Автоматизований стенд для оцифрування інформації з кінострічки

 

1.3 Требования  к устройству оцифровки

 

Автоматизированный  стенд должен был обеспечить такие  задачи:

1. Быструю и точную перемотку пленки.
2. Качественную съемку фрагментов кадра.
3. Быстрое сохранение на емкие электронные носители.

На пути создания автоматизированного метода, потребовалось  также учесть тот факт, что расстояние между кадрами на пленке совершенно разное и редко когда совпадает. Это вероятно связанно с тем, что  съемка производилась на фотоаппарат, а фотоаппарат того времени, в арсенале своих функций, не мог похвастаться автоматической перемоткой кадра. Поэтому перемотка производилась вручную, а следовательно расстояние между кадрами имеет случайный характер и невозможно его предвидеть.

Это и отличает стенд оцифровки от промышленных, серийных сканеров, алгоритм работы которых  заключается в съемке кадра и  автоматической перемотки кадра  на фиксированное расстояние.

Если этот фактор не был бы учтен, а фотопленки были бы просто пропущены через подобное промышленное устройство (например вышеупомянутый пленочный сканер «Nikon Super Coolscan 8000 ED»), то огромная часть информации была бы не оцифрована, и оцифровать её дополнительно можно было бы разве что с использованием проверенного ручного метода оцифровки.

Предположим, что  во всем архиве (1723 рулона пленки) каждая пленка имеет расстояние между кадрами, которое не совпадает со стандартным, и вообще различно. Значит, потребовалось  бы производить дополнительную оцифровку  ручным методом. То есть, эффективность использования для оцифровки серийных промышленных сканеров ничтожно мала, и вообще не имеет смысла.

Решением этой проблемы является объединение процесса пересъемки, с процессом распознавания  элементов изображения. Автоматизированный стенд должен автоматически определять кадр, и снимать его. Сняв кадр, он должен перемотать пленку на некоторое (незначительно) расстояние и потом произвести распознавание элемента изображения и если оно соответствует требуемому, то сделать снимок.

Стоит заметить, что распознавание не должно решать задачу определения информации содержащейся на пленке. Под распознаванием в данном контексте  означается, что стенд должен произвести корреляцию между кадром-шаблоном, и текущим кадром в видоискателе. Анализ пленки будет проводиться по структуре изображения кадра. 

Поэтому под  задачу оцифровки данных с кинопленках  о метеорных исследованиях необходимо создавать свою установку.

Помимо достоинств, сеть также и недостатки автоматизированного  метода, такие как сбои в нештатных ситуациях.

• 2 СОСТАВ СТЕНДА ДЛЯ ОЦИФРОВКИ ДАННЫХ С КИНОПЛЕНКИ

 

 

В результате автором  был разработан стенд, состоящий  из аппаратной и программной части. В данном разделе представлено их  подробное описание

 

2.1 Аппаратная  часть стенда

 

Аппаратная  часть состоит из таких составляющих:

• Механизм перемотки пленки.
• Осветительный прибор
• Камера
• Источник питания
• Персональный компьютер

Аппаратная  часть стенда изображена на рисунках 3 и 4.

 

 

2.1.1 Механизм  перемотки пленки

Для удобств  и полного контроля над процессами работы установки, все управление осуществляется при помощи компьютера. Механизм перемотки также работает под управлением компьютера.

Установка крепится на столе с помощью штатива (1); к штативу присоединено  устройство для фиксирования пленки (2), на которое закреплена Веб-камера (5) и осветительный прибор (4). Питание осветительного прибора осуществляется источником питания постоянного тока (6).

 

Рисунок 3 –  Стенд для оцифровки данных с  кинопленки (вид сбоку)

 

 

Рисунок 4 –  Стенд для оцифровки данных с кинопленки (вид спереди)

 

Устройство  фиксации, благодаря своей конструкции, удерживает пленку (9) на постоянном расстоянии, что облегчает фокусировку и процесс проматывания пленки. Проматывание пленки производится через специальные щели (3) в корпусе фиксирующего устройства. Ширина каждой щели равна ширине пленки, благодаря этому пленка плотно зафиксирована. Веб-камера, в свою очередь, подключена к персональному компьютеру.

