare a imaginilor).

După modul în care sunt tratate imaginile, filtrele implementate pot fi clasificate astfel:

a. Filtre punctuale – filtre aplicate asupra fiecărui punct/pixel în parte; prezintă

următoarele avantaje: viteză mare de calcul (pot fi organizate în structuri de tip

pipeline, practic se ajunge la o paralelizare a calculului), întârzieri minime ale


33

semnalului prin sistemul de procesare; principalul dezavantaj este acela că nu pot

implementa decât funcŃii de procesare simple, cum ar fi: controlul luminozităŃii,

contrastului, saturaŃiei, nuanŃei, obŃinerea negativului, etc.

b. Filtre bidimensionale – filtre mult mai complexe implementate pe baza a matrici

de conversie; se pot realiza o multitudine de funcŃii complexe de procesare a

imaginilor, cum ar fi: înceŃoşarea sau netezirea imaginii, detectarea muchiilor

(edge-detect), eliminarea zgomotului, efectul de embossing, omogenizarea

culorilor, etc. Principalul dezavantaj îl constituie efectiv construcŃia lor bazată pe

matrici, prin faptul că aplicarea acestor filtre asupra streamurilor video este mai

dificilă, necesită mult mai multă memorie (au nevoie de un volum iniŃial de date,

practic o porŃiune din cadrul) şi structuri specializate pentru aplicarea funcŃiei de

convoluŃie între matricea de pixeli şi matricea filtrului.

În continuare vor fi prezentate principiile teoretice a unui set de filtre punctuale după cum

va urma: negativul imaginii, ajustarea luminozităŃii, saturaŃiei, respectiv contrastului.

2.6.1. Negativul imaginii

O imagine pozitivă este practic imaginea normală. Imaginea negativă este formată prin

inversarea tonurilor. Din punct de vedere al luminanŃei, suprafeŃele deschise devin închis sşi

invers, iar din punct de vedere al cromaticii, nuanŃele culorilor primare devin nuanŃe ale

culorilor secundare (roşu devine turcoaz, verde devine violet, albastru devine galben).

Algoritmul pentru fiecare pixel din imaginea sursă:

- Se extrag componentele �, :, � ale pixelului.

- Valorile binare ale componentelor �, :, � sunt negate (inversate) obŃinând �J, :J, �J. - Se vor înlocui cu valorile r', g', b' componentele pixelului destinaŃie.

Figura 2.6.1.1. Imagine color si negativul acesteia (A-B); imagine alb-negru şi negativul acesteia (C-D)

Proiect de diplomă

34

Pentru imaginile în tonuri de gri se aplică aceeaşi procedură de mai sus, cu menŃiunea că

în loc de cele trei valori �, : şi � avem una singură – nivelul de gri.

2.6.2. Controlul luminozităŃii imaginii[13]

Luminozitatea este un atribut al percepŃiei vizuale în care o sursă pare a radia sau reflecta

lumină. În alte cuvinte, luminozitatea este percepŃia realizată de luminanŃa obiectului

vizualizat.

Luminozitatea este un termen folosit formal pentru a marca sinonimul din fotometrie,

luminanŃă. După cum a fost definit în Catalogul american de termeni în telecomunicaŃii,

termenul de luminozitate ar trebui folosit doar pentru referinŃe necantitative ale senzaŃilor şi

percepŃilor fiziologice ale luminii. De remarcat faptul că luminanŃa unei surse poate oferi

diferite percepŃii de luminozitate în diferite contexte. În spaŃiul de culo RGB, luminozitatea

poate fi considerată chiar o medie aritmetică a celor trei coordonate (componente) de culoare,

deşi nu toate cele trei componente au efecte similare asupra percepŃiei luminii.

� � L � M � N6

Luminozitatea este de asemenea o componentă a spaŃilor de culoare HSL şi HSV.

O imagine cu luminozitate slabă este o imagine subexpusă, iar o imagine cu luminozitate

exagerată este o imagine spupraexpusă.

Figura 2.6.2.1. Imagine la diferite nivele de luminozitate.

Ajustarea luminozităŃii poate fi aplicată atât imaginilor RGB cât şi imaginilor în tonuri de

gri. Ea presupune deplasarea valorilor fiecărui pixel, cu un delta precizat.

Algoritmul pentru imaginile RGB:

Se determină cele trei valori delta: �� , �: , respectiv �� . Pentru fiecare pixel din

imaginea sursă:

- Se extrag componentele �, :, � ale pixelului.


35

- Se calculează �J, :J, �J prin adunarea ��, �:, şi �� la �, :, respectiv �.

- Se vor înlocui cu valorile �J, :J, �J componentele pixelului destinaŃie.

Ca şi în cazul negativizării, pentru imaginile în tonuri de gri este necesară o singură

valoare delta şi se va lucra cu o singură componentă.

2.6.3. Controlul contrastului imaginii[15]

Contrastul este diferenŃa între proprietăŃile vizuale care constituie un obiect (sau

reprezentarea sa într-o imagine) care pot fi distinse de alte obiecte sau fundal. În percepŃia

vizuală a lumii reale, contrastul determină diferenŃă în culoare şi luminozitate a unui obiect

faŃă de alte obiecte aflate în acelaşi câmp vizual. Datorită faptului că sistemul vizual uman

este mai sensibil la contrast decât la luminanŃa absolută, omul poate percepe lumea similar

indiferent de diferenŃele mari de iluminare deŃa lungul zilei sau de la un loc la altul.

Un fenomen demostrat experimental este inhibarea albatrului periferic în condiŃiile în

care lumina albastră este afişată pe un fundal alb, fapt ce are ca rezultat o margine galbenă.

Galbenul este derivat prin inhibarea albastrului pe margini, fapt explicabil în spaŃiul RGB

astfel: alb este format prin combinarea celor trei componente, dar prin inhibarea albastrului

rezultă doar roşu şi verde care prin combinare formează galben.

Există mult posibile definiŃii ale contrastului. Unele includ culoarea, altele nu. Diferitele

definiŃii ale contrastului sunt folosite în diferite situaŃii. Spre exemplu, contrastul luminanŃei

este definit prin următoarea formulă:

�� 4�A�� 945� �/ ��A5�

Logica de la baza acestei formule este că diferenŃe mici de luminanŃă la o luminanŃă

medie mare sunt neglijabile, pe când aceleaşi diferenŃe la o luminanŃă medie slabă contează.

Un alt tip de constrast este contrastul Weber care este definit ca:

�f � � � �W�W

unde � şi �W reprezintă luminanŃele trăsăturilor şi respectiv ale fundalului. Este utilizat în

cazurile în care trăsături mini sunt prezente pe un fundal mare uniform.

Contrastul de tip Michelson este folosit des pentru cadrele în care atât trăsăturile

luminoase cât şi trăsăturile închise sunt echivalente şi ocupă fracŃiuni similare de suprafaŃă.

Acest tip de contrast este definit astfel:

Proiect de diplomă

36

�� "�� "�� unde ��şi ��"� reprezintă nivelele extreme ale luminanŃei.

Un al patrulea tip de contrast este contrastul RMS. Acesta nu depinde de frevenŃa spaŃială

a conŃinutului sau de distribuŃia spaŃială a contrastului în imagine. Contrastul RMS este definit

ca deviaŃia standard a intensităŃilor pixelilor din imagine:

�^�� " � � ��"��

unde intensităŃile �" sunt normalizate la o valoare maximă de 1, � este numărul total de pixeli

din imagine, iar � � reprezintă intensitatea medie a pixelilor din imagine.

Figura 2.6.3.1. Imagine la diferite nivele de contrast.

2.6.4. Controlul saturaŃiei imaginii[14]

În teoria culorilor, saturaŃia, croma şi coloratura sunt în legătura una cu cealaltă, dar

totodată sunt concepte distincte referitoare la intensitatea perpepută a unei culori. Coloratura

este definită ca diferenŃa dintre o culoare şi gri. Croma e definită ca diferenŃa unei culori faŃă

de luminozitatea altei culori se confundă cu alb în condiŃii similare de vizare. SaturaŃia este

practic diferenŃa culorii faŃă de propria sa luminozitate. Aşadar conceptul general este intuitiv,

termenii fiind deseori folosiŃi pentru a definii acelaşi lucru.

Un stimul foarte colorat este intens şi viu, pe când un stimul mai puŃin colorat pare a fi

estompat, mai apropiat de gri. Fără coloratură deloc, o imagine sau o culoare devine un gri

„neutru” (o imagine fără coloratură în nici una dintre culori este denumită o imagine în tonuri

de gri).


37

SaturaŃia este una din coordonatele sistemelor de culoare HSL şi HSV. De notat este

faptul că toate calculatoarele în care este implementat acest sistem de culoare folosesc o

aproximare brută pentru a calcula ceea ce se presupune a fi saturaŃia.

SaturaŃia unei culori este determinată de o combinaŃie de intensitate de lumină şi cât de

mult este distribuită de-a lungul sperctrului vizual pe lungimi de undă diferite. Cea mai pură

culoare este obŃinută prin folosirea unei singure lungimi de undă la intensitate mare

asemănător luminii laser. Dacă intensitatea scade, scade şi saturaŃia. Pentru a desatura o

culoare într-un sistem substractiv, se adaugă alb, negru gri sau complementul nuanŃei.

Figura 2.6.4.1. Imagine la diferite nivele de saturaŃie.

2.7. InterfeŃele seriale RS-232 şi PS/2

2.7.1. InterfaŃa serială RS-232[11][18]

În telecomunicaŃii, RS-232 (Recommended Standard 232) este un standard pentru

semnale transmise serial între două echipamente DTE (Data Terminal Equipment – de fel un

modem) şi DCE (Data Circuit-terminating Equipment). Este folosit în mod în mod special

pentru porturile seriale ale calculatoarelor personale.

Detaliile despre formatul caracterelor şi ratei de trasfer sunt controlate de hardware-ul

portului serial, de obicei un singur circuit integrat denumit UART care realizează conversia

din paralel în forma asincronă serialp start-stop. Detaliile despre nivelele de tensiune,

comportamentul la scurt-circuit sunt controlate de un driver de linie care converteşte nivelele

logice ale UART-ului în nivele ale semnalului compatibile RS-232.

Proiect de diplomă

38

În RS-232, datele sunt trimise ca o serie de biŃi în timp. Ambele moduri de transfer,

sincron şi asincron, sunt suportate de standard. În plus faŃă de circuitul de date, stadardul

defineşte o serie de circuite de control pentru a gestiona conexiunea între DCE şi DTE.

Avantajele transmisiei seriale faŃă de transmisia paralelă sunt următoarele:

- Cablurile seriale pot fi mai lungi decât cablurile paralele. Portul serial transmite un

„1” logic în intervalul -3 până la -25V şi „0” logic în intervalul +3 până la 25V, în

vreme ce portul paralel transmite „0” ca 0V şi „1” ca 5V. Prin urmare portul serial

are diferenŃa maximă de semnal de 50V comparativ cu portul paralel la care aceasta

este de maxim 5V. Prin urmare pierderile de semnal sunt o problemă mai mică

pentru cablul serial decât pentru cablul paralel.

- Pentru transmisia serială nu sunt necesare atât de multe fire pentru transmisie

comparativ cu transmisia paralelă. Dacă dispozitivul care trebuie conectat este la

mare distanŃă, 3 fire sunt mai ieftine şi mai uşor de manevrat decât 19 sau 25 de fire.

Totuşi trebuie luat în considerare şi costul interfaŃării de la fiecare capăt.

Porturile seriale pot avea două tipuri de conectori: de tip D25 şi de tip D9. SemnificaŃia

pinilor este prezentată în tabelul 2.7.1.

Tabel ul 2.7.1. Plasarea pinilor portului serial RS-232 pe conectori

Conector D25 Conector D9 Abreviere Nume complet Pin 2 Pin 3 TD Transmit Data Pin 3 Pin 2 RD Receive Data Pin 4 Pin 7 RTS Request To Send Pin 5 Pin 8 CTS Clear To Send Pin 6 Pin 6 DSR Data Set Ready Pin 7 Pin 5 SG Signal Ground Pin 8 Pin 1 CD Carrier Detect Pin 20 Pin 4 DTR Data Terminal Ready Pin 22 Pin 9 RI Ring Indicator

FuncŃiile pinilor sunt prezentate în tabelul următor:

Tabelul 2.7.1.2. SemnificaŃia pinilor portului serial RS-232

Abreviere Nume complet SemnificaŃie TD Transmit Data Ieşirea serială de date (TXD) RD Receive Data Intrarea serială de date (RXD) RTS Request To Send AtenŃionează DCE că UART e gata pentru transfer CTS Clear To Send Indică faptul că DCE este gata pentru transfer DSR Data Set Ready Către UART: DCE e gata de stabilirea unei legături DTR Data Terminal Ready Către DCE: UART e gata de stabilirea unei legaturi RI Ring Indicator Activ când DCE detectează semnal de sonerie de la

PSTN (comunicaŃie pe linie telefonică prin modem).


39

Fiecare caracter este încapsulat într-un cadru şi trasferat bit cu bit. Cadrul are o formă

standard fiind constituit din patru portiuni, după cum se observă şi în figura 2.7.1.1:

a. Bit de start – când nu sunt transmise datem, linia este menŃinută în “1” logic; la

începerea trasferului fiecărui caracte linia este trecută în “0” logic.

b. BiŃi de date – standardul suportă transferul de caractere reprezentate pe 6, 7, respectiv

8 biŃi.

c. Bit de paritate – bitul de paritate este calculat la iniŃierea transferului fiecărui

caracter; se poate lucra cu paritate pară sau impară.

d. BiŃi de stop – indică sfârşitul unui cadru şi pot fi 1, 1.5, respectiv 2.

