通用工业视频图像叠加的设计与实现 医疗卫生, 质量检测, 科学研究, 机器人, 通用

yuyang911220

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。