通用工業(yè)視頻圖像疊加的設(shè)計與實現(xiàn)
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圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。在工業(yè)上的應(yīng)用主要有：機器人視覺的研制、生產(chǎn)過程自動化、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、機器零件的無損探傷、人工地震信號處理及地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重建等等。本文介紹的項目是為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化,疊加工業(yè)現(xiàn)場視頻圖像中多種起標(biāo)識作用的圖形,簡化以后的數(shù)字化處理過程;并且可以通過人機交互,由用戶通過按鍵選擇所要疊加的圖形。目前市場上有能完成其中部分功能的芯片,但是它們價格太高;而且,這些芯片應(yīng)用面窄,可擴充性差,不能滿足客戶的特殊要求。本文作者設(shè)計并實現(xiàn)了一種成本低、應(yīng)用靈活可靠,易于擴充、實用性強的圖像疊加方案。
１ 圖像疊加的原理及總體設(shè)計
經(jīng)過上述分析和市場調(diào)查,選用Intel的單片機90C32（它與8032的引腳和功能完全一致）作為CPU,可以充分發(fā)揮它的靈活性,并且利用其成熟的典型擴展電路來減少開發(fā)的難度和成本。在設(shè)計中,同步信號的提取、疊加選擇的控制、屏幕編輯緩沖區(qū)的讀寫控制,以及鍵盤譯碼均用硬件實現(xiàn),使系統(tǒng)快速、穩(wěn)定、可靠運行。為減少時延,擴展電路全部采用高速CMOS芯片實現(xiàn)。在此功能較完善的硬件基礎(chǔ)上,軟件設(shè)計簡單多了,主要完成系統(tǒng)初始化的按鍵響應(yīng)。
?。?硬件設(shè)計
硬件設(shè)計的總體框圖如圖3所示。
下面分別詳細介紹各個主要部分的電路。
2.1 同步信號的提取及行／場計數(shù)器電路
準(zhǔn)確提取視頻信號中的同步信號對于本項目的成攻至關(guān)重要,幸運的是市場上提供了LM1881芯片,它僅需幾個外接元件,就可以可靠地提取出視頻信號中的同步信號。LM1881的引腳及連接電路如圖４所示,圖中的電容值均為0.1μＦ,電阻阻值為680KΩ。
行／場計數(shù)器由193芯片級聯(lián)而成。按PAL制式規(guī)定,場掃描頻率為50Hz,幀頻25Hz,總掃描線數(shù)625,由于分為奇偶場掃描,每場有312行,需用二進制地址9位。選擇4MHz的晶振行為行計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入,那么每行有256個像素點,計算公式為：
每片193有四位輸入、輸出端,輸入端均接“0”,輸出端組成地址總線。為保持行、場計數(shù)器電路的整齊,并保留一定的擴充性,行、場計數(shù)器各設(shè)3片193芯片實現(xiàn)。計數(shù)器電路如圖5所示。
行同步信號經(jīng)過一級非門,送往行計數(shù)器三片193的清零端MR;同時作為場計數(shù)器的計數(shù)脈沖,送往場計數(shù)器最低級193的計數(shù)脈沖輸入端CU;而行計數(shù)器各級之間的級聯(lián)由低級193芯片的TCU端送往更高一級193芯片的CU端;圖中未畫出的行計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入端CU由晶振信號送入。場同步信號經(jīng)過一級非門,送往場計數(shù)器三片193的清零端MR;場計數(shù)器各芯片之間的級聯(lián)方式同行計數(shù)器相同。計數(shù)器產(chǎn)生的18位地址,經(jīng)過總線鎖存器,高15位送往屏幕編程緩沖區(qū)RAM,最低３位送往疊加控制的并串轉(zhuǎn)換電路。
2.2 圖像疊加及控制電路
MAX442的引腳圖與連接電路如圖６所示,圖中的電容容值單位為μF,電阻單位為Ω。INO,IN1為兩路視頻信號的輸入端,分別外接現(xiàn)場視頻信號和黑電平;地址線AO控制“二選一”開關(guān),選擇輸出哪個通道的信號。AO在屏幕編輯緩沖區(qū)中僅占一位空間,所以疊加控制字可以按位讀寫修改,這大大減少了所需的屏幕編輯緩沖區(qū)RAM的存儲空間。在RAM中數(shù)據(jù)是按照字節(jié)存取的,因此在輸出時,需要把從RAM中讀出的數(shù)據(jù)進行并串轉(zhuǎn)換,送到MAX442的AO端。這種“八選一”的數(shù)字邏輯電路用可編程芯片GAL可以很方便地實現(xiàn),成本也不高,因此我們選擇用GAL實現(xiàn),邏輯表達式從略。
2.3 屏幕編輯緩沖區(qū)的控制設(shè)計