Figura 2.7.1.1. Cadrul unui caracter.

2.7.2. InterfaŃa serială PS/2[1]

InterfaŃa fizică PS/2 (Personal System/2) foloseşte un protocol serial bidirecŃional pentru

a transmite date despre mişcarea (în cazul mouse-ului) sau apăsarea butoanelor (în cazul

tastaturii sau mouseului). Pe de altă parte calculatorul poate trimite un număr de comenzi

pentru configurarea acestor interfete cu utilizatorul.

Poate avea două tipuri de conectori: cu DIN cu 5 pini şi mini-DIN cu 6 pini. Sistemul la

care este conectat un mouse sau o tastatură trebuie să ofere pe doi pini ai interfeŃei o sursă cu

protecŃie la suprasarcină de 5V. InterfaŃa indiferent de conectorul folosit mai prezintă încă doi

pini utili în plus faŃă de cei doi de alimentare: pinul de date şi pinul de ceas, ceilalŃi pini fiind

neutilizaŃi. Liniile de date, respectiv ceas sunt implementate fizic ca linii open-collector.

Magistrala PS/2 este în stare inactivă când când ambele linii (de date şi de ceas) sunt în starea

high. Aceasta este singura stare în care se permite trasferul de date de la tastatură sau mouse

către sistem. Sistemul totdeauna trebuie să genereze semnalul de ceas. Dacă se doreşte

transferul de date de la sistem la echipament, trebuie iniŃial oprită comunicaŃia în sens invers

prin setarea semnalului de ceas la nivel jos (low). Apoi gazda va seta şi linia de date la nivel

jos. Acestă stare reprezintă starea de cerere de transfer.

01234567 DDDDDDDD

Bit START Biti

STOP

Bit PARITATE

1 1 t 0

Proiect de diplomă

40

Datele sunt transmise similar standardului RS-232. Fiecare octet trimis este încapsulat

într-un cadru format din: un bit de start, 8 biŃi de date (octetul respectiv), un bit de paritate (se

foloseste doar paritate pară), un bit de stop şi un bit de înştiinŃare, ack (apare doar în transferul

de la gazdă către dispozitiv).

Figura 2.7.2.1. ComunicaŃia dispozitiv-gazdă (SR –bit start, P – bit paritate, ST – bit stop).

Mouse-ul sau tastura trimite un bit pe linia de date când semnalul de ceas este high, iar

gazda citeşte când semnalul de ceas este low.

FrecvenŃa de ceas este de 10 până la 16.7 KHz. Gazda poate să oprească transferul în

orice moment prin setarea semnalului de ceas în starea low pentru un minim de 100 µs. Dacă

gazda opreşte comunicaŃia înainte ca dispozitivul să transmită un cadru complet, respectivul

dispozitiv trebuie sa anuleze transferul şi să retransmită în momentul în care gazda elibereaza

linia. Dacă totuşi gazda opreşte comunicaŃia în perioada în care semnalul de ceas este low,

dispozitivul nu mai trebuie sp retransmită respectivul cadru. Pe de altă parte, dacă trebuie

retransmis respectivul cadru şi între timp mai apare un eveniment, acest ultim eveniment va fi

memorat în bufferul dispozitivului. Atât tastatura, cât şi mouse-ul pe PS/2 sunt prevăzute cu

un buffer de 16 biŃi pentru această situaŃie. În caz că apar alte evenimente când bufferul este

plin, acestea vor fi ignorate. Mouse-ul memorează doar cel mai recent cadru pentru transfer.

Figura 2.7.2.2. ComunicaŃia gazdă-dispozitiv.

a – timpul scurs până la începerea generării semnalelor de ceas.

b – timpul necesar pentru transmiterea datelor.

După cum se observă din formele de undă după transmiterea datelor de la gazdă la

dispozitiv este recepŃionat imediat bitul ack.


41

2.8. Protocolul de transfer între mouse şi sistem[1]

Mouse-ul PS/2 standard suportă următoarele întrări: deplasare pe axa x (stânga-dreapta),

deplasare pe axa y (sus-jos), stările butoanele standard (stanga, dreapta, mijloc). Mouse-ul

citeşte aceste intrări la o anumită frecvenŃă şi reactualizează contorii şi indicatorii

corespunzători. Există multe alte dispozitive PS/2 care au intrări adiŃionale şi pot trimite

datele diferit decât în modul standard.

Când mouse-ul detectează deplasare, acesta incrementează sau decrementează

numărătoarele corespunzător cu deplasarea detectată. Acestea sunt valori de 9 biŃi în

complement faŃă de 2 şi fiecare are asignat un indicator de depăşire. Parametrul care

determină cantitatea prin care sunt incrementate sau decrementate numărătoarele este

rezoluŃia. RezoluŃia standard este de 4 numărări per milimetru şi gazda poate să o modifice

folosind comanda de setare a rezoluŃiei.

AdiŃional mai există un paramentru care nu afectează modificarea valorii numărătoarelor,

ci valoare raportată sistemului. Acest parametru se numeşte scalare. Standard mouse-ul are o

scalare de 1:1 care nu are nici un efect asupra valorii, dar gazda poate seta o scalare de 2:1

printr-o comandă specifică. Dacă scalarea este setată la 2:1, mouse-ul va raporta valoarea

conform următorului tabel:

Tabel ul 2.8.1. Valori raportate de mouse în cazul unei scalări de 2:1

Valoare numărător Valoare raportată 0 0 1 1 2 1 3 3 4 6 5 9

n>5 2n

Mouse-ul PS/2 standard trimite informaŃia de deplasare şi de stare a butoanelor într-un

pachet de 3 octeti după cum este evidenŃiat în figura 2.8.1.

Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

Octet 1 Depăşire Y

Depăşire X

Semn Y

Semn X

“1” Buton Mijloc

Buton Dreapta

Buton Stanga

Octet 2 Deplasare X Octet 3 Deplasare Y

Figura 2.8.1. Pachetul trimis de un mouse PS/2 standard.

Proiect de diplomă

42

InformaŃia de deplasare este reprezentată pe 9 biŃi în complement faŃă de 2, astfel cel mai

semnificativ bit apare ca un bit de semn în octetul 1. Numărătoarele sunt actualizate cand

mouse-ul citeşte intrările şi determină că a fost realizată o deplasare. Valorile acestora

reprezintă cantitatea deplasării care s-a realizat de la ultima citire. Valoarea exprimată de

numărătoarele de deplasare se încadrează între -255 şi 255. Dacă valoarea este depăşită, bitul

indicator de depăşire va fi activat. Numărătoarele sunt resetate după fiecare transfer complet,

dar şi la primirea comenzii de retrimitere de la gazdă.

Mouse-ul PS/2 standard poate opera în patru moduri:

- Reset – mod în care intră automat la pornire sau la primirea comezii de resetare; după

intrarea în acest mod mouse-ul realizează un autotest BAT (Basic Assurance Test) şi

setează: rata de eşantionare 100 per secunda, rezoluŃia 4 per mm, scalarea 1:1 şi

dezactivează trimiterea de date. Apoi trimite rezultatul testului către gazdă. În

următorul pas mouse-ul trimite codul identificator. După trimiterea codului mouse-ul

intră în modul stream.

- Stream – modul implicit în care lucrează mouse-ul după ce s-a terminat de executat

rutina iniŃială de reset.

- Remote – mod util în anumite situaŃii; se intră în acest mod prin trimiterea către

mouse a comenzii de setare mod remote şi se iese prin trimiterea comenzii de setare

mod stream; în acest mo mouse-ul citeşte intrările şi reactualizează numărătoarele şi

indicatorii la rata de eşantionare curentă, dar nu trimite automat pachete de date când

este detectată deplasare. În schimb gazda trebuie să citească datele folosind comanda

de citire date. După recepŃionarea respectivei comenzi, mouse-ul trimite un singur

pachet şi resetează numărătoarele şi indicatorii.

- Wrap – modul este util doar pentru testarea conexiunii intre gazdă şi mouse; se intră

în acest mod prin trimiterea comenzii de setare mod wrap şi se iese prin trimiterea fie

a comenzii de resetare, fie a comenzii de resetare mod wrap. Dacă este primită

comanda de resetare, mouse-ul se va reiniŃializa, iar dacă este primită comanda de

resetare mod wrap, mouse-ul va intra în modul anterior. În acest mod, care este un

mod de tip ecou, fiecare octet trimis de gazdă este retrimis inapoi de mouse, chiar

dacă respectivul octet reprezintă o comandă validă mouse-ul nu va răspunde la ea.

Există doar cele două excepŃii menŃionate anterior.

O extensie populară a mouse-ul PS/2 standard este mouse-ul Microsoft Intellimouse.

Acesta include suport pentru un număr de 5 butoane şi 3 axe de deplasare (stânga-dreapta,


43

sus-jos, rotiŃa de derulare). Aceste caracteristici adăugate necesită împreună cu cele standard

un pachet de 4 octeŃi. Având în vedere că gazdele PS/2 standard nu pot să recunoască acest

format de pachet, acest tip de mouse a fost realizat astfel încât să opereze ca un mouse

standard în cazul în care gazda nu confirmă recunoaşterea tipului de mouse. Astfel acest

mouse poate fi utilizat pe sisteme care nu recunosc respectivele funcŃii ca un mouse normal.

După etapa de resetare mouse-ul Intellimouse operează ca un mouse standard. Pentru a

intra în modul scrolling wheel gazda trebuie să trimită următoarea secvenŃă către mouse:

setare rată eşantionare 200, setare rată eşantionare 100, setare rată eşantionare 80. După

această rutină gazda emite o comandă de receŃionare identificator mouse. Dacă mouse-ul este

standard va trimite inapoi identificatorul 00h,iar în caz contrar 03h. Pachetul de date în acest

mod este prezentat în figura 2.8.2.



Depăşire X

Semn Y

Semn X


Buton Dreapta

Buton Stanga

Octet 2 Deplasare X Octet 3 Deplasare Y Octet 4 Deplasare Z

Figura 2.8.2. Pachetul trimis de un Intellimouse în modul scrolling wheel.

Pentru a intra în modul scrolling wheel+5 gazda trimite următoare secvenŃă: setare rată

eşantionare 200, setare rată eşantionare 200, setare rată eşantionare 80. Mouse-ul va raspunde

la comanda de trimitere identificator cu 04h. Pachetul de date care va fi trimis de un

Intellimouse în acest mod este similar având tot 4 octeŃi (figura 2.8.3).



Depăşire X

Semn Y

Semn X


Buton Dreapta

Buton Stanga

Octet 2 Deplasare X Octet 3 Deplasare Y Octet 4 “0” “0” Buton 5 Buton 4 Z3 Z2 Z1 Z0

Figura 2.8.3. Pachetul trimis de un Intellimouse în modul scrolling wheel+5.

Proiect de diplomă

44

3. Analiza, proiectarea şi implementarea hardware a aplicaŃiei

pentru FPGA

3.1. Premise de proiectare – Analiza problemei

Conform temei de proiectare sistemul hardware trebuie să genereze primitivele grafice pe

un afişor de dimensiuni mici şi să aplice asupra imaginii rezultate a unor efecte vizuale de

bază, practic o procesare primară a semnalului trimis către afişor.

Afişorul este în fapt un LCD TFT Ampire AM-480272ATMQW-00H de 4 Ńoli cu o

rezoluŃie de 480*272 pixeli (figura 3.1.1). LCD-ul are nevoie de o sursă de alimentare tipică

de 3,3V/150mA şi primeşte ca intrare de culoare 18 semnale digitale reprezentând un format

RGB cu 6 biŃi per componentă, astfel fiind posibilă conectarea directă la placa de dezvoltare

fără circuite suplimentare de alimentare sau adaptare a tensiunilor şi/sau curenŃilor.[2]

Figura 3.1.1. Modulul LCD utilizat şi semnalele de comanda.

A fost totuşi necesară realizarea unei plăci adaptoare pin la pin pentru a fi conectat la

porturile Pmod ale plăcii Nexys2 (figura 3.1.2).

Capitolul 3 - Analiza, proiectarea şi implementarea hardware a aplicaŃiei pentru FPGA

45

Figura 3.1.2. Adaptorul pin-la-pin pentru conectarea modulului LCD.

LCD-ul folosit prezintă o serie de avantaje care uşurează modul de control şi anume:

- Are nevoie doar de un singur semnal de sincronizare de tip data-enable; acest semnal

este activ doar pe durata afişarii, în rest fiind inactiv (figura 3.1.3).

- Are un consum redus, astfel fiind posibilă alimentarea directă prin interfeŃele Pmod

ale placii Nexys2.

- Controlul luminii de fundal pe un singur pin prin modulaŃie în lungime de puls

(PWM).

Figura 3.1.3. Comanda LCD-ului în modul data-enable[2].

Proiect de diplomă

46

Am ales să implementez sistemul hardware pe o placă de dezvoltare cu FPGA pentru că

această structură este avantajoasă în acest caz pentru procesarea paralelă în timp real a datelor

de culoare trimise către afişor. Totodată posibilitatea de a implementa structuri care lucrează

în paralel în interiorul FPGA-ului îmi oferă libertatea de a modulariza foarte mult întregul

sistem şi de a integra toate controlerele necesare fără a periclita timpul de procesare.

Totodată implementarea pe un FPGA presupune descrierea de module total specializate

astfel diminuând ocuparea inutilă de resurse şi simplificând mult logica întregului sistem.

