基于MB90092型的视频监控系统的设计与实现

摘要：叙述单片机控制的图像叠加的一般原理，引入对抗的概念，介绍一种利用叠加技术提高有关部门视频监控系统安全性的方法。使用该方法可以有效地防止在被监控端高科技人员故意对监控头及线路的作假行为，确保远程监控图像的真实性和可靠性。 关键词：MB90092；视频字符叠加；监控系统；设计 中图分类号：TN941.3 文献标识码：A 文章编号：1006-6977（2006）01-0018-04 1 引言 随着监控现场的扩展和探头数量增多，在监控端的图像显示系统中，经常需要接收外部数据并把相关的信息实时地连同图像显示在监控屏幕上，以便使用人员知道该图像信息以何种方式来自何处及与之相关的信息，时间，地区徽标，实时数据显示在屏幕上。但是对于监控人员而言，监控端遭到攻击是一个值得担心的问题，因此，改善技术方案和增强安全性是对目前状况提出的一种迫切要求。监控人员希望所看到的是得到验证的真实图像，无论时间、环境、探头位置、角度和焦距都必须得到保证。在远程监控场合，有关重要部门的监控者往往对于接收图像的实时性和真实性不完全放心，尤其是如果对高科技对象实时监控，那么，当监控者因故临时离开监控台一段时间后，由于不知道被监控方是否对监控系统进行了攻击，故而往往有确认探头工作正常和所见图像真实性的要求。 笔者引入对抗的概念设计了一种具备安全性保障的视频监控系统。该系统使用了在屏幕上叠加动态伪随机符号的方法防止系统在运行时监控头被拆卸。一旦线路被拆动，主监控端给出的确认标识将不再显示，从而检测出被监控方高科技人员随意拆动监控头系统的行为，有效防止了因信号传输线路被随意改动而导致伪图像的引入，本系统能在一些要求高且监控背景不具有环境特征的特殊场合应用，例如在背景为蓝天、白墙和旷野等特殊场合及一些重要部门。 2 图像叠加的原理及设计思路 为了达到图像叠加的目的，必须先了解图像传送的原理，目前电路技术中采用顺序（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发送到接收端，在接收端的显示屏幕上，各个像素也是一个一个显现的。所以，如果想在接收端得到预期的影像，发送端与接收端必须同步。所谓叠加，就是保证经视频信号提取电路分理出的行和场信号与所需叠加的图像信号符合同步要求的条件下，在视频信号相应的位置叠加图标信号的电平。 为了防止被监控对象私自改动线路和引入虚假图像来迷惑监控者，本设计引入了对抗的思路：一是设计的监控头附加电路采用伪随机序列编码显示各种类型的图形或字符，而远程监控中心也采用与之相对应的伪随机序列编码来检测各种类型的图形或字符，由于各探头所使用的编码均不相同，所以可防止非法调换监控头。二是采用硬件视频信号检测电路，能检测出在运行过程中传输线路与监控头设备可能发生的分离现象，从而采取相应措施。 3 系统设计 本文介绍的图像叠加应用系统采用了3块主要电路：89C52型单片机、MB90092型专用字符叠加电路和LA7806型同步分离器。其中，MB90092对模拟视频输入信号进行字符及图形叠加并产生混合信号，89C52处理待显字符图标及报警；LA7806实现行信号和场信号的分离。 3.1 硬件电路的设计及模块 本视频图像叠加系统探头部分附加的硬件结构如图1所示。其主要工作原理是89C52按照控制要求向MB90092发送控制命令，如显示控制和VRAM写地址控制等，而探头发出的视频信号经LA7806分离出行和场同步信号后与原视频信号一同输入MB90092；MB90092根据单片机的指令读取字库MBM29F040中的字符并将图像信号、叠加字符、符合消隐脉冲及复合同步脉冲按一定比例混合在一起，送出视频输出信号。由于线路被拆断会导致视频输入/输出信号的中断，所以单片机还通过检测LA7806，其是否有场同步来判断视频输入信号的有无，通过输出视频信号检测电路来判断视频输出信号的有无。