Движущей частью стенда является электромеханический  мотор (7), который перематывает пленку с помощью двух резиновых валиков внутри устройства для фиксирования пленки. Валики плотно прилегают к пленке, обеспечивая сцепление и контроль за пленкой. Стоит заметить, что скорость мотора относительно велика, для пересъемки кадров. Поэтому для того чтобы уменьшить скорость перемотки пленки, на стенде установлен механический редуктор, который представлен в виде системы из двух шестерен (12), передача на которые осуществляется посредством пассика (11).

Как было сказано  выше, все управление системой перемотки осуществляется при помощи персонального компьютера. При этом компьютер должен выполнять две задачи:

• подавать управляющий импульс, который будет приводить мотор в движение;
• останавливать движение мотора.

Если бы компьютер смог бы через свой порт генерировать постоянный ток, заданной величины, длительность протекания которого можно контролировать, то есть если бы персональный компьютер работал как источник питания, то для перемотки пленки, достаточно бы было запитать моторчик от компьютера, и при этом программным методом, управлять мотор. К сожалению, такой возможности компьютер не дает, но зато ПК может генерировать управляющие импульсы.

Механизм перемотки  построен по схеме, показанной на рисунке 4, которая была разработана и отлажена автором работы.

Рисунок 4 –  Принципиальная электрическая схема  устройства перемотки

 

Устройство  перемотки, посредством вышеуказанной  схемы, подключено к компьютеру. Схема  осуществляет преобразование сигнала  от компьютера в управляющий сигнал двигателя. Питание установки производится от источника питания постоянного тока U=12 В, и силой тока I=1A.

Связь компьютера с установкой производится через  параллельный порт LTP. 

2.1.2 Устройство  подсветки

Устройство  подсветки (рис 5) представляет собой сверхяркий светодиод белого свечения мощностью 1 Вт (1).  Так как светодиод имеет достаточно высокое значение мощности, для нормальной и долговременной работы его следует охлаждать. В качестве охлаждения используется радиатор, изображенный на рисунке 5 (2).

Светодиод закреплен  внутри радиатора по центру. С целью  достижения равномерного освещения  фотографируемого участка пленки, на разном расстоянии от светодиода установлены  мембраны (3) из светорассеивающего материала. Краями мембраны плотно прилегают к  радиатору, ограничивая прохождение мелких световых пучков, которые могут повлиять на яркость фотографируемого кадра.

Подсветка питается от отдельного блока питания с  напряжением U=3,5В и с током I=1,1 А.

 

Рисунок 5 –  Устройство подсветки

 

2.1.3 Камера

Был проведён анализ существующих на рынке web-камер и исходя из поставленной задачи была выбрана камера  Canyon CNR-WCAM413 (рис.6).

Поскольку она  отвечает следующим требованиям

- имеет возможность  управления процессом съёмки  от ЭВМ;

- обладает вариофокальным объективом.

- Имеет разрешающую  способность позволяющую с легкостью  распознавать любой элемент кадра  пленки.

(информация  взята из [6].)

Данная камера позволяет фиксировать фокусное расстояние, что обеспечивает высокую  скорость фотографирования и удобство работы.

Камера оборудована 1.3-мегапиксельной CMOS матрицей для фото с  разрешением 1024х768.

 

Рисунок 6 –  Камера стенда

 

Съемка производится с использованием стандартного программного обеспечения Microsoft Windows XP. Яркость, цветность, гамма и другие параметры изображения регулируются в стандартной программе для веб-камеры.

Прилагаемое к web-камере программное обеспечение не предполагает её работу в автоматическом режиме фотосъёмки – необходимо «ручное» нажатие на специальную кнопку на самой web-камере, или на клавиатуре компьютера. Поэтому потребовалась разработка специального ПО.

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Программная часть

 

В свою очередь  программная часть стенда разделяется  на 3 программных комплекса:

1. Автоматическая съемка;
2. Автоматическая перемотка пленки;
3. Распознавание и корреляционный анализ изображения на пленке.