În cazul în care apelam la o placă bazată pe microprocesor sau microcontroler problema

paralelizării rămânea încâ valabilă având cel puŃin trei procese principale distincte de

gestionat: preluarea comenzilor, desenarea primitivelor, afişarea. Aşadar în cazul unei

proiectări bazate pe procesor trebuia implementat un mecanism de pseudoparalelizare a

funcŃiilor respective. Pe de altă parte sistemul astfel proiectat trebuia să lucreze la o frecvenŃă

de cel putin N*25MHz, unde N este numărul de procese pseudoparalele, pentru a asigura o

afişare corectă şi sincronizată a imaginii. Aşadar era nevoie de un microprocesor relativ rapid

ceea ce practic rezulta în consum de energie şi costuri mai mari ale sistemului.

Schema bloc a sistemului este prezentată în figura 3.1.3:

Figura 3.1.3. Schema bloc de principiu a sistemului complet.

Conform celor propuse aplicaŃia software pentru microsistemul cu FPGA trebuie să ofere

următoarele funcŃionalităŃi:

- Afişarea pe modulul LCD a unei interfeŃe grafice şi a rezultatului.


47

- Preluarea şi interpretarea comenzilor primite pe interfaŃa serială RS-232.

- Preluarea informaŃilor de deplasare şi stare de la mouse pe interfaŃa PS/2.

- Asigurarea unei memorii tampon video pentru păstrarea imaginii rezultate.

- Generarea primitivelor grafice apelate.

- Procesarea imaginii înainte de a fi afişată.

În proiectarea acestei aplicaŃii am avut în vedere faptul că microsistemul va avea două

moduri de funcŃionare: de sine stătător, respectiv comandat.

Modul de funcŃionare de sine stătător presupune următoarele: interfaŃa de comandă este

asigurată prin intermediul mouse-ului şi butoanelor prezente pe placa Nexys2; interfaŃa

grafică este afişată pe modulul LCD. Utilizatorul poate seta cu ajutorul mouse-ului primitiva

grafică dorită, culoarea de desenare şi parametrii de aplicare a efectelor. Primul punct care

defineşte figura se setează prin apăsarea butonului din stânga al mouse-ului, iar cel de-al

doilea prin apăsarea butonului dreapta. În cazul desenării unui punct doar prima acŃiune este

luată în considerare. Pentru celelalte primitive grafice desenarea este activată la stabilirea

celui de-al doilea punct. Astfel apare un efect secundar al acestei opŃiuni de proiectare şi

anume desenarea cu un punct fix: se stabileşte primul punct, iar apoi prin diferite setări ale

celui de-al doilea punct figurile apar desenate în jurul primului punct selectat.

Modul de funcŃionare comandat presupune aşteptarea comenzilor de la calculator prin

intermediul interfeŃei seriale RS-232. O comandă presupune trimiterea codului comenzii şi a

parametrilor acesteia. La recepŃionarea completă a codului comenzii sistemul o va executa.

Comenzile pot fi de desenare, de actualizare a valorii unei componente cromatice sau de

actualizare a parametrului unui filtru punctual. În acest mod valorile setate cu ajutorul mouse-

ului de către utilizator nu mai au efect asupra modulelor de desenare şi procesare a imaginii.

Sunt folosite doar valorile primite de la calculator pe interfaŃa serială.

InterfaŃa grafică rămâne neschimbată ca organizare indiferent de modul de lucrul activ la

un moment dat. Am decis implementarea unei citiri multiplexate a stării butoanelor plăcii

Nexys2 pentru a evita apariŃia a două evenimente de tip „buton apăsat” simultan. Controlerul

pentru LCD va include şi modulele de generare a interfeŃei grafice dat fiind faptul că acestea

sunt dependente de semnalele de sincronizare.

Pentru acest proiect voi utiliza următoarele interfeŃe (porturi) ale plăcii de devoltare

Nexys2:

- Portul serial RS-232 – pentru receptarea comenzilor de la aplicaŃia software.

Proiect de diplomă

48

- Portul serial PS/2 – pentru utilizarea unui mouse util în modul de funcŃionare de sine-

stătător.

- Porturile Pmod – pentru conectarea modulului de afişare.

- 2 comutatoare şi cele 4 butoane pentru controlul diferitelor funcŃii implementate.

FPGA-ul Spartan 3E-500 are implementate în interiorul cipului un număr de 20 de

module de memorii Block RAM dual-port (biport) de care pot fi configurate funcŃie de

necesătăŃile proiectului având în total o dimensiune de 360 KbiŃi şi încă 20 de multiplicatori

cu operanzi (intrări) pe 18 biŃi (figura 3.1.4).

Figura 3.1.4. Plasarea fizică memoriilor BRAM şi a multiplicatorilor în FPGA-ul Spartan 3E[20].

Avantajul memoriei BRAM este că are din construcŃie două porturi de citire şi scriere,

din acest punct de vedere fiind cea mai bună alegere pentru formarea unei memorii video

tampon. În plus fiecare bloc de memorie este împărŃit în două porŃiuni: memorie de date şi

memorie de paritate. PorŃiunea de paritate poate păstra practic bitul de paritate calculat pentru

fiecare octet de date scris. În cazul în care nu se doreşte verificarea corectitudinii datelor, biŃii

de paritate fie pot fi lasaŃi neutilizaŃi, fie pot fi utilizaŃi ca biti de date (figura 3.1.6).

Folosirea unui modul de memorie BRAM presupune instanŃierea acestuia

corespunzătoare configuraŃiei dorite (tabelul 3.1.1).


49

Tabelul 3.1.1. Modele de organizare a blocurilor BRAM şi instanŃierea corespunzătoare[20].

Port A

16Kx1 8Kx2 4Kx4 2Kx9 1Kx18 512x36

Port B

16Kx1 _S1_S1 8Kx2 _S1_S2 _S2_S2 4Kx4 _S1_S4 _S2_S4 _S4_S4 2Kx9 _S1_S9 _S2_S9 _S4_S9 _S9_S9 1Kx18 _S1_S18 _S2_S18 _S4_S18 _S9_S18 _S18_S18 512x36 _S1_S36 _S2_S36 _S4_S36 _S9_S36 _S18_S36 _S36_S36

Modulul de memorie pentru reŃinerea imaginii desenate (buffer video) trebuie să ofere

accesul concomitent la scriere şi citire pentru două module: modulul de generare a

primitivelor grafice şi modulul de afişare pe ecranul LCD. Datorită acestei particularităŃi am

ales să folosesc cele 20 de blocuri de memorie BRAM intergrate în FPGA-ul plăcii Nexys 2

folosind al treilea mod de utilizare al acestui tip de memorie (figura 3.1.5): pe portul A se

realizează scrierea, iar pe portul B se realizează citirea.

Figura 3.1.5. Moduri de utilizare a bloruilor BRAM[20].

Proiect de diplomă

50

Figura. 3.1.6. Modele de organizare a blocurilor de memorie BRAM[20].


51

3.2. Proiectarea structurii hardware – Schema bloc

Conform premiselor stabilite în etapa de analiză a problemei am conceput următoarea

schemă bloc de principiu a structurii hardware pe care o voi implementa în FPGA:

Figura 3.2.1. Schema bloc a structurii hardware.

3.3. Proiectarea şi implementarea generatorului semnalelor de ceas

Reprezentat de modulul generator_ceas, acesta generează toate semnalele de ceas

necesare funcŃionării întregii structuri hardware după cum urmează (figura 3.3.1):

- Semnal de ceas cu frecvenŃa de 25 MHz – este necesar afişării sincronizate pe

modulul LCD, numit în continuare ceas de pixel; reprezentat de semnalul de ieşire

c25mhz.

- Semnal de ceas cu frecvenŃa de 64 KHz – este necesar generării semnalelor PWM

pentru controlul luminozităŃii luminii de fundal a LCD-ului; reprezentat de semnalul

de ieşire c64khz..

- Semnal de ceas cu frecvenŃa de 20 Hz – semnalul de ceas după care sunt interpretate

evenimentele apărute de la butoanele plăcii Nexys2; reprezentat de semnalul de ieşire

c20hz.

Controler Interfata RS-232

Controler Interfata

PS/2

Controler Mouse

Interpretor comenzi

Interpretor evenimente

mouse Selector Mod de lucru

Primitive Grafice

Buffer Video

Aplicare Efecte

Controler LCD

PC

Mouse LCD

COMUTATOR

Scanare Butoane

Butoane

Proiect de diplomă

52

Fiecare semnal de ceas este generat pe baza unui proces de numărare şi divizare a

semnalului de bază al sistemului (50 MHz).

Figura 3.3.1. Blocul de generare a semnalelor de ceas.

3.4. Scanarea stării butoanelor – modulul debouncer

Reglarea luminozităŃii ecranului LCD şi poziŃionarea imaginii watermark (imagine

suprapusă peste interfaŃa grafică afişată pe LCD) sunt realizate printr-o interfaŃă grafică de tip

OSD (on-screen display) controlată prin intermediul butoanelor prezente pe placa de

dezvoltare Nexys2.

Tabelul 3.4.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului BUT_INT

Nume Tip DirecŃie SemnificaŃie

Clock Std_logic Intrare Semnalul de ceas Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron Buttons Std_logic_vector Intrări Semnale conectate la intrările

pentru butoane Sel Std_logic_vector Ieşire Semnalele indică evenimentul de

„apăsare buton” apărut.

Pentru a contracara efectele stărilor tranzitorii care apar la apăsarea unui buton am

implementat un modul debouncer care elimină aceste stări. Totodată pentru a elimina apariŃia

stărilor neconcludente la apăsarea a două sau mai multe butoane simultan am recurs la

prioritizarea evenimentelor (figura 3.4.1). Astfel dacă apare evenimentul „buton apăsat”

(definit prin stare intrării în „1” logic) la butonul cu prioritatea cea mai mare, atunci stările

celorlalte butoane sunt neglijate, iar ieşirea va primi valoarea corespunzătoare. În cazul în care

nu apare nici un eveniment de acest tip, pinii ieşirii vor fi setaŃi în „0” logic.


53

Figura 3.4.1. Schema sintetizată a modulului de citire a stării butoanelor.

Principiul de funcŃionare a unui modul debouncer pentru o intrare cu stări tranzitorii este

următorul: este citită starea intrării, iar, dacă intrarea este validă (în acest caz, „buton apăsat”,

adică „1” logic), această valoare a intrării este trimisă către ieşire; apoi se aşteaptă o perioadă

de timp (în cazul de faŃă am ales 20 ms), după care ieşirea este resetată şi se realizează o nouă

citire. În cazul apariŃiei semnalului reset activ, procesul este reluat, contorul fiind reiniŃializat.

Tabelul 3.4.2. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului DEBOUNCER


Clock Std_logic Intrare Semnalul de ceas Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron B Std_logic Intrare Semnal conectat la intrarea

butonulul. Bev Std_logic Ieşire Semnalul de stare a butonului fără

perioade transzitorii.

3.5. Proiectarea şi implementarea memoriei video

Conform premiselor de proiectare stabilite, am implementat memoria video utilizând cele

20 de blocuri BRAM. Având în vedere faptul că modulul LCD suportă date de culoare

definite pe 18 biŃi am ales să configurez blocurile BRAM ca memorii 1024x(16+2) biŃi prin

instanŃierea RAMB16_S18_S18, folosind şi biŃii de paritate pe post de biŃi de date.

A rezultat un total de 360 KbiŃi pentru a reprezenta o imagine de 160 x 128 pixeli. Aşadar

fiecare bloc de memorie va avea 1024 de locaŃii a câte 18 biŃi ceea ce presupune o magistrală

de 10 biŃi pentru adresarea unui bloc pentru fiecare port al BRAM-ului. Fiindcă folosesc toate

cele 20 de blocuri de memori am nevoie de încă 5 linii de magistrală pentru a realiza

adresarea completă (�� ).

Activarea unui anumit bloc de memorie este realizată pentru fiecare port cu ajutorul unui

demultiplexor 1:20, iar preluarea datelor de la un bloc de memorie este realizată cu ajutorul

unui multiplexor 20:1 de magistrale de 18 biŃi. Toate cele trei blocuri menŃionate au ca intrări

de selecŃie cele 5 linii adiŃionale ale magistralelor de adresare.

Proiect de diplomă

54

Tabelul 3.5.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului VIDEO_MEM


Clk_a Std_logic Intrare Semnalul de ceas după care se face scrierea pe portul A.

En_a Std_logic Intrare Semnalul de activare a scrierii pe portul A.

Adr_a Std_logic_vector Intrare Adresa de memorie la care este realizată scrierea pe portul A

Di_a Std_logic_vector Ieşire Datele scrise. Clk_b Std_logic Intrare Semnalul de ceas după care se

face citirea pe portul B. En_b Std_logic Intrare Semnalul de activare a citirii pe

portul A. Adr_b Std_logic_vector Intrare Adresa de memorie la care este

realizată citirea pe portul A Do_b Std_logic_vector Ieşire Datele citite.

Astfel implementată, memoria video include următoarele blocuri (figura 3.5.1) :

- Cele 20 de blocuri de memorie BRAM fiecare organizate sub forma a 1024x18biŃi.

- Două demultiplexoare pentru activarea blocurilor corespunzătoare pentru scriere,

respectiv citire.

- Un multiplexor (de magistrale, adică o serie de multiplexoare de acelaşi tip cu

intrările de selecŃie comune) pentru selecŃia datelor la ieşire (operaŃia de citire).

Figura 3.5.1. Schema bloc a memoriei video implementate.

DMUX 1:20

DMUX 1:20

MUX 18 x 20:1

BRAM

0

BRAM 1

BRAM 2

BRAM 19

10 10

20 20 5 5

18

360 18

A / "� A��*U"�U�15

A / +��

A�*"�"U�

15

SCRIERE CITIRE

18

5

18

��


55

3.6. Proiectarea şi implementarea controlerului LCD-ului

3.6.1. Sincronizarea

LCD-ul folosit are nevoie de un singur semnal de sincronizare de tip data-enable.

