通用工业视频图像叠加的设计与实现

    图像处理技术广泛应用于科学研究、工农业生产、军事技术、医疗卫生等领域。在工业上的应用主要有：机器人视觉的研制、生产过程自动化、产品质量检测、机器零件的无损探伤、人工地震信号处理及地层内部结构的重建等等。本文介绍的项目是为实现生产过程自动化，叠加工业现场视频图像中多种起标识作用的图形，简化以后的数字化处理过程；并且可以通过人机交互，由用户通过按键选择所要叠加的图形。目前市场上有能完成其中部分功能的芯片，但是它们价格太高；而且，这些芯片应用面窄，可扩充性差，不能满足客户的特殊要求。本文作者设计并实现了一种成本低、应用灵活可靠，易于扩充、实用性强的图像叠加方案。

    １ 图像叠加的原理及总体设计

    为实现图像叠加，必须先了解图像传送的原理。图像是由明暗不同的部分构成的，一幅图像可以分解成许多个基本单元，叫“像素”。显然，像素的数目越多，就越能呈现出图像的细节，因而画面就越清晰。要想成功地传送一幅图像，必须把它所有的像素分别转换成相应的电信号，再一一加以传送。现代电视技术中，采用顺序（轮流）传送像素的方法，在发送端按照各个像素的行列位置逐个变成电信号，发送到接收端；在接收端屏幕上，各个像素当然也是一个一个地轮流出现的。因此，要想在接收端的屏幕上得出正确的影象，应该符合两个条件：首先是发送与接收两个端的扫描时间应该相等，即扫描频率一致；另外，每一行和每一场开始扫描的时刻也要一样，即扫描的相位一致。所以，严格地保证接收端和发送端的扫描运动互相同步是非常重要的。目前在传送视频信号时，把影象信号、消隐信号和复合同步信号三者按一定比例混合在一起，发送到接收端去控制显象管中电子束的扫描运动，以保证影象中各像素的位置在荧光屏上正确重显。我国采用的电视信号是PAL制，场扫描频率为50Hz，行扫描频率为15625Hz，它的行同步信号和场同步信号的基本波形如图１所示。实际传送的视频信号波形如图2所示，在接收端可以利用这三种信号的幅值不同，用幅度分离将它们彼此分开。“消隐信号”是为了在行扫描逆程或帧扫描逆程期间，摄象管和显象管的电子束被截止而设的信号。“复合同步信号”可控制扫描振荡器的工作频率和相位，它由“水平同步信号”和“垂直同步信号”组合而成，二者的频率不同，在接收端用频率分离电路（或称波形分离电路）将它们彼此分开。

    本项目中，要求对摄象头获得的图像，叠加上几种不同形状的光标，如十字形、圆形、方形、六边形等；用户可以通过键盘对这些光标的形状和大小进行选择。按此要求，我们在图像传送过程中，截取从摄象头传出的视频信号，叠加一些图形信号，再传送到接收端（本项目中为监视器）。所谓叠加，实质上是在像素级，为每个像素点选择电信号。这其中有两个问题，一是精确定位像素点，即确定它的行、列位置；二是定位之后，控制电信号的输出，即选择在监视器上的某一像素点，是显示现场图像像素的电信号，还是叠加图形的像素电信号。解决第一个问题的难点在于信号同步，即从视频信号中提取行同步信号及场同步信号，来控制行／场计数器准确计数，以定位像素点。解决第二个问题在于设置“二选一开关”控制电信号输出。另外，为实现人机交互，实时动态地控制所叠加图形的变换，如改变光标的形状、大小，需要对屏幕编辑缓冲区RAM进行刷新。为避免输出不完整或不稳定的图像，在刷新过程中，维持原屏幕上的图像不变，直至刷新结束。那么如何设置RAM的读写控制信号来实现这一要求，是第三个难点。

    经过上述分析和市场调查，选用Intel的单片机90C32（它与8032的引脚和功能完全一致）作为CPU，可以充分发挥它的灵活性，并且利用其成熟的典型扩展电路来减少开发的难度和成本。在设计中，同步信号的提取、叠加选择的控制、屏幕编辑缓冲区的读写控制，以及键盘译码均用硬件实现，使系统快速、稳定、可靠运行。为减少时延，扩展电路全部采用高速CMOS芯片实现。在此功能较完善的硬件基础上，软件设计简单多了，主要完成系统初始化的按键响应。

    ２ 硬件设计

    硬件设计的总体框图如图3所示。

    下面分别详细介绍各个主要部分的电路。

    2.1 同步信号的提取及行／场计数器电路

    准确提取视频信号中的同步信号对于本项目的成攻至关重要，幸运的是市场上提供了LM1881芯片，它仅需几个外接元件，就可以可靠地提取出视频信号中的同步信号。LM1881的引脚及连接电路如图４所示，图中的电容值均为0.1μＦ，电阻阻值为680KΩ。