对于异常情况，89C52将收到中断请求，随后向MB90092发出停止显示字符命令，以便向中央监控室报警。 3.1.1 视频箝位电路 视频箝位电路是视频输入信号预处理模块。MB90092接收的复合视频信号电平是2Vp－p，而且需要有1V的直流偏置。因此，需要对摄像头输出的1Vp－p视频信号电平进行箝位和放大。放大电路采用MAX457型视频放大器，放大倍数为2。该电路选择导通压降相同二极管和三极管，通过调节电位器R2使D1负相端的箝位电压为1V，同时输出端的视频信号（Vout）上叠加1V的直流偏置，详见参考文献[2]。 3.1.2 视频信号同步分离电路 选用SANYO公司的LA7806型同步处理器（详细技术资料见参考文献[4]）。它从视频信号中分理出复合同步、复合消隐等信号并使这些信号能同步协调工作。有些设计人员使用National Semiconductor公司的LM1881型行场分离器，该电路的集成度高，只需少量外围电路就可有效地提取出视频信号中的同步信号，但是在低信噪比（S/N）条件下，由于LM1881分离出的复合同步信号存在左右晃动的现象，导致整个系统的工作受到影响。 3.1.3 字符叠加模块 FUJITSU公司的MB90092是用CMOS工艺制成的OSD可编程大规模集成电路，其功能框图如图2所示，具有视频信号发生器、显示存储器（VRAM）和字形存储器接口，只需少量外部元件就可具备字符和图形显示功能。MB90092可用于计算机控制的录像机、VCD等视频设备的屏幕字符显示。该电路有视频信号输入/输出功能，可作为一种通用的OSD，完成视频信号与字符的叠加显示。可外接2M字节的ROM，可在屏幕提供两种叠加方法，分别称为主屏叠加和副屏叠加。二者可独立或重叠出现在监视器上。主屏显示支持的字符显示点阵为24%26;#215;32，显示容量为12行，每行24个字符或汉字，每个字符可以是不同的颜色。字体大小的控制方式有标准（24%26;#215;32点阵）、双倍宽、双倍高、双倍宽%26;#215;双倍高、4倍宽%26;#215;4倍高。显示位置控制可设置水平方向和垂直方向的起始位置，同时可设定行距。MB90092的内部视频信号发生器支持NTSC制式或PAL制式、可选择逐行或隔行扫描方式，并可提供Y/C，复合视频、R、G、B等多种方式输出。副屏可以辅助主屏显示附加信息，如windows的下拉菜单功能。同时，MB90092内部可自行产生同步信号，无需外加视频信号和同步信号，可直接输出叠加字符信号至监视器，在监视器上显示不同背景颜色、不同汉字颜色的文本，MB90092只有3条通信线（CS，SCLK，SIN）与89C52进行通信，由于89C52本身没有串行外设接口，因此，在软件设计中，利用89C52的普通I/0口模拟串行通信，利用软件实现模拟SPI方式进行通信，包括串行时钟、数据输入/输出及片选信号，但是MB90092没有输入到89C52的通信线，此模拟SPI系统总线只需3条线即可实现。 MB90092与外部单片机的接口时序如图3所示。首先，CS片选有效，在每个时钟的上升沿，DATA数据1的bit进入MB90092内部的串行移位寄存器，8bit为一个字节，然后CS和SCLK分别为高电平，作为一个字节的结束，接着发送下个字节，在串行传输中，时钟对收到的bit计数，通过强制CS为高电平，可以复位串行传输，通过强制CS从高电平到低电平，清除复位，使得随后的8bit数据是一个字节数据。如果在8bit数据中间CS变为高电平，则这个数据无效。 3.1.4 汉字字库模块 汉字字库模块采用外挂的MBM29F040 型Flash存储器，其中，存储所需叠加的字符每个都由24%26;#215;32个点阵组成，即每一个字符由96个字节数据表示。根据电路与外部字符存储器的地址接口关系及电路读取点阵数据的顺序，事前将所需字符烧录到外部存储器中。