Modulul de sincronizare, sync_ctrl, are la bază două numărătoare, unul pentru orizontală,

desemnat de semnalul hc, iar celălalt pentru verticală, desemnat de semnalul vc.

În momentul în care valorile celor două semnale sunt mai mici decât valorile care

determină rezoluŃia ecranului (480 pixeli pe orizontală, respectiv 272 pixeli pe verticală),

semnalul de sincronizare de este activat. Similar modulului de sincronizare pentru un ecran cu

tub catodic cu interfaŃă VGA, există atât pe orizontală, cât şi pe verticală o perioadă de

aşteptare (perioadă de blank) în care nu sunt transmise date de culoare către LCD, iar

semnalul de sincronizare este dezactivat.

Tabelul 3.6.1.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului SYNC_CTRL

Nume Tip DirecŃie SemnificaŃie Clock Std_logic Intrare Ceasul de pixel 25 MHz. Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron. De Std_logic Ieşire Semnalul de sincronizare a

afişării pe LCD. Ho Std_logic_vector Ieşiri Contorul poziŃiei curente pe

orizontală. Vo Std_logic_vector Ieşiri Contorul poziŃiei curente pe

verticală.

Acest modulul lucreză sincron cu ceasul de pixel de 25 MHz furnizat de generatorul de

semnale de ceas. La fiecare front crescător al ceasului contorul pe orizontală este incrementat.

Dacă acest contor atinge valoarea 599 (adică s-a realizat desenarea unei linii şi s-a aşteptat

perioada de blank pe orizontală), el va fi resetat la valoare 0 şi va fi incrementat contorul pe

verticală trecând la o nouă linie. Similar în momentul în care contorul pe verticală atinge

valoare maximă specificat, 522, acesta va fi resetat reluând întregul proces.

Am realizat modulul astfel încât să furnizeze la ieşire şi valorile celor două contoare,

fiind necesare în modulele de generare a interfeŃei şi de accesare a memoriei (figura 3.6.1.1).

Proiect de diplomă

56

Figura 3.6.1.1. Modulul de generare a semnalului de sincronizare.

3.6.2. Preluarea datelor din memoria video

Pentru a prelua imaginea generată în memoria BRAM am realizat un modul de acces

direct la memorie (modul DMA). Acest modul va genera funcŃie de valoarea contorilor

generaŃi de modulul de sincronizare adresa corespunzătoare şi va activa citirea din memorie

(figura 3.6.2.1).

Figura 3.6.2.1. Modulul DMA.

Generarea adresei este realizată în doi paşi: generez coordonatele de afişare � �� în

interiorul chenarului, apoi generez adresa de memorie corespuzătoare acestor coordonate.

Pentru a realiza dublarea pixelilor am generat adresa funcŃie de jumătatea valorii

coordonatelor.

Tabelul 3.6.2.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului DMA_INT

Nume Tip DirecŃie SemnificaŃie Clock Std_logic Intrare Ceasul de pixel 25 MHz. Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron. H Std_logic_vector Intrări Contorul poziŃiei curente pe

orizontală. V Std_logic_vector Intrări Contorul poziŃiei curente pe

verticală. Addr Std_logic_vector Ieşiri Adresa de memorie generată. Enable Std_logic Ieşiri Semnalul de activare a citirii.


57

Adresa unei locaŃii de memorie este generată corform formulei: A� � � � ��

Valoarea �� reprezintă numărul de pixeli ai unei linii a imaginii (în acest caz 160).

Pentru a evita folosirea operaŃiei de înmulŃire care presupune apariŃia întârzierilor de calcul,

am rescris valoare �� sub forma unei sume de puteri ale lui 2 şi anume: �� e� � ��j� 6� � ��

Prin urmare formula de calcul a adresei a devinit: A� � � � �� k� � � � G� �

OperaŃile de deplasare la stânga se traduc în limbajul VHDL ca simple concatenări la

dreapta ale valorii lui y repezentată ca vector de biŃi cu un vector de biŃi „0” de lungime 7,

respectiv 5. Astfel generarea adresei este realizată prin operaŃii simple ale căror rezultate apar

în perioada unui singur semnal de ceas. De precizat faptul că şi acest modul lucrează sincron

cu semnalul de ceasului de pixel.

addr<=(py(8 downto 1)&"0000000")+(py(8 downto 1)&"00000")+px(8 downto 1);

Pentru a preîntâmpina întârzierile datorate parcurgerii pipeline-ului de procesare al

filtrelor punctuale, am recurs la generarea în avans a adreselor. Astfel generarea adreselor

începe cu 5 semnale de ceas înainte de fi preluate datele de către modulul de generare a

interfeŃei grafice. Valoarea respectivă am stabilit-o empiric prin verificări succesive ale

rezultatului.

3.6.3. Generarea interfeŃei grafice

Modulul de generare a interfeŃei grafice lucrează sincron cu ceasul de pixel şi generează

nuanŃei de culori funcŃie de valorile contorilor primite de la modulul de sincronizare.

Pictogramele afişate sunt preluate din constante de tip matrice de biŃi. Matricile de biŃi au

număr de coloane multiplu de 4 pentru a fi reprezentate restrâns în hexazecimal. Constantele

de tip matrice implementează practic memorii de tip ROM (read-only memory) în interiorul

circuitului FPGA.

Proiect de diplomă

58

Tabelul 3.6.3.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului GRAFIC_INT


Clock Std_logic Intrare Ceasul de pixel 25 MHz. Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron. H Std_logic_vector Intrări Contorul poziŃiei curente pe


verticală. Ri, Gi, Bi Std_logic_vector Intrări Culoarea citită din memorie. Rc, Gc, Bc Std_logic_vector Intrări Culoarea curentă de desenare. Bv Std_logic_vector Intrări Nivelul de luminozitate al

imaginii. Cv Std_logic_vector Intrări Nivelul contrastului imaginii. Sv Std_logic_vector Intrări Nivelul saturaŃiei imaginii. Ro, Go, Bo Std_logic_vector Ieşiri Culoarea generată la ieşire.

În momentul parcurgerii unei zone determinate de o pictogramă, valoarea „1” logic

regăsită în matrice la poziŃia corespuzătoare va determina afişarea unui pixel de o anumită

culoare; în cazul în care bitul este „0” pixelul respectiv va fi negru. Pentru a diminua

dimensiunea ROM-urilor sintetizate în FPGA am recurs la dublarea dimensiunii de afişare a

pictogramelor (figura 3.6.3.1).

Figura 3.6.3.1. InterfaŃa grafică generată pe ecranu LCD.

3.6.4. InterfaŃa grafică OSD de control a LCD-ului

Pentru vizualizarea şi modificarea valorii intensităŃii luminii de fundal a LCD-ului am

realizat o interfaŃă grafică de tip OSD (on-screen display) care, la apăsarea unui buton al

plăcii Nexys2, apare suprapusă peste interfaŃa grafică actuală (figura 3.6.4.1).

AdiŃional acestor funcŃii am realizat în acest modul şi afişarea unei imagini de tip

watermark, adică o imagine suprapusă totdeauna interfeŃei grafice.


59

Modulul este constituit din 4 procese şi două submodule. Submodulele sunt implementări

de memorii ROM similare celor pentru pictogramele folosite în generarea interfeŃei grafice.

Memoria ROM semnatura conŃine imaginea monocrom a numelui, iar memoria upit_pic

conŃine sigla universităŃii reprezentată printr-o imagine monocrom.

Primul proces interpretează semnalele primite de la modulul de citire a stării butoanelor.

Corespunzător valorii acestor semnale sunt setate opŃiunea curentă, reprezentată prin semnalul

opt, respectiv direcŃia de modificare a parametrilor (incrementare sau decrementare)

reprezentată prin semnalul dir (figura 3.6.4.2).

Figura 3.6.4.2. Organigrama de funcŃionare a primului proces.

Al doilea proces realizează setarea parametrului indicat de semnalul opt şi testarea

atingerii limitelor inferioară şi superioară. De precizat faptul că atât poziŃia interfeŃei OSD

(semnalele ox, oy), cât şi poziŃia imaginii watermark (semnalele pic_x, pic_y) pot fi

modificate.

Figura 3.6.4.1. InterfaŃa OSD şi watermark-ul.

Proiect de diplomă

60

Al treilea proces generează efectiv interfaŃa OSD în momentul în care este activă şi

imaginea watermark. InterfaŃa OSD este constituită din două zone: meniul care afişează

valorile curente ale parametrilor şi a cărui poziŃii poate fi modificată şi zona de afişare a

numelui şi prenumelui. Imaginea watermark am generat-o prin setarea culorii pixelilor activi

(locaŃia din matrice este „1” logic) cu valoarea negată a culorii pixelilor corespuzători ai

interfeŃei grafice furnizate de modulul grafic_int, practic afişarea negativului imaginii de

fundal.

InterfaŃa OSD este afişată pe ecran atât timp cât este apăsat un buton, apoi dispărând după

5 secunde de la eliberarea butonului. Temporizarea este realizată de al patrulea pronces prin

care am implementat un numărător cu resetare. În momentul în care un buton este apăsat,

numărătorul este resetat şi semnalul de activare a afişării interfeŃei OSD este activat. La

eliberarea butonului, numărătorul devine activ. În momentul atingerii limitei, numărătorul

rămâne blocat, iar interfaŃa OSD este dezactivată prin setarea semnalului de activare în „0”

logic (figura 3.6.4.3).

Figura 3.6.4.3. Organigrama de funcŃionare a ultimului proces.


61

Tabelul 3.6.4.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului LCD_OSD


Clock Std_logic Intrare Ceasul de pixel 25 MHz. C20 Std_logic Intrare Ceasulde 20 Hz pentru procesul

de interpretare a evenimentelor butoanelor.

Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron. H Std_logic_vector Intrări Contorul poziŃiei curente pe


verticală. Ri, Gi, Bi Std_logic_vector Intrări Culoarea generată de modulul de

grafic_int. Ro, Go, Bo Std_logic_vector Ieşiri Culoarea generată la ieşire. V_l Std_logic_vector Ieşiri Nivelul luminozitate al LCD-ului.

3.6.5. Generarea semnalului PWM pentru controlul luminozităŃii LCD-ului

LCD-ul utilizat suportă controlul intensităŃii luminii de fundal printr-un singur pin de

intrare prin generarea unui semnal modulat în lăŃime de puls (PWM – pulse width

modulation).

Tabelul 3.6.5.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului LIGHT_CTRL

Nume Tip DirecŃie SemnificaŃie Clock Std_logic Intrare Ceasul de pixel 25 MHz. Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron. Load Std_logic_vector Intrări Nivelul luminozităŃii LCD-ului. Pwm_out Std_logic Intrări Semnalul PWM generat.

Am implementat un modul de generare a semnalului PWM care are la bază un numărător

desemnat de semnalul cnt şi primul proces din interiorul modulului. Al doilea proces

realizează generarea efectivă a impulsurilor PWM corform următoarei logici: dacă valoarea

contorului este mai mică decât valoarea parametrului de intrare, atunci semnalul PWM va fi

setat în „1” logic; în caz contrar, acesta va fi setat în „0” logic (figura 3.6.6.1).

Modulul implementat lucrează sincron cu ceasul de 64KHz. Aşadar fiecare porŃiune de

semnal PWM se repetă cu frecvenŃa de 1KHz dat fiind faptul că sunt generate 64 de nivele de

luminozitate.

Proiect de diplomă

62

Figura 3.6.5.1. Schema sintetizată a circuitului.

3.7. Modulul de modificare a parametrilor în funcŃie de evenimentele

mouse-ului

Evenimentele mouse-ului (apăsare butoane, deplasare pe axa x, deplasare pe axa y) sunt

preluate de la modulul de control al mouse-ului oferit de firma producătoare a plăcii Nexys2

împreună cu modulul de control al interfeŃei PS/2.

Tabelul 3.6.7.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului INTERPRETOR_MOUSE

Nume Tip DirecŃie SemnificaŃie Clock Std_logic Intrare Ceasul de pixel 25 MHz. Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron. Mx, My Std_logic_vector Intrări Coordonatele cursorului mouse. M_lmr Std_logic_vector Intrări Stările butoanelor mouse-ului. Tp Std_logic_vector Ieşiri Tipul primitivei grafice alese. X0, Y0 Std_logic_vector Ieşiri Coordonatele primului punct setat X1, Y1 Std_logic_vector Ieşiri Coordonatele celui de-al doilea

punct setat. Rz Std_logic_vector Ieşiri Raza calculată – distanŃa între

cele două puncte. Rv, Gv, Bv Std_logic_vector Ieşiri Componentele culorii de desenare

setate. Vb Std_logic_vector Ieşiri Nivelul de luminozitate a

imaginii. Vc Std_logic_vector Ieşiri Nivelul contrastului imaginii. Vs Std_logic_vector Ieşiri Nivelul saturaŃiei imaginii.

Date fiind necesităŃile aplicaŃiei pentru microsistem am modificat modulul de control al

mouse-ului, eliminând atât intrările, cât şi secvenŃele de instrucŃiuni necesare pentru setarea


63

rezoluŃiei, scalării, poziŃiei curente a cursorului şi a ariei maxime în care poate fi deplasat

cursorul, setând aria maximă încă de la iniŃializare ca fiind aria ecranului LCD, 480x272

pixeli.