屏幕編輯緩沖區(qū)選擇用RAM,是因為用戶要求疊加的均是規(guī)則的幾何圖形,由CPU 90C32動態(tài)計算圖形各點的位置算法非常簡單;用戶完全可以接受。
CPU 90C32的典型擴展電路包括程序存儲區(qū)的擴展、數(shù)據(jù)存儲區(qū)的擴展、時鐘電路和晶振電路的擴展?？紤]到項目需求并保留一定的擴充余地,存儲器ROM選用27256芯片,RAM選用61256芯片。其中除RAM（屏幕編輯緩沖區(qū)）為臨界區(qū),需要特殊設(shè)計以外,其它電路與通用的單片機擴展電路完全相同,在此不另做介紹。
2.4 按鍵譯碼電路
本項目中,用戶在人機交互選擇疊加光標(biāo)的形狀與大小時,僅需要四個按鍵,因此不必使用功能強大的8279芯片,直接擴展90C32即可。四個按鍵經(jīng)過譯碼,送到90C32的P1端口,這個譯碼邏輯非常簡單,同樣用GAL實現(xiàn),邏輯表達式從略。在實際使用中,用戶選擇一次光標(biāo)的大小與形狀之后,總會穩(wěn)定一段時間去進行其主要工作,所以操作按鍵的時間對于整個系統(tǒng)的工作時間而言是很短的。CPU對按鍵的響應(yīng)采用中斷方式,這可以比輪詢方式大大減少對CPU處理器資源的占用。在按鍵電路中,一共占用P1端口２根I/O線,AO、A1是譯碼后的按鍵地址（或代碼）;另有INT是檢測是否有按鍵被按下的中斷信號線,它與90C32的外接中斷輸入端
相連接。通常INT為高電平,若有按鍵被按下,INT為低電平,CPU可響應(yīng)中斷。
?。?軟件實現(xiàn)
由于本項目中的難點工作均用硬件實現(xiàn),所以大大減少了軟件設(shè)計工作量。軟件主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化和中斷處理過程,其流程圖如圖７所示。
主要過程的設(shè)計思想如下所述。
3.1 系統(tǒng)初始化
初始化參數(shù),如代表光標(biāo)大小的RDS、代表光標(biāo)形狀的SHAPE等等;
初始化監(jiān)視器的屏幕：清零屏幕編輯緩沖區(qū)、疊加十字光標(biāo)和圓形光標(biāo);
開中斷,使CPU處于可接收外部中斷信號的狀態(tài)。
3.2 中斷處理過程
首先打開在CPU響應(yīng)中斷時關(guān)閉的中斷,然后調(diào)用按鍵去抖過程,確認有合法按鍵輸入后取出按鍵代碼,刷新屏幕編輯緩沖區(qū),并調(diào)用按鍵響應(yīng)過程。
3.3 按鍵響應(yīng)過程
四個子程序分別對應(yīng)于四個按鍵的功能：
KEY0：將現(xiàn)在屏幕上的光標(biāo)尺寸放大一個單位;
KEY1：將現(xiàn)在屏幕上的光標(biāo)尺寸縮小一個單位;
KEY2：改變現(xiàn)在屏幕上的光標(biāo)形狀,依次重復(fù)按此鍵,光標(biāo)的形狀依次變?yōu)閳A形、方形、六邊形;
KEY3：同時疊加所有不同大小的圓形光標(biāo),這是考慮到在實際應(yīng)用中,圓形光標(biāo)的使用頻率較其它形狀更高而特設(shè)的。
3.4 按鍵去抖過程
在檢測到有且僅有一個鍵被按下時,記錄此時閉合的按鍵的代碼,然后執(zhí)行一個延時過程,如延時10ms;之后,再判斷是否仍有按鍵閉合。若有,檢測它的代碼與方才記錄的代碼是否一致,只有二者一致時,才認為確實有按鍵閉合,進行按鍵響應(yīng)處理。
?。ǎ保┤粢筮M一步提高圖像疊加的精確度,可選擇更高頻的晶振作為行計數(shù)器的輸入脈沖,必要時對行計數(shù)器電路加以擴展;同時在軟件的地址處理上略加改動即可。這相當(dāng)于將像素點細化,因而疊加后的圖像清晰度更高。
（２）若要求對疊加的圖形加以擴充或改動,可對相應(yīng)的軟件“按鍵處理過程”做調(diào)整。若需要增加按鍵的數(shù)目,還要對硬件中的按鍵譯碼電路進行擴展。由于在硬件設(shè)計中已考慮到未來的擴展,目前的設(shè)計僅需作很少改動,并且可最大限度地減少占用CPU90C32的端口線。如4個按鍵需要3根I/O線,即２線地址線,１根中斷檢測線;若擴展為8個按鍵,只需增加１根地址線,并重寫譯碼GAL的邏輯即可。以此類推,若擴展N個按鍵,需要n根I/O線,其中,
n=[logN]+1＋１
但是,由于GAL芯片本身結(jié)構(gòu)的限制,建議在按鍵超過8個時,選用8279擴展鍵盤,以更好地滿足用戶要求。
?。ǎ常┤粢竽墀B加更多類的信號,如增加要求“可選擇疊加黑電平或白電平”,可對硬件設(shè)計的疊加電路及其控制部分加以修改。MAXIM公司提供的芯片MAX441是４信道視頻多路開關(guān),MAX440是8信道視頻多路開關(guān),它們的單位增益帶寬更高,其他主要參數(shù)與MAX442基本一致。詳細介紹請查閱《MAXIM DATABOOK1998》。
（４）若要對視頻信號進行其它加工、處理,也可由本文所述的原理與實現(xiàn)得到參考和啟發(fā)。
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