    行／场计数器由193芯片级联而成。按PAL制式规定，场扫描频率为50Hz，帧频25Hz，总扫描线数625，由于分为奇偶场扫描，每场有312行，需用二进制地址9位。选择4MHz的晶振行为行计数器的计数脉冲输入，那么每行有256个像素点，计算公式为：每片193有四位输入、输出端，输入端均接“0”，输出端组成地址总线。为保持行、场计数器电路的整齐，并保留一定的扩充性，行、场计数器各设3片193芯片实现。计数器电路如图5所示。

    行同步信号经过一级非门，送往行计数器三片193的清零端MR；同时作为场计数器的计数脉冲，送往场计数器最低级193的计数脉冲输入端CU；而行计数器各级之间的级联由低级193芯片的TCU端送往更高一级193芯片的CU端；图中未画出的行计数器的计数脉冲输入端CU由晶振信号送入。场同步信号经过一级非门，送往场计数器三片193的清零端MR；场计数器各芯片之间的级联方式同行计数器相同。计数器产生的18位地址，经过总线锁存器，高15位送往屏幕编程缓冲区RAM，最低３位送往叠加控制的并串转换电路。

    2.2 图像叠加及控制电路

    参与叠加的信号有两路：现场视频信号、叠加图形信号。由于只要求完成对摄象头获取的图像的叠加，并在监视器上重显图像，叠加信号可以为黑电平和白电平。而视觉效果上黑电平更明显，所以我们选择叠加黑电平。这个“二选一”开关可用美国MAXIM公司生产的MAX442来实现。MAX442芯片是内含放大器的视频两路开关，它具有140MHz的单位增益带宽，250V/μs的转换速率；相位误差小于0.09°，增益误差小于0.07%；通道切换速率为36ns，可以直接驱动50Ω或75Ω的同轴电缆。虽然它价格相对较贵，但考虑到选用它之后，系统的性能可以得到较大幅度的改善，而且本项目的总体成本仍然很低，即性能价格比合理，所以选择这种芯片。

    MAX442的引脚图与连接电路如图６所示，图中的电容容值单位为μF，电阻单位为Ω。INO，IN1为两路视频信号的输入端，分别外接现场视频信号和黑电平；地址线AO控制“二选一”开关，选择输出哪个通道的信号。AO在屏幕编辑缓冲区中仅占一位空间，所以叠加控制字可以按位读写修改，这大大减少了所需的屏幕编辑缓冲区RAM的存储空间。在RAM中数据是按照字节存取的，因此在输出时，需要把从RAM中读出的数据进行并串转换，送到MAX442的AO端。这种“八选一”的数字逻辑电路用可编程芯片GAL可以很方便地实现，成本也不高，因此我们选择用GAL实现，逻辑表达式从略。

    2.3 屏幕编辑缓冲区的控制设计

    屏幕编辑缓冲区选择用RAM，是因为用户要求叠加的均是规则的几何图形，由CPU 90C32动态计算图形各点的位置算法非常简单；用户完全可以接受。

    CPU和视频输出端都要对屏幕编辑缓冲区进行访问，其中CPU要完成对RAM的刷新，即“写”RAM；输出端仅需读RAM。也就是说，对RAM的访问可以定为“写时禁止读”，“读时禁止写”。让它们共用数据总线DB和地址总线AB，而通过控制CPU和行场计数器的地址锁存器的使能端E，来分时使用。可见，这两组地址锁存缓冲器的使能端Ｅ是互斥的，可以仅用90C32的一根PI端口I/O线来作一个“单刀双掷开关”，由CPU通过控制这根I/O线来实现总线的分时使用。所以在电路设计中，RAＭ的片选端CS直接接地，写使能端WR与CPU的WR相连，而读使能端OE与行／场计数器的地址锁存器的使能端E相连。当CPU要对屏幕编辑缓冲区写时，选通它的地址锁存器的使能端Ｅ，同时行场计数器的地址锁存器被禁止，RAM的读使能端也被禁止，即RAM处于“只写”状态。反之，当CPU不需要对RAM刷新时，选通行／场计数器的地址锁存器的使能端E，同时RAM的读使能也被选通，RAM处于“读”状态，并且禁止写操作。用这种“存储器双总线技术”，避免了对屏幕编辑缓冲区的冲突访问，从而保证数据的完整性，得到稳定、正确的叠加视频图像。

    CPU 90C32的典型扩展电路包括程序存储区的扩展、数据存储区的扩展、时钟电路和晶振电路的扩展。考虑到项目需求并保留一定的扩充余地，存储器ROM选用27256芯片，RAM选用61256芯片。其中除RAM（屏幕编辑缓冲区）为临界区，需要特殊设计以外，其它电路与通用的单片机扩展电路完全相同，在此不另做介绍。