Modulul de modificare a parametrilor funcŃie de evenimentele mouse-ului este utilizat în

momentul în care aplicaŃia funcŃionează în modul de sine stătător, adică atunci când

microsistemul nu este conectat la PC. Acest modul are două funcŃii: pe de o parte

interpretarea evenimentelor mouse-ului care apar, iar pe de altă parte, setarea parametrilor

(practic a ieşirilor) funcŃie de aceste eveniment, dar şi iniŃializarea lor în momentul pornirii

microsistemul sau în momentul în care apare un semnal reset activ (figura 3.7.1).

Figura. 3.7.1. Modulul de interpretare a evenimentelor mouse-ului.

FuncŃie de poziŃia cursorului şi starea butoanelor mouse-ului preluate de la modulul de

control al mouse-ului se decide parametrul care va fi modificat şi cuantumul acestei

actualizări. Am definit în interfaŃa grafică suprafeŃe active indicate pe ecran sub forma unor

pictograme sau a unor bări de derulare.

Există două evenimente ale mouse-ului tratate în momentul în care cursorul se află pe una

dintre aceste suprafeŃe active: dacă s-a apăsat butonul din stânga al mouse-ului („click

stânga”), respectiv dacă s-a apăsat butonul din dreapta al mouse-ului („click dreapta”). Ca şi

în cazul preluării stării butoanelor de pe placa Nexys2, am optat la prioritizarea

evenimentelor. Aşadar, am ales ca eveniment prioritar „click stânga”.

Proiect de diplomă

64

Pentru evenimentul „click stânga”, în cazul în care apare în momentul în care cursorul se

află pe una dintre pictograme biŃii variabilei care indică primitiva grafică vor fi setaŃi

corespunzător selecŃiei făcute.

3.8. Selectorul modului de funcŃionare

Sistemul hardware va avea două moduri de funcŃionare: de sine stătător, respectiv

conectat la calculator. Practic funcŃionalitatea de bază nu se schimbă, doar sursa comenzilor.

Dat fiind faptul că intrările de comenzi sunt identice pentru ambele moduri de funcŃionare, am

implementat selectorul folosind o serie de multiplexoare 2:1, obŃinând un multiplexor de

magistrale.

Tabelul 3.6.8.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului MUX_MOD


Sel Std_logic Intrare Semnal de selecŃie. Tpm0, Tpm1, Tp Std_logic_vector Ieşiri Tipul primitivei grafice alese. (X0m0, Y0m0), (X0m1, Y0m1), (X0, Y0)

Std_logic_vector Ieşiri Coordonatele primului punct setat

(X1m0, Y1m0), (X1m1, Y1m1), (X1, Y1)

Std_logic_vector Ieşiri Coordonatele celui de-al doilea punct setat.

Rzm0, Rzm1, Rz Std_logic_vector Ieşiri Raza calculată – distanŃa între cele două puncte.

(Rvm0, Gvm0, Bvm0) (Rvm1, Gvm1, Bvm1) (Rv, Gv, Bv)

Std_logic_vector Ieşiri Componentele culorii de desenare setate.

Vbm0, Vbm1, Vb Std_logic_vector Ieşiri Nivelul de luminozitate a imaginii.

Vcm0,Vcm1, Vc Std_logic_vector Ieşiri Nivelul contrastului imaginii. Vsm0, Vsm1, Vs Std_logic_vector Ieşiri Nivelul saturaŃiei imaginii.

Intrarea de selecŃie comună pentru toate multiplexoarele implementate este concatată la

un comutator al plăcii Nexys2 (figura 3.8.1).


65

Figura 3.8.1. SelecŃia modului de lucru.

3.9. Generarea primitivelor grafice

În modulul de generare a primitivelor grafice am realizat implementarea algoritmilor

propuşi de Josh Bressenham sub forma unui automat cu stări finite. În fiecare stare a FSM-

ului sunt realizate secvenŃe de operaŃii corespunzătoare etapelor algoritmilor.

Implementarea acestui automat cu stări finite a pornit de la premisa că o primitivă grafică

mai complexă poate fi generată dintr-o mulŃime de primitive grafice mai simple. Aşadar am

considerat următoarele:

- Linia, cercul şi elipsa sunt mulŃimi de puncte.

- Dreptunghiul este format din 4 linii.

- Cercul colorat şi elipsa colorată sunt mulŃimi de linii.

Fiecare algoritm l-am implementat sub forma unor succesiuni de stări de tipul:

iniŃializare, calcul, aşteptare, desenare. Stările de aşteptare apar în cazul generării elipselor

datorită înmulŃirilor care apar în calculul de iniŃializare şi care necesită întârzieri ale

procesului de generare (figura 3.9.1).

Interpretor comenzi

de la PC

Interpretor evenimente mouse

Comutator

Selector Mod de lucru

N x MUX2:1

Proiect de diplomă

66

Figura 3.9.1. Diagrama de stări a automatului care descrie algoritmii de generare a primitivelor grafice.

Datorită faptului că linia este folosită şi pentru generarea altor primitive grafice, am

împărŃit starea de iniŃializare în două: în prima stare de iniŃializare se asignează valorile celor

două puncte car definesc capetele liniei, iar în cea de-a doua stare sunt calculate valorile

iniŃiale ale variabilelor necesare în procesul de generare. Astfel algoritmul de generare a liniei

este reprezentat de 3 stări: line_init0_st, line_init1_st şi line_calc_st. În ultima stare


67

menŃionată sunt calculate coordonatele următorului punct şi este decisă continuarea sau nu a

algoritmului.

Generarea dreptunghiului este reprezentată de două stări: drept_init_st, drept_calc_st. În

starea de iniŃializare este setat contorul numărului de linii rămase de generat. În starea

drept_calc_st este realizată iniŃializarea capetelor liniei curente.

Generarea dreptunghiului plin este reprezentată de două stări: bara_init_st şi

bara_calc_st. În prima stare sunt iniŃializate punctele care definesc aria de desenare. În a doua

stare este realizată parcurgerea ariei respective.

Tabelul 3.9.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului PRIMITIVE_GRAFICE

Nume Tip DirecŃie SemnificaŃie Clock Std_logic Intrare Ceasul de pixel 25 MHz. Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron. X0, Y0 Std_logic_vector Intrări Coordonatele primului punct. X1, Y1 Std_logic_vector Intrări Coordonatele celui de-al doilea

punct. Raza Std_logic_vector Intrări Raza calculată. Mem_en Std_logic_vector Ieşire Activarea scrierii locaŃiei de

memorie. Mem_addr Std_logic_vector Ieşiri Adresa de memorie la care se

realizează scrierea.

Generarea cercului este reprezentată de trei stări ale FSM-ului: cerc_init_st, cerc_draw_st

şi cerc_calc_st. În starea cerc_init_st fie sunt iniŃializate variabilele necesare algoritmului de

generare a cercului, fie este iniŃializată desenare unui punct în cazul în care raza calculată este

egală cu 0. Starea cerc_draw_st determină generarea celor 8 puncte generate la fiecare iteraŃie

a algoritmului. În ultima stare se calculează coordonatele următorului punct al octanului

principal.

Pentru generarea elipsei am implementat o versiune optimizată a algoritmului care

relaizează generarea punctelor printr-o singură parcurgere[3]. Practic la fiecare iteraŃie a

algoritmului sunt generate două puncte în primul cadran. Generarea elipsei este reprezentată

de următoarele stări ale automatului: elip_init0_st, elip_draw0_st, elip_wait1_st, elip_init1_st,

elip_wait2_st, elip_init2_st, elip_draw1_st şi elip_calc_st.

A fost necesară segmentarea stării de iniŃializare datorită operaŃilor de înmulŃire care apar

în calcule. Astfel după iniŃializarea unui set de variabile necesare algoritmului şi iniŃierea

operaŃilor de calcul a patratelor razelor (rx2, ry2) este necesară trecerea într-o stare de

aşteptare , elip_wait1_st, până la finalizarea operaŃilor de înmulŃire. Totodată după această

Proiect de diplomă

68

primă etapă de iniŃializare se vor genera primele două puncte ale elipsei, etapă definită de

stare elip_draw0_st, de aceea am inserat acestă stare în trecerea de la starea elip_init0_st la

elip_wait1_st.

Starea elip_init1_st reprezintă o a doua etapă a iniŃializării în care sunt calculate dublul

valorilor pătratelor razelor şi valoarea iniŃială a eroarii. ApariŃia unei operaŃii de înmulŃire în

calcul determină necesitatea trecerii într-o două stare de aşteptare, elip_wait2_st.

Starea elip_init2_st finalizează iniŃilizarea prin calculul valorii iniŃiale a variabilei xdif.

După finalizarea acestei stări se trece la calcularea şi generarea efectivă a punctelor elipsei. În

stare elip_calc_st este realizat calculul coordonatelor, urmând ca în starea elip_draw_st să fie

generate punctele conforn axelor de simetrie.

Tabelul 3.9.1. Codarea stărilor automatului implementat.

Nume stare Abreviere

în diagramă Codificare

binară SemnificaŃie

nop_st NOP 00000

Starea de aşteptare în care nu se execută operaŃii şi se testează valoarea intrării tp pentru luarea deciziei de trecere în altă stare corespunzătoare.

pixel_init_st PI 00001 IniŃializarea coordonatelor punctului.

pixel_draw_st PD 00010 Desenarea punctului.

line_init0_st LI0 00011 IniŃializarea coordonatelor capetelor liniei.

line_init1_st LI1 00100 IniŃializara variabilelor necesare algoritmulului de generare a liniei.

line_draw_st LD 00101 Generarea efectivă a punctelor liniei.

drept_init_st DI 00110 IniŃializarea coordonatelor punctelor care definesc dreptunghiul.

drept_draw_st DD 00111 Generarea dreptunghiului cu ajutorul a 4 linii.

cerc_init_st CI 01000 IniŃializarea variabilelor necesare algoritmului de generare a cercului.

cerc_draw_st CD 01001 Generarea celor 8 puncte sau 4 linii pentru fiecare iteraŃie a algoritmului.

cerc_calc_st CC 01010 Calculul coordonatelor următorului punct din primul octan al cercului.

elip_init0_st EI0 01011 Prima fază de iniŃializare.

elip_draw0_st ED0 01100 Generarea primelor două puncte ale elipsei sau a liniei mediane a elipsoidului.

elip_wait1_st EW1 01101 Prima stare de aşteptare.

elip_init1_st EI1 01110 A doua fază a iniŃializării.

elip_wait2_st EW2 01111 A doua stare de aşteptare.

elip_init2_st EI2 10000 Ultima fază a iniŃializării.

elip_draw1_st ED1 10001 Desenarea celor 4 punte sau 2 linii pentru fiecare iteraŃie a algoritmului.

elip_calc_st EC 10010 Calculul următoarelor coordonate.

bara_init_st BI 10011 IniŃializarea coordonatelor punctelor ce definesc aria.

bara_draw_st BC 10100 Generarea dreptunghiului colorat.


69

3.10. Procesarea imaginii în timp real

Modulul de procesare a imaginii l-am implementat sub forma unui pipeline de trei filtre

punctuale (figura 3.10.1). După încărcarea pipeline-ului (după primele trei semnale de ceas)

modulul va procesa în paralel informaŃia de culoare a trei pixeli.

Figura 3.10.1. Pipeline-ul de procesare a semnalului RGB.

Filtrele punctuale le-am implementat în submodule cu o structură similară: sunt realizate

preluarile datelor de intrare şi calculele iniŃiale, apoi modificarea proporŃională cu parametru

de intrare (operaŃie de înmulŃire), finalizând cu prelucrarea datelor obŃinute în urma înmulŃirii

şi transmiterea lor la ieşire către blocul următor.

Tabelul 3.10.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului EFECTE


Clock Std_logic Intrare Ceasul de pixel 25 MHz. Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron. Bv Std_logic_vector Intrări Nivelul de luminozitate al

imaginii. Cv Std_logic_vector Intrări Nivelul contrastului imaginii. Sv Std_logic_vector Intrări Nivelul saturaŃiei imaginii. (Ri, Gi, Bi) Std_logic_vector Intrări Componentele culorii neprocesate

a pixelului. (Ro, Go, Bo) Std_logic_vector Ieşiri Componentele culorii procesate a

pixelului.

Fiecare filtru este descris secvenŃial printr-un proces. În proces datele parcurg trei faze

până la obŃinerea rezultatelor finale. La primirea valorilor componentelor cromatice pentru

fiecare pixel şi a valorii parametrului filtrului, aceste date sunt pregătite pentru procesare

(calculul diferenŃelor cromatice fată de componentele cromatice ale culorilor de referinŃă,

normalizarea valorii parametrului). Apoi datele sunt procesate (calcularea noilor valori

Control luminozitate

Control contrast

Control saturaŃie

Nivel luminozitate

Nivel contrast

Nivel saturaŃie

18

l� K�"�� 18 18 18

Proiect de diplomă

70

proporŃional cu valoarea parametrului). În final datele sunt readuse în intervalul de bază [0,

63] (figura 3.10.2).

Figura 3.10.2. Logica generală de procesare a fiecarui filtru.

După cum am menŃionat, filtrele presupun modificarea valorilor celor trei componente

ale culorii reprezentate pe 18 biŃi. Pentru a diminua numărul de multiplicatoare utilizate per

filtru am concatenat informaŃia de culoare cu spaŃieri formate din biŃi de „0” realizând

înmulŃirea simultan pentru cele valori ale componentelor de culoare.

drgb := db & "00000" & dg & "00000" & dr;

p := drgb * c;

Astfel am redus utilizarea în sinteză a multiplicatoarelor de la 6, la 2 per submodul,

totodată reducând şi timpul de procesare fiindcă după cum am mai menŃionat fiecare operaŃie

de înmulŃire presupune o întârziere întârziere cu 4 semnale de ceas a datelor de ieşire obŃinute.