这样的外部字符存储器给设计带来很大的方便。系统可以根据需要随时更改字符点阵。 3.1.5 缓冲放大模块 输出缓冲放大采用MAX470型放大器，该电路内含4个相同的视频放大器。各个输入端之间和各个输出端之前均用地线或电源线隔开，每块视频输出插板需要2个MAX470。该电路的主要特点是带宽为90MHz，增益为2V/V，微分增益为0.01％，微分相位为0.03%26;#176;，转换速率为300/μs，切换时间为20ns，输入电容为5pF，输出可设定为高阻态以减少功率消耗。 3.1.6 传输线路中断检测 线路检测的目的有二：一是有没有视频输入信号；二是视频输出信号是不是被切断。其中，通过检测是否有场同步判断有无视频输入信号。视频信号经LA7806同步分离后，把场同步信号接入89C52的P3.3作为外部中断源。正常情况下，由MB90092输出的视频叠加混合信号（Vout）存在相应的电流和电压。若传输线路被人切断，线路电流也被切断。为了保证工作可靠，在经过一定的时延（使用施密特触发器）后，如果进行检测的模拟线路还检测出电流停止的情况，则可确认线路被切断，从而向单片机的外部中断提出报警中断请求。 本设计方案是设置单片机中的某一单元。由于单片机中的ROM单元为Flash Memory，不会自动恢复，单片机在运行中每给MB90092发送一次字符前都要检测该单元，若发现该单元置位，将永久性拒绝继续发送叠加字符，因此无论线路是否恢复正常，监控者在此后任意时间内都能发现线路变动的情况。 3.2 图像叠加系统的软件 本项目需要在原始视频信号上叠加图像信息以满足监控需要和检测偷换视频监控头的作假行为。因此，单片机要控制叠加输出的字符图像，还要按照伪随机序列的安排给出所选字符及其颜色、位置和背景等信息。给出待叠加显示的字符指令的同时给出字符的颜色、位置、背景等指令。通过指针对于各条指令入口地址的伪随机变动，每一指令选取地址的序列形成一个看似无序的伪随机序列，这样可以更有效地防止被监控方识破标识而发生的造假。 软件流程先对程序初始化，再从MBM29F040中调取字幕种类和显示位置数据填充MB90092，结合输入的原视频及其同步分离信号混合输出。输出从信号中检测的异常情况引起中断，导致单片机外部中断的变化，清除显示字符叠加标志，程序停止发送字符。 4 远程检测报警系统 为了使中央控制室的监控人员能够发现设备的异常现象，系统要对相应的情况进行报警。线路被切断的情况在一节已经介绍，本节介绍的远程检测报警系统主要检测探头被非法更换的情况。这种情况可以通过人工检测或计算机检测，人工检测仅仅可以看出字符与字符显示间比较大的差异，肉眼难以分辨的显示具体位置、外形相近的图标等还必须依靠远程计算机检测报警系统。笔者所设计的系统处于中央监控室内以配合常规中央监控系统。通过截取各个现场监控头图像并对其进行分析，发现异常并报警。 远程检测报警分为4个步骤： （1）利用原中央监控系统提供的功能截取探头图像； （2）对该图像进行处理，分割出叠加的徽标； （3）对徽标进行识别，得到有关参数； （4）与相应的伪随机序列进行查配。 其流程如图4所示。 中央监控系统装有监控软件，该软件包含网络通讯程序、软解码程序和录像程序。网络通讯程序与被监控端探头连接，提供实时监控，接收实时视频叠加图像。录像程序支持在实时监控的同时把实时监控的分离视频信号的数据流分别记录到硬盘上，提供录像资料的管理和检索。检测报警系统利用中央监控系统提供的部分功能。 报警系统程序可依据被监控端图像叠加过程中对于图标显示的地址，选择的字符及其特性都要做出对应的画面截取、分割及伪随机序列查配，得到的分离结果与监控现场的叠加处理是完全一一对应的逆过程。 5 结束语 笔者设计的监控系统加载了汉字字库模块，编辑功能更强，反攻击性更高、效果更明显。硬件设计中结合了单片机微处理器控制的软件程序，达到了防调换视频设备的效果，可确保监控图像的实时性和准确性。