    2.4 按键译码电路

    本项目中，用户在人机交互选择叠加光标的形状与大小时，仅需要四个按键，因此不必使用功能强大的8279芯片，直接扩展90C32即可。四个按键经过译码，送到90C32的P1端口，这个译码逻辑非常简单，同样用GAL实现，逻辑表达式从略。在实际使用中，用户选择一次光标的大小与形状之后，总会稳定一段时间去进行其主要工作，所以操作按键的时间对于整个系统的工作时间而言是很短的。CPU对按键的响应采用中断方式，这可以比轮询方式大大减少对CPU处理器资源的占用。在按键电路中，一共占用P1端口２根I/O线，AO、A1是译码后的按键地址（或代码）；另有INT是检测是否有按键被按下的中断信号线，它与90C32的外接中断输入端相连接。通常INT为高电平，若有按键被按下，INT为低电平，CPU可响应中断。

    按键电路的设计，也选择简单、典型而可靠的通用电路实现。目前，按键是利用机械触点的合与断来作用的，当电信号通过按键时，在闭合及断开的瞬间均有抖动过程，会出现一系列的负脉冲，持续时间一般为5～10ms。按键的稳定闭合期，由操作人员的按键动作所决定，一般为十分之几秒至几秒时间。为了保证CPU对按键的一次闭合，仅做一次键输入处理，必须去除抖动影响。通常去抖影响的措施有硬、软件两种，本项目用两重 去抖来提高可靠性：硬件设计中，为每个按键在输入端加一个一端接地的电容，滤去毛刺脉冲；软件设计中，有按键去抖过程，具体思想在软件设计中详细讲述。

    ３ 软件实现

    由于本项目中的难点工作均用硬件实现，所以大大减少了软件设计工作量。软件主要实现系统初始化和中断处理过程，其流程图如图７所示。

    主要过程的设计思想如下所述。

    3.1 系统初始化

    初始化参数，如代表光标大小的RDS、代表光标形状的SHAPE等等；

    初始化监视器的屏幕：清零屏幕编辑缓冲区、叠加十字光标和圆形光标；

    开中断，使CPU处于可接收外部中断信号的状态。

    3.2 中断处理过程

    首先打开在CPU响应中断时关闭的中断，然后调用按键去抖过程，确认有合法按键输入后取出按键代码，刷新屏幕编辑缓冲区，并调用按键响应过程。

    3.3 按键响应过程

    四个子程序分别对应于四个按键的功能：

    KEY0：将现在屏幕上的光标尺寸放大一个单位；

    KEY1：将现在屏幕上的光标尺寸缩小一个单位；

    KEY2：改变现在屏幕上的光标形状，依次重复按此键，光标的形状依次变为圆形、方形、六边形；

    KEY3：同时叠加所有不同大小的圆形光标，这是考虑到在实际应用中，圆形光标的使用频率较其它形状更高而特设的。

    3.4 按键去抖过程

    在检测到有且仅有一个键被按下时，记录此时闭合的按键的代码，然后执行一个延时过程，如延时10ms；之后，再判断是否仍有按键闭合。若有，检测它的代码与方才记录的代码是否一致，只有二者一致时，才认为确实有按键闭合，进行按键响应处理。

    此项目已投入实际生产，运行结果令研制人员和客户满意，认为它：a)原理简单，功能齐全，性能可靠，成本低廉；b)可扩充性强，只需作少许改动，即可适应用户的更高要求：

    （１）若要求进一步提高图像叠加的精确度，可选择更高频的晶振作为行计数器的输入脉冲，必要时对行计数器电路加以扩展；同时在软件的地址处理上略加改动即可。这相当于将像素点细化，因而叠加后的图像清晰度更高。

    （２）若要求对叠加的图形加以扩充或改动，可对相应的软件“按键处理过程”做调整。若需要增加按键的数目，还要对硬件中的按键译码电路进行扩展。由于在硬件设计中已考虑到未来的扩展，目前的设计仅需作很少改动，并且可最大限度地减少占用CPU90C32的端口线。如4个按键需要3根I/O线，即２线地址线，１根中断检测线；若扩展为8个按键，只需增加１根地址线，并重写译码GAL的逻辑即可。以此类推，若扩展N个按键，需要n根I/O线，其中，

    n=[logN]+1＋１

    但是，由于GAL芯片本身结构的限制，建议在按键超过8个时，选用8279扩展键盘，以更好地满足用户要求。

    （３）若要求能叠加更多类的信号，如增加要求“可选择叠加黑电平或白电平”，可对硬件设计的叠加电路及其控制部分加以修改。MAXIM公司提供的芯片MAX441是４信道视频多路开关，MAX440是8信道视频多路开关，它们的单位增益带宽更高，其他主要参数与MAX442基本一致。详细介绍请查阅《MAXIM DATABOOK1998》。

    （４）若要对视频信号进行其它加工、处理，也可由本文所述的原理与实现得到参考和启发。