Folosind o implementare de tip pipeline şi gruparea operaŃilor de înmulŃire am obŃinut o

întârziere totală a datelor prin structura de procesare de 6 semnale de ceas (figura 3.10.2).

Figura 3.10.2. Reducerea timpului de procesare prin structuri de tip pipeline.

Timp procesare secvenŃială

DI DO

DI DO

DI DO

DI DI

DI

DO

DO

DO

Timp procesare pipeline

FILTRU PUNCTUAL

Pregătirea datelor pentru

procesare

Procesarea funcŃie de parametru

Readucerea valorilor în

domeniul de bază

Faza 1 Faza 2 Faza 3

RGB intrare

RGB ieşire


71

3.11. Controlul interfeŃei RS-232 - comunicaŃia cu PC-ul

Modulul de comunicaŃie UART RS-232 este oferit gratuit de firma producătoare Digilent

a plăcii Nexys2. Modulul oferă o comunicaŃie bidirecŃională pe portul serial RS-232 al plăcii,

cât şi posibilitatea setării vitezei de tranfer şi al parităŃii utilizate. De interes sunt semnalele de

ieşire dbout şi rda necesare preluării datelor primite pe portul serial (figura 3.11.1).

Figura 3.11.1. Modulul de comunicaŃie RS-232.

Comenzile primite de la aplicaŃia software sunt reprezentate sub forma unor şiruri de

octeŃi. Pentru interpretarea comenzilor am implementat modulul interpretor_comenzi. În

momentul recepŃiei unui octet (semnalul rda activ), modulul verifică validitatea acestuia: în

cazul în care este primul octet din comandă se verifică dacă acesta reprezintă o comandă

validă conform tabelului 3.11.2. Dacă acesta reprezintă o comandă se aşteaptă primirea

parametrilor, în caz contrar fiind neglijat.

La primirea fiecărui parametru este actualizată ieşirea corespunzătoare. În cazul

comenzilor de desenare, tipul primitivei alese este actualizat după primirea tuturor

parametrilor pentru că setarea tipului presupune totodată şi activarea desenării acesteia.

În cazul recepŃionării unui număr incorect de parametri şi neefectuării comezii, modulul

are implementată o logică de reset asincron pentru revenirea la starea iniŃială a contorilor

interni.

Proiect de diplomă

72

Tabelul 3.6.11.1. Descrierea intrărilor şi ieşirilor blocului INTERPRETOR_MOUSE


Clock Std_logic Intrare Ceasul de pixel 25 MHz. Reset Std_logic Intrare Semnalul de reset asincron. D_in Std_logic_vector Intrări Datele recepŃionate. D_stb Std_logic Intrări Indicator date recepŃionate. rdSig Std_logic Ieşire Necesare iniŃierii citirii, respectiv

scrierii pe portul RS-232 wrSig Std_logic Ieşire Tp Std_logic_vector Ieşiri Tipul primitivei grafice alese. X0, Y0 Std_logic_vector Ieşiri Coordonatele primului punct setat X1, Y1 Std_logic_vector Ieşiri Coordonatele celui de-al doilea

punct setat. Rz Std_logic_vector Ieşiri Raza calculată – distanŃa între

cele două puncte. Rv, Gv, Bv Std_logic_vector Ieşiri Componentele culorii de desenare

setate. Vb Std_logic_vector Ieşiri Nivelul de luminozitate a

imaginii. Vc Std_logic_vector Ieşiri Nivelul contrastului imaginii. Vs Std_logic_vector Ieşiri Nivelul saturaŃiei imaginii.

Tabelul 3.11.2. Codificarea comenzilor transmise pe portul serial.

Nume comandă Octet transmis (haxazecimal)

Număr parametri SemnificaŃie

Desenare punct 08h 2 � �� - - Desenare linie 09h 4 � �� Desenare dreptunghi 0Ah 4 � �� Desenare cerc 0Bh 3 � �� raza - Desenare elipsă 0Ch 4 � �� Desenare dreptunghi colorat

0Dh 4 � ��

Desenare cerc colorat 0Eh 3 � �� raza - Desenare elipsă colorată

0Fh 4 � ��

Setare valoare componentă cromatică R

10h 1 R - - -

Setare valoare componentă cromatică G

11h 1 G - - -

Setare valoare componentă cromatică B

12h 1 B - - -

Setare parametru luminozitate

13h 1 L - - -

Setare parametru contrast

14h 1 C - - -

Setare parametru saturaŃie

15h 1 S - - -


73

3.12. Modulul principal – schema sintetizată a structurii

Modulul principal este descris structural şi conŃine toate submodulele prezentate anterior

şi semnalele de legătură aferente (figura 3.12.1).

Figura 3.12.1. Schema RTL sintetizată a structurii descrise de modulele implementate.

Proiect de diplomă

74

4. Analiza, proiectarea şi implementarea aplicaŃiei software

pentru PC

4.1. Premise de proiectare – Analiza problemei

AplicaŃia software pentru calculator trebuie să ofere următoarele funcŃionalităŃi

utilizatorului:

- O interfaŃă deductibilă şi uşor de utilizat.

- Realizarea tuturor primitivelor şi a filtrelor implementate în microsistem.

- Detectare şi accesul la o interfaŃă serială RS-232 a calculatorului.

- Generarea şi trimiterea comenzilor către microsistem.

Pentru realizarea unei comparări a rezultatelor primitivelor grafice implementate în

microsistem cu rezultate preexistente, am decis să nu folosesc funcŃile predefinite ale

mediului de programare pentr desenare, ci să implementez algoritmi similari cu cei

implementaŃi în microsistem. Dorind să simulez prin aplicaŃia software pe calculator o mare

parte din funcŃionalitatea microsistemului, am hotărât să implementez şi filtrele punctuale ca

funcŃii.

4.2. Proiectare – Structurarea pe clase

Structurarea pe clase a aplicaŃiei am stabilit-o în strânsă legătură cu premisele de

proiectare, dar şi cu nivelul de utilitate şi respectarea unor principii de programare orientată pe

obiecte, cum ar fi: protejarea variabilelor interne ale unei clase la accesul direct din altă clasa

prin blocarea acestuia şi folosirea unui acces indirect prin proceduri şi funcŃii speciale numite

seter, respectiv geter.

Am organizat aplicaŃia în următoarele clase (figura 3.2.1.2.1):

- Clasa InterfaŃă – această clasă derivată din clasa Form conŃine practic toate

variabilele şi metodele necesare interfeŃei grafice şi interfeŃei cu portul RS-232.

- Clasa MatriceCulori – clasa simulează comportamentul unui buffer video salvat ca o

variabilă matrice de culori.

- Clasa PrimitiveGrafice – în interiorul acestei clase sunt implementate toate metodele

pentru desenarea primitivelor grafice.

Capitolul 4 - Analiza, proiectarea şi implementarea aplicaŃiei software pentru PC

75

- Clasa Efecte – clasa poate fi considerată ca un container pentr metodele filtrelor

punctuale implementate; am construit această clasă doar din considerente de o mai

bună organizare şi separare a funcŃionalităŃii codului sursă.

Figura 4.2.1. Diagrama UML de principiu a claselor aplicaŃiei şi relaŃiile funcŃionale dintre acestea.

4.3. Proiectare – InterfaŃa grafică

După cum am menŃionat, am dorit ca aplicaŃia software să copieze funcŃionalitatea

aplicaŃiei implementate pe microsistem. Aşadar am încercat să proiectez o interfaŃă grafică

similară cu cea afişată pe ecranul LCD al microsistemului.

Am considerat că sunt necesare următoarele zone în interfaŃa grafică (figura 4.3.1):

a. Zona de selectare a primitivei grafice.

b. Zona de afişare a imaginii rezultate.

c. Zona indicatorilor coordonatelor.

d. Zona de modificareşi afişare a parametrilor.

e. Zona de selectare a portului serial.

Clasa InterfaŃă

Componente de interfaŃă Componente de comunicaŃie serială Metode de tratare a evenimentelor

Clasa Matrice

Metode de setare Metode de preluare

Clasa Efecte

Luminozitate Constrast SaturaŃie

Clasa PrimitiveGrafice

Metode de setare Metode de preluare Metode de generare a primitivelor grafice

Proiect de diplomă

76

Figura 4.3.1. Schemă sumară a interfeŃei grafice.

4.4. Premise de implementare

Luând în considerare necesităŃile aplicaŃiei software am hotărât să o implementez cu

ajutorul mediului de programare Microsoft Visual C# Express Edition folosind Framework-ul

.NET 2.0.

În urma studiului bibliografic am constatat că numai framework-urile .NET 2.0 şi

superioare suportă un acces simplificat la porturile calculatorului.

Implementarea aplicaŃiei a decurs în mai mulŃi paşi, pornind de la implementarea

interfeŃei grafice şi finalizându-se cu implementarea comunicaŃiei seriale RS-232, diagrama

UML completă a claselor aplicaŃiei fiind următoarea (figura 4.1.2):

Zona De Selectare A Primitivei

Grafice

Zona Indicatorilor

Coordonatelor

Zona de afişare a imaginii rezultate

Zona de modificare şi afişare a parametrilor Zona de selectare a

portului serial

Fereastra


77

Figura 4.4.1. Diagrama UML completă a claselor implementate ale aplicaŃiei.

4.5. Implementarea interfeŃei grafice

InterfaŃa grafică este reprezentată de clasa Interfata care este practic o clasă moştenită din

clasa standard Form. Aceasta include instanŃierile, iniŃializările şi metodele de tratare a

evenimentelor tuturor componentelor necesare.

O primă zonă a interfeŃei o reprezintă zona pentru selectarea primitivei grafice dorite. Am

ales realizarea acestei selectări prin componente de tip radiobutton grupate pe un suport de tip

groupbox (figura 4.5.1). Butoanele de acest tip au o caracteristică standard utilă pentru această

funcŃie şi anume: dacă sunt grupate, selectarea unuia dintre ele determină delesectarea

Proiect de diplomă

78

celorlalte. Gruparea este realizată prin inglobarea pe un suport comun, în cazul de faŃă

componenta de tip groupbox.

Figura 4.5.1. Zona pentru selectarea primitivei grafice.

Pentru a diminua numărul de linii de cod şi pentru a uşura realizarea unei singure metode

de tratare a evenimentului de „bifare” pentru tot grupul de butoane, am renunŃat la generarea

automată a componentelor de către designerul de interfeŃe vizuale al mediului de programare

C# şi le-am instanŃiat ca un vector de obiecte în cadrul clasei Interfata. Am realizat

iniŃializarea acestora în cadrul metodei apelate la încărcarea ferestrei, Form1_Load. Numele

butoanelor vor fi preluate dintr-un vector de şiruri de caractere pe care l-am declarat ca o

constantă în interiorul clasei.

private readonly string[] nume_rb = new string[] { "Punct", "Linie", "Dreptunghi", "Cerc", "Elipsa", "Dreptunghi colorat", "Cerc colorat", "Elipsa colorata"}; private RadioButton[] rb;

Metoda radiobuttons_handler reprezintă metoda apelată în momentul apariŃiei unui

eveniment de tip „bifare”. Apelarea respectivei metode este datorată includerii ei ca metodă

de tratare a evenimentului în momentul iniŃializării butoanelor.

this.rb[i].CheckedChanged += new System.EventHandler( this. radiobuttons_handler);

Această metodă va actualiza variabila de tip byte pri_sel care desenează tipul primitivei

grafice alese funcŃie de componenta corespuzătoare bifată şi va reactualiza starea

componentelor de tip textbox care indică valorile coordonatelor prin apelarea metodei

ActualizareTextBoxValori. Această metodă dezactivează textbox-urile care indică

coordonatele celui de-al doilea punct în cazul în care primitiva grafică seletată este „Punct”,

adică în cazul în care pri_sel=0.


79

Următoarea zonă implementată din cadrul interfeŃei grafice a fost zona de desenare care

este reprezentată de o componentă de tipul picturebox, denumit desen. Această componentă

are asignate două metode de tratare a evenimentelor, una pentru tratarea evenimentului de

„click pe suprafaŃă”, ClickSuprafata, iar a doua pentru tratarea evenimentului de „desenare”,

Desenare.

Metoda ClickSuprafata determină dacă a fost apasat buton din stanga al mouse-ului.

Dacă da, în cazul în care primitiva grafică aleasă este diferită de „Punct”, iar primul punct a

fost setat, va seta cel de-al doilea punct, va apela metoda corespunzătoare desenării primitivei

respective, metoda pentru trimiterea comenzii către modulul hardware (TrimiteComanda) şi

metoda de reactualizare a picturebox-ului (desen.Refresh); în cazul în care primul punct nu a

fost setat, va seta coordonatele primului punct. Dacă pri_sel=0, adică primitiva aleasă este

„Punct”, va seta primul punct şi va apela metodele pentru desenarea punctului, trimiterea

comenzii şi reactualizarea picturebox-ului. Setarea coordonatelor punctelor presupune

totodată şi actualizarea conŃinutului textbox-urilor indicatoare. Logica acestei metode am

descris-o în următoarea organigramă (figura 4.5.2).

Figura 4.5.2. Organigrama metodei ClickSuprafata.

Metoda Desenare este apelată automat fie la redesenarea întregii ferestre (eveniment care

este realizat în cazul mutării sau aducerii în prim-plan a ferestrei), fie la apelarea în program a

metodei de reactualizare a conŃinutului componentei de tip picturebox, desen.Refresh. Acestă

Proiect de diplomă

80

metodă realizează desenarea imaginii salvate în matricea de pixeli, fiecare pixel fiind dublat

atât pe orizontală cât şi pe verticală.