Рассмотрим  каждый из них подробно:

2.2.1 Автоматическая съемка

На первом этапе  перехода от ручного метода к автоматизированному, было принято решение, вместо обычного фотоаппарата с автономной памятью, производить съемку с запоминанием на компьютер.

Причиной такого перехода являлось то, что с помощью  компьютера можно значительно быстрее  производить пересъемку кадров. Кроме  того, на многих веб-камерах можно  вручную настраивать фокус линз объектива, что способствовало более быстрому процессу пересъемки, так как бытовой фотоаппарат зачастую не рассчитан на макросъемку, и порой достаточно сложно добиться требуемого значения фокуса на камере.

Съемка производится с использованием стандартного программного обеспечения Microsoft Windows XP.

 В результате  внедрения этого метода, оказалось,  что для процесса оцифровки  требуется как минимум два  человека (один нажимает на клавишу  съемки на компьютере, а другой  перетаскивает пленку на следующий  кадр).

Таким образом, было принято решение автоматизировать процесс съемки, чтобы освободить оператора, который, нажимал на клавишу съемки.

Программная часть, для  стенда создавалась в среде AutoHotkey, посредством написания скрипта. Скрипт – это сценарий, представляющий собой простой текстовый файл, который приводится в рабочий вид программой AutoHotkey. С помощью неё можно написать сценарий выполнения любых действий на компьютере, можно сымитировать нажатие клавиш, движение курсора и прочее. Сценарий выполняет свои команды последовательно сверху вниз с момента его запуска.

Алгоритм программы  автоматической съемки приведен на рисунке 7. Суть его заключается в имитации многократного нажатия клавиши  съемки, причем период между нажатиями  должен составлять несколько секунд (время на перемотку кадра).

 

Рисунок 7 – Алгоритм программной части

 

После запуска, программа  наводит курсор в область экрана, в которой находится клавиша  съемки. После этого производится имитация нажатия. Далее указывается  задержка для времени на перемотку  кадра. После, программа начинает свое выполнение с начала, то есть с момента начала сценария. Остановить выполнение сценария можно вручную, нажав клавишу остановки программы.

2.2.2 Автоматическая  перемотка пленки

 

Как указывалось  выше, автоматическая перемотка пленки осуществляется с использованием электромеханического мотора, который подключен к компьютеру посредством специальной управляющей схемы и LPT-порта.

 

Для перемотки  пленки, компьютер должен подавать управляющий импульс на схему, которая  при приходе импульса на её вход, замыкает мотор (подключенный одним контактом к источнику питания), с нулевой фазой. Этот управляющий импульс нужно подать через параллельный LPT-порт на схему. Для подачи управляющего сигнала используется специальная программа, разработанная для управления LPT-портом, которая называется WndLPT (интерфейс программы приведен на рисунке 8).

Программа управляет  выходами LPT порта компьютера в соответствии с заранее заданным сценарием. С  помощью неё можно также включать и выключать подачу сигнала вручную.

 

Рисунок 8 –  Интерфейс программы WndLPT

 

 К сожалению,  с помощью этой программы невозможно  написать скрипт, который будет  управлять включением или выключением  сигнала с выхода порта, поэтому  сам сценарий хода программы  потребуется написать с использованием упомянутой выше программы «AutoHotkey». Автоматическая перемотка (включение и выключение мотора) пленки будет осуществлена по написанному сценарию, в зависимости от того, когда требуется включить устройство перемотки.

Выбор момента  будет неразделимо работать с программой, обеспечивающей распознавание изображения.

Стоит заметить что использование LPT-порта при построении макета устройства оцифровки данных с кинопленки, не случайно.  Параллельный порт  LPT, в отличии от других выводных шин компьютера (таких как USB или COM-порт и т.д.) имеет достаточно простую схему управления.

LPT-интерфейс (в классификации Института Инженеров Электротехнической и электронной промышленности именуется как IEEE-1284 ) предназначался как порт симплексной передачи сигналов, то есть от компьютера к внешнему устройству.  Параллельный  порт  легко управляется из прикладной оболочки Windows, и не требует обращения к более низким уровням архитектуры ПЭВМ. Сложностью является лишь выбор номера порта, к которому подключено устройство, но с помощью ПО Windows, эта трудность легко разрешима.