Zona pentru indicatorii coordonatelor celor doua puncte este practic formată din

componente de tip label pentru afişarea semnificaŃiei valorilor şi componente de tip textbox

pentru afişarea valorilor în sine (figura 4.5.3). După cum am menŃionat, acestea sunt

modificate prin apelarea metodei ClickSuprafata. Am ales ca după iniŃializare să afişeze

literele „F”, „P”, „G” şi respectiv „A” doar din motive estetice fără a avea o semnificaŃie în

program. La prima setare a pixelului, textbox-urile vor fi actualizate afişând coordonatele

pixelului.

Figura 4.5.3. Zona indicatorilor.

Zona pentru modificarea parametrilor pentru componentele cromatice, luminozitate,

contrast şi saturaŃie este formată din 6 componente de tip trackbar, două componente textbox

şi un picturebox (figura 4.5.4).

Valoarea fiecărui trackbar determină valoarea unuia dintre parametri enumeraŃi. Astfel

am ales lungimea maximă a trackbar-urilor 63 de pixeli care coincide cu valoarea maximă pe

care o poate avea fiecare parametru.

Componentele textbox ca şi în cazul zonei indicatorilor de coordonate au rolul de a afişa

valorile parametrilor setaŃi, cea superioară afişând valorile componentelor cromatice, iar cea

inferioară afişând valorile parametrilor pentru filtrele punctuale.

Figura 4.5.4. Zona de modificare a parametrilor.

Cu ajutorul primelor trei componente de tip trackbar se poate modifica nuanŃa culorii de

desenare. Culoarea de fundal a fiecărei componente este corelată cu valoarea acesteia.

Toate componentele trackbar au asignată o metodă de tratare a evenimentului de

„derulare”, altfel spus a evenimentului de modificare valoare, denumită trackbar_handler. În


81

momentul în care valoarea unui trackbar desemnată prin poziŃia bării de derulare este

modificată, această metodă este apelată automat. Metoda verifică originea apelantului funcŃie

de care apelează în continuare metoda de trimitere a comenzii către microsistem, iar apoi

apelează metoda ActualizareCuloare.

În metoda ActualizareCuloare am implementat reactualizarea culorii de fundal a

trackbar-urilor funcŃie de valoarea curentă a acestora, reactualizarea celor două componente

textbox care indică valorile curente şi a culorii curente afişate în picturebox. Dat fiind faptul

că în momentul iniŃializării trackbar-urilor pentru modificarea parametrilor cromatici (R, G,

B) este nevoie de o actualizare a culorilor de fundal, am adaugat un parametru de tip obiect

numit sender metodei. În cazul în care acest parametru este null însemnă că funcŃia a fost

apelată la pornirea aplicaŃie în procesul de iniŃializare şi va actualiza toate componentele

menŃionate (culori de fundal, textul afişat, culoare picturebox). Dacă parametrul este diferit de

null, fie va actualiza culorile şi textbox-ul superior în cazul în care sender este unul dintre

primele 3 trackbar-uri, fie textbox-ul inferior în caz contrat. Logica acestei metode este

descrisă în următoarea organigramă (figura 4.5.5).

Figura 4.5.5. Organigrama metodei ActualizareCulori.

Totodată cele şase trackbar-uri au asignată încă o metodă de tratate a evenimentului de

„click dreapta” numită resetarevalori. Această metodă readuce valoarea trackbar-ului la

Proiect de diplomă

82

valoare iniŃială şi anume 31 şi apelează metoda TrimiteComanda pentru a actualiza parametri

şi în microsistem.

Valorile următoarelor trei componente de tip trackbar desemnează valorile parametrilor

filtrelor punctuale. Acestea au asignat încă o metodă pentru tratarea evenimentului de „buton

mouse ridicat”. Altfel spus în momentul în care valoarea trackbar-ului este fixată şi butonul

mouse-ului eliberat este apelată metoda redesenare. Metoda respectiva apelează metoda de

reactualizare a imaginii afişate. Astfel am eliminat reactualizarea excesivă a imaginii la orice

modificare a valorilor trackbar-urilor respective.

Ca şi în cazul butoanelor de tip radiobutton, trackbar-urile sunt instanŃiate ca obiecte ale

clasei Interfata şi iniŃializate în metoda Form1.Load pentru a evita generarea automată de cod

suplimentar şi pentru a simplifica adăugarea metodelor de tratare a evenimentelor.

Ultima zonă a interfeŃei grafice este reprezentată de o componentă combobox pentru

afişarea şi selectarea porturilor seriale RS-232 disponibile pe calculator. Eticheta alăturată

indică doar semnificaŃia textului afişat în combobox. Comboboxul este populat la pornirea

aplicaŃiei cu numele porturilor seriale RS-232 detectate pe calculator prin apelarea metodei

DetectarePorturiSeriale.

Metoda DetectarePorturiSeriale apelează funcŃia GetPortNames care returnează un

vector de siruri de caractere. Dacă lungimea acestui vector este 0 atunci însemnă că pe

sistemul PC nu există porturi seriale RS-232 şi comboboxul va fi dezactivat. În caz contrar,

comboboxul este populat cu numele porturilor returnate. Datorită acestei funcŃii de detectare a

porturilor seriale este necesară folosirea cel putin a Framework-ul .NET 2.0. Framework-uri

anterioare nu suportă această funcŃie.

Figura 4.5.6. InterfaŃa grafică a aplicaŃiei software pentru PC.


83

4.6. Implementarea clasei pentru simularea unui buffer video

Imaginea desenată trebuie păstrată într-o memorie pentru a fi redesenată la apelarea

automată sau manuală a funcŃiei de reactualizare a componentei picturebox.

Am ales implementarea acestei memorii sub forma unei matrici de obiecte de tipul

culoare (Color) pe care am inglobat-o în clasa MatriceCulori. Pentru a putea accesa valorile

acestei matrici am implementat metode de tip seter şi geter.

private Color[,] matrice;

Metodele de tip seter actualizează valoarea unui element al matricii. Am implementat

două metode seter, una cu parametru de tip culoare, iar cealaltă cu trei parametrii de tip byte

reprezentând componentele cromatice ale unei culori.

Metodele de tip geter returnează valoarea unui element al matricii. Metoda geter

implementată returnează un obiect de tip culoare corespunzător elementului adresat al

matricii.

4.7. Implementarea clasei şi metodelor pentru gesenarea primitivelor

grafice

În privinŃa implementării metodelor de desenare a primitivelor grafice am ales o abordare

similară celei aplicate pentru microsistemul cu FPGA. Prin urmare coordonarele punctelor

care determină primitiva grafică şi culoarea de desenare nu sunt trimise ca parametri la

apelarea metodei de desenare, ci le setez inaintea acestei apelări.

Prin urmare clasa PrimitiveGrafice care include toate metodele de desenare a primitivelor

grafice, include totodată şi valorile punctelor şi culorii care determină desenarea, dar şi

metodele seter şi geter corespunzătoare. În momentul apelării unei metode de desenare, aceste

valori sunt preluate din variabilele interne ale clasei.

Metodele de desenare a primitivelor grafice le-am implementat pe baza algoritmilor lui

Josh Bresenham. Pentru desenarea punctului am apelat la desenarea unui pătrat de 2x2 pixeli

pentru a realiza dublarea pixelilor, această desenare realizându-se în momentul apelării

funcŃiei de reactualizare a picturebox-ului.

Pentru a desena o figură trebuie realizaŃi următorii paşi de apelare: se setează valorile

coordonatelor punctelor prin apelarea metodelor seter corespunzătoare (SetX0, SetX1, SetY0,

Proiect de diplomă

84

SetY1), se setează culoarea de desenare prin apelarea metodei seter SetColor şi se apelează

metoda de desenare corespunzătoare primitivei grafice dorite.

Desenare presupune în fapt generarea coordonatelor fiecărui punct care defineşte figura,

modificarea elementului de tip culoare din matricea de culori determinat de aceste coordonate

şi în final reactualizarea imaginii din componenta picturebox desen.

Conform algoritmului, generarea coodonatelor punctelor liniei (metoda linie) se reduce la

calculul în primele două octane în sens trigonometric prin iniŃializarea variabilele stepx şi

stepy cu direcŃiile de înaintare a coordonatelor pe orizontală, respectiv verticală funcŃie de

semnul diferenŃelor coordonatelor capetelor pe orizontală, respectiv pe verticală. Decizia

apartenenŃei la unul dintre cele două octane se ia funcŃie de modulul diferenŃelor ()A), respectiv )A�)). Eroarea cumulată este reprezentată de variabila eroare care este actualizată la

fiecare iteraŃie.

Pentru generarea dreptunghiului, am implementat o metodă simplă care presupune două

parcurgeri, una pe orizontală, iar cealaltă pe verticală desenând simultan două linii.

În cazul cercului (metoda cerc), generarea coordonatelor punctelor se reduce la calculul

în primul octan. La fiecare iteraŃie sunt generate 8 puncte ale cercului datorită celor patru axe

de simetrie prin apelarea metodei punctecerc pentru cerc sau a metodei punctedisc pentru

disc. Definim prin disc un cerc cu suprafaŃa interioară de aceeaşi culoare cu marginea.

Eroarea acumulată este păstrată în variabila er_raza, iar variabilele xdif, ydif păstrează

valorile calculate conform algoritmului. Pentru a selecta între desenarea unui cerc sau a unui

disc se apelează metoda cerc cu parametrul boolean plin setat fals pentru cerc, respectiv true

pentru disc.

Pentru generarea elipsei (metoda elipsa), am ales implementarea unei versiuni optimizate

a algoritmului lui Josh Bressenham care generează coodonatele punctelor printr-o singură

trecere[3]. La fiecare iteraŃie sunt generate 4 puncte conform celor 2 axe de simetrie. Astfel se

reduce complexitatea algoritmului la jumătate din valoarea iniŃială. Această versiune a

algoritmului are totuşi un deficit, cazul în care coordonatele pe axa verticală ale celor două

puncte care definesc elipsa sunt egale trebuie tratat separat (caz în care este generată o linie

centrată pe verticală faŃă de centrul elipsei). Ca şi în cazul cercului, parametrul plin al metodei

de generare a elipsei determină desenarea unei elipse coloarate în interior sau nu.

Generarea dreptunghiului umplut (metoda dreptunghiplin) presupune întreaga parcurgere

a ariei definite de cele două puncte. Este cea mai lentă metodă, având practic o complexitate a

algoritmului de ¡ ��.


85

4.8. Implementarea clasei şi metodelor pentru filtrele punctuale

Filtrele punctuale le-am implementat ca metode în cadrul clasei Efecte. Aceste metode

primesc ca paramentri culoarea de intrare ca obiect de tip Color şi valoarea care defineşte

nivelul de aplicare a efectului respectiv asupra culorii şi returnează un obiect de tip Color care

reprezintă culoarea modificată a pixelului.

Metodele sunt apelate consecutiv în cadrul metodei de desenare a imaginii din clasa

Interfata care conŃine un obiect de tip Efecte.

4.9. Implementarea comunicaŃiei seriale

Transferul datelor pe porturile RS-232 l-am realizat prin intermediul clasei SerialPort.

Pentru a putea folosi obiecte de tip serialport acestea trebuiesc iniŃializate cu infomaŃiile

despre numele portului serial care va fi utilizat, viteza de comunicaŃie (în acest caz, 9600 bps),

tipul parităŃii folosite (paritate impară) şi numărul de biŃi de stop (1 bit). În cazul în care există

porturi seriale în sistem, la iniŃializarea aplicaŃiei, prin apelarea metodei

DetectarePorturiSeriale, numele portului va fi iniŃializat cu valoarea primului element al

listei. Trimiterea unui şir de octeŃi după instanŃierea şi iniŃializarea obiectului de tip serialport

presupune următoarele: verificarea dacă portul este deschis; în cazul în care este deschis,

acesta va fi închis şi redeschis pentru noul transfer, în caz contrar va fi doar deschis; aceste

operaŃii sunt realizate prin apelarea metodelor SerialPort.IsOpen, SerialPort.Open,

SerialPort.Close; după deschiderea portului se realizeaza transferul efectiv prin apelarea

metodei SerialPort.Write. Această metodă are două forme de apelare: cu un singur parametru

de tip şir de caractere şi va trimite întregul şir de caractere pe portul serial, iar a doua cu trei

parametri, un vector de octeŃi, indexul octetului de început şi numărul de octeŃi care vor fi

trimişi. După trimiterea datelor portul trebuie închis prin apelarea metodei SerialPort.Close.

În cadrul acestei aplicaŃii am implementat metoda TrimiteComanda care este apelată de

metodele de tratare a evenimentelor corespunzătoare şi care realizează următoarele funcŃii:

verifică dacă au fost detectate porturi seriale pe sistem; dacă exită încearcă trimiterea octetului

care defineşte comanda urmat de un număr de octeŃi pe post de parametri; dacă deşi există

port serial pe sistem dar nu este reuşită transmisia va fi apelată afişarea unei ferestre de mesaj

de eroare. Codificarea comenzilor şi numărul de parametri trimişi şi semnificaŃia lor sunt

Proiect de diplomă

86

prezentate în tabelul 3.11.1, unde R, G, B reprezintă componentele culorii, �� şi �� coordonatele punctelor, iar L, C, S reprezintă nivelul de luminozitate, contrast, respectiv

saturaŃie al imaginii.

Capitolul 5 - Testare şi validare

87

5. Testare şi validare

5.1. Testarea modulelor VHDL implementate

5.1.1. Tehnici de testare folosite

Pentru testarea modulelor implementate în VHDL am folosit următoarele tipuri de testări:

a. Testarea funcŃională, numită şi testarea cutiei negre - presupune că se folosesc numai

cunoştinŃe despre natura programului, despre proprietăŃile datelor de intrare şi

proprietăŃile sau criteriile datelor de ieşire. Un test este o mulŃime de eşantioane: ¢ � > �K��7 � �K��?. Eşantioanele trebuie să verifice ca fiecare modul este realizat

corect şi complet.

b. Testarea structurală - presupune analizarea structurii modulului, iar eşantioanele

sunt concepute astfel încât să testeze toate parŃile modulului.

c. Testarea de integrare - presupune testarea respectivului modul în cadrul unui proiect

de test.

Testele pe care le-am realizat sunt fie sub forma unor simulări pe baza unor date de

intrare, fie sub forma de proiecte de test. Alegerea uneia dintre cele două opŃiuni a depins de o

comparaŃie ipotetică a complexităŃii fiecăreia, dar şi de cantitatea de informaŃii obŃinută în

urma celor două tipuri de teste asupra corectitudinii şi validităŃii implementărilor modulelor

testate. Empiric s-au dovedit a fi mult mai utile simulările modulelor decât testarea de

integrare a acestora.

5.1.2. Simulări ale modulelor implementate

Am ales simularea modulelor reprezentative şi ale căror valori de ieşire pot fi imediat

validate după cum urmează:

? �K" L�( ? Corespunde

cerintelor

Proiect de diplomă

88

1. Modulul de verificare a stării butoanelor – citire_butoane

Figure 5.1.2.3. Simularea diferitelor evenimente de apăsare a butoanelor.

După cum se poate observa din simulare la apăsarea mai multor butoane simultan (de

exemplu d=”1010” sau d=”0111”) ieşirea va indicat evenimentul butonului prioritar

(s=”101”, respective s=”100”).

2. Modulul de interpretare a comenzilor – interpretor_comenzi

Figura 5.1.2.2. Simularea primirii comezii de desenare a unui punct la coordonatele (42, 59).

La recepŃionarea completă a comenzii, modulul va trimite căttre ieşirile corespuzătoare

valorile primite ale parametrilor şi, în cazul comenzilor de desenare, codul primitivei alese.

Ieşirea pentr codul primitivei este ultima ieşire actualizată pentru că determină iniŃializarea

algoritmului de desenare implementat (practic trecerea automatului din stara de aşteptare în

starea de iniŃializare).


89

3. Modulul de interpretate a evenimentelor mouse – interpretor_mouse

Figura 5.1.2.3. Simularea intepretării evenimentelor mouse.

După cum se poate observa din simulare, funcŃie de poziŃia cursorului şi stările

butoanelor mouse-ului sunt actualizate ieşirile corespunzătoare modulului.

4. Modulul de generare a primitivelor grafice – primitive_grafice

Figura 5.1.2.4.a. Simularea generării unei linii între punctele de coordonate (20,10), (1, 3).

Simularea confirmă modul de generare a liniei implementat. Automatul trece ]n starea de

iniŃializare a punctelor care determină linia (pst=3), apoi în starea de iniŃializare a celorlalte

variabile neceare (pst=4), urmând generarea liniei punct cu punct prin desenarea punctului

curent (pst=2), continuată de calculul coodonatelor următorului punct (pst=5).

Proiect de diplomă

90

Figura 5.1.2.4.b. Simularea generării unui cerc cu centrul în punctul de coordonate (5, 5) şi raza 4.


91

5. Modulul DMA pentru citirea memoriei – dma_int

Figura 5.1.2.5. Simularea adresării memoriei la diferite valori ale contorilor pentru orizontală şi verticală.

În simulare se poate observa generarea adresei locaŃiei de memorie corespuzătoare

valorilor contoarelor pentru orizontală, resectiv verticală.

6. Modulul de generare a semnalului PWM – light_ctrl

Figura 5.1.2.6. Simularea generării unui semnal PWM.

Semnalul PWM este generat în 64 de tacturi ale semnalului de ceas de la intrare în care

lungimea blocului de biŃi „1” logic este aceeaşi cu valoarea parametrului load.

7. Modulul de reglare a luminozităŃii imaginii – lum_ctrl

Figura 5.1.2.7. Simularea reglării luminozităŃii.

Proiect de diplomă

92

8. Modulul de reglare a constrastului imaginii – con_ctrl

Figura 5.1.2.8. Simularea reglării contratului.

Modului de reglare a saturaŃiei imaginii – sat_ctrl

Figura 5.1.2.9. Simularea reglării saturaŃiei.

5.2. Testarea aplicaŃiei software pentru PC

5.2.1. Planul de testare

Pentru a realiza testarea aplicaŃiei software am conceput un plan de testare ai cărui paşi i-

am urmărit şi executat atât de-a lungul procesului de implementare, cât şi după realizarea

implementării, moment în care am reluat toŃi paşii.

Etapele planului de testare conceput sunt următoarele:

1. Verificare bunei funcŃionări a interfeŃei grafice – a presupus testarea fiecărei

componente active de interfaŃă; prin componentă activă a se înŃelege o componentă

ale cărei evenimente au ataşate metode de tratare a evenimentelor respective.


93

2. Compararea vizuală a rezultatelor fiecărei metode de gesenare a unei primitive

grafice – această etapă presupune adăugarea la aplicaŃia curentă a unei modalităŃi de a

suprapune fie rezultatul generat pe baza ecuaŃiilor matematice generale ale fiecărei

primitive, fie rezultatul generat de funcŃii predefinite ale framework-ului .NET 2.0

deasupra rezultatului generat de algoritmii implementaŃi pentru efectuarea unei

comparaŃii vizuale.

3. Utilizarea unor aplicaŃii de simulare şi monitorizare a porturilor seriale RS-232

pentru verificarea transferului corect al comenzilor – pentru a realiza această testare

am folosit variantele demonstrative ale următoarelor programe: Eltima Virtual Serial

Port Driver şi Eltima Serial Port Monitor. Primul software activează două porturi

seriale virtuale conectate în buclă, iar cel de-al doilea software monitorizează un port

serial fizic sau virtual.

5.2.2. Rezultate ale testării

Primul pas de testare l-am aplicat încă de la finalul etapei de implementare a interfeŃei

grafice. Am realizat metodele de tratare a evenimentelor astfel încât să returneze atenŃionări

sub forma unor fereste de masaj în cazul în care a fost tratat evenimentul respectiv (figura

5.2.2.1). Aceste atenŃionări au fost dezactivate după realizarea testării prin comentarea codului

de apelare.

Figura 5.2.2.1. Semnalizarea apariŃiei evenimentului de „buton apăsat”.

Proiect de diplomă

94

Al doilea pas al testării l-am aplicat după implementarea fiecărei primitive în parte. Am

adăgat metodei de reactualizare a imaginii afişate desenarea ultimei primitive cu ajutorul

funcŃiei corespuzătoare oferite de framework-ul .NET (figura 5.2.2.2).

Figura 5.2.2.2. Compararea rezultatului generat de algoritm cu rezultatul obŃinut cu ajutorul funcŃiilor oferite de

framework; în acest caz, elipsa colorată albastru comparată cu elipsa verde.

Monitorizarea comuniŃiei seriale pentru realizarea ultimei etape de testare presupune

activarea unei perechi de porturi virtuale, monitorizarea unuia dintre cele două porturi şi

transferul de comenzi pe cel de-al doilea port. Rezultatele obŃinute în urma testelor validează

transmiterea corectă a comenzilor de către aplicaŃie (figurile 5.2.2.3 a, b, respectiv c).


95

Figura 5.2.2.3.a. Verificarea transferului pentru comanda de desenare punct.

Figura 5.2.2.3.a. Verificarea transferului pentru comanda de desenare linie.

Proiect de diplomă

96

Figura 5.2.2.3.a. Verificarea transferului pentru comanda de desenare cerc colorat.

Capitolul 6 - Concluzii

97

6. Concluzii

6.1. Probleme întâmpinate şi soluŃionarea lor

Placa de dezvoltare Digilent Nexys2 are la bază un circuit intergrat VLSI FPGA Xilinx

Spartan3E FG500 care, după cum am prezentat anterior, este relativ limitat din punct de

vedere al resurselor oferite. Reamintim faptul că în interiorul cipului sunt implementate fizic

20 de module de multiplicare şi 20 de module de memorie BRAM dual-port care pot fi

configurate şi conectate conform necesităŃilor sistemului implementat.

Probleme privind resursele folosite au apărut încă din etapa de proiectare a structurii

hardware în momentul în care, conform matematicii care stă la baza filtrelor punctuale, era

nevoie de realizarea a 21 de operaŃii de înmulŃire în care operanzii pot fi diferiŃi de puteri ale

lui 2 (în cazul în care un operand este o putere a lui 2, operaŃia de înmulŃire este sintetizată

sub forma unei operaŃii de deplasare). Pe de altă parte erau necesare încă 3 operaŃii de

înmulŃire în cadrul etapelor de iniŃializare a algoritmului de generare a elipsei şi o operaŃie de

înmulŃire în cadrul modulului de acces direct la memorie pentru calculul adresei de memorie

funcŃie de coordonatele punctului. Aşadar numărul aparent de multiplicatoare necesare se

ridica la 25 depăşind resursele disponibile.

Pentru a reduce numărul de multiplicatoare folosite am recurs la următoarele optimizări:

- Pentru calculul adresei de memorie în cadrul modulului de acces direct la memorie

am recurs la rescrierea formulei într-o formă echivalentă care implică doar operaŃii

de deplasare şi adunare. Practic s-a rezumat la scrierea constantei 160 ca sumă de

puteri ale lui 2. A� � � � �� e� � ��j� 6� � �� A� � � � �� k� � � � G� �

- În cazul calculului luminanŃei necesar pentru aplicarea filtrului de saturaŃie, am

folosit o formulă aproximativă de calcul pentru a reduce din nou calculul la operaŃii

de deplasare, adunare şi scădere. E � �`�aa V L � �`Gjk V M � �`��F V N £ £ �`�GL � �`e�GM � �`��GN � � �`�GL � � � �`�G � �`��G�M � �`��GN � � L ¤ �� M � M ¤ �� M ¤ 6� � N ¤ 6�

Proiect de diplomă

98

- Pentru fiecare filtru în parte am redus numărul de multiplicatoare folosite prin

reorganizarea ordinii în care sunt realizate calculele şi prin gruparea mai multor

operaŃii de înmulŃire care aveau un operand comun (valoarea parametrului).

drgb := db & "00000" & dg & "00000" & dr;

p := drgb * c;

Astfel s-a redus numărul de multiplicatori folosiŃi la 9.

O a doua problemă constatată în etapa de testare a structurii hardware a fost apariŃia

întârzierilor în afişarea imaginii rezultate în urma procesării. Întârzierile erau datorate

operaŃilor de înmulŃire care duraumai mult de o perioadă de ceas. Pentru a contracara acest

efect am recurs la citirea în avans a memoriei cu un număr de pixeli egal cu numărul de

întârzieri ale semnalelor RGB.

6.2. Realizări şi direcŃii de dezvoltare

În urma implementării realizate am reuşit pe de o parte să acopăr obiectivele temei de

proiectare, iar pe de altă structura hardware obŃinută în urma sintetizării s-a încadrat în

numărul de resurse disponibile pe placa de dezvoltare Nexys2.

Tabelul 6.2.1. Rezultate în urma sintetizării circuitelor descrise privind resursele folosite.

Tip resursă Număr total

utilizate Număr total disponibile

Procent de utilizare

Slice-uri 3093 4656 66% Bistabili ai slice-ului 1165 9312 12% LUT-uri de 4 intrări 5806 9312 62% Blocuri IO conectaete

32 232 13%

Memorii BRAM 20 20 100% Multiplicatoare 9 20 45% GCLK 5 24 20%

Totodată am obŃinut o structură hardware de procesare a semnalului video care poate

lucra până la frecvenŃe de ceas de aproximativ 32 MHz conform rezultatelor sintezei

circuitelor descrise (tabelul 6.2.2), astfel acoperind şi frecvenŃa ceasului de pixel de 25 MHz.


99

Tabelul 6.2.2. Rezultate în urma sintetizării circuitelor descrise privind viteza maximă de lucru.

Perioada minimă 30.530 ns FrecvenŃa maximă de lucru 32.755 MHz Timpul minim de sosire a intrărilor inaintea semnalului de ceas 25.292 ns Timpul maxim de reŃinere a ieşirilor după apariŃia semnalului de ceas 27.502 ns Întârzierea maximă prin circuitele combinaŃionale 12.447 ns

Din punct de vedere al direcŃilor de dezvoltare, proiectul de faŃă poate fi adaptat pentru

plăci de dezvoltare cu module FPGA mai performate şi cu mult mai multe resurse disponibile

atât pe placa de dezvoltare, cât şi în interiorul cipului. De exemplu, se poate folosi o placă de

dezvoltarea cu FPGA Virtex2 şi posibilitatea conectării de module externe de memorie DDR,

astfel acoperind necesităŃile de resurse pentru dimensiuni mari ale imaginii şi chiar adăugând

posibilitatea folosirii tehnicii de paginare a memoriei video.

O altă direcŃie de dezvoltare poate presupune folosirea modulului de procesare a imaginii

în proiecte de procesare video în timp real. Astfel având o sursă de decodare a semnalului

video, filtrele punctuale implementate pot fi aplicate cu succes înainte de a afişa sau a

transmite în continuare semnalul video.

Proiect de diplomă

100

Bibliografie


101

Anexe

fpga lcd controller

Documents