通用工業視頻圖像疊加的設計與實現
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圖像處理技術廣泛應用于科學研究、工農業生產、軍事技術、醫療衛生等領域。在工業上的應用主要有：機器人視覺的研制、生產過程自動化、產品質量檢測、機器零件的無損探傷、人工地震信號處理及地層內部結構的重建等等。本文介紹的項目是為實現生產過程自動化,疊加工業現場視頻圖像中多種起標識作用的圖形,簡化以后的數字化處理過程;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,這些芯片應用面窄,可擴充性差,不能滿足客戶的特殊要求。本文作者設計并實現了一種成本低、應用靈活可靠,易于擴充、實用性強的圖像疊加方案。
?。?圖像疊加的原理及總體設計
經過上述分析和市場調查,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的難度和成本。在設計中,同步信號的提取、疊加選擇的控制、屏幕編輯緩沖區的讀寫控制,以及鍵盤譯碼均用硬件實現,使系統快速、穩定、可靠運行。為減少時延,擴展電路全部采用高速CMOS芯片實現。在此功能較完善的硬件基礎上,軟件設計簡單多了,主要完成系統初始化的按鍵響應。
?。?硬件設計
硬件設計的總體框圖如圖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／場計數器電路
準確提取視頻信號中的同步信號對于本項目的成攻至關重要,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／場計數器由193芯片級聯而成。按PAL制式規定,場掃描頻率為50Hz,幀頻25Hz,總掃描線數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的晶振行為行計數器的計數脈沖輸入,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、場計數器電路的整齊,并保留一定的擴充性,行、場計數器各設3片193芯片實現。計數器電路如圖5所示。
行同步信號經過一級非門,送往行計數器三片193的清零端MR;同時作為場計數器的計數脈沖,送往場計數器最低級193的計數脈沖輸入端CU;而行計數器各級之間的級聯由低級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器的計數脈沖輸入端CU由晶振信號送入。場同步信號經過一級非門,送往場計數器三片193的清零端MR;場計數器各芯片之間的級聯方式同行計數器相同。計數器產生的18位地址,經過總線鎖存器,高15位送往屏幕編程緩沖區RAM,最低３位送往疊加控制的并串轉換電路。
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,分別外接現場視頻信號和黑電平;地址線AO控制“二選一”開關,選擇輸出哪個通道的信號。AO在屏幕編輯緩沖區中僅占一位空間,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RAM的存儲空間。在RAM中數據是按照字節存取的,因此在輸出時,需要把從RAM中讀出的數據進行并串轉換,送到MAX442的AO端。這種“八選一”的數字邏輯電路用可編程芯片GAL可以很方便地實現,成本也不高,因此我們選擇用GAL實現,邏輯表達式從略。
2.3 屏幕編輯緩沖區的控制設計
屏幕編輯緩沖區選擇用RAM,是因為用戶要求疊加的均是規則的幾何圖形,由CPU 90C32動態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的擴展、數據存儲區的擴展、時鐘電路和晶振電路的擴展。考慮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）為臨界區,需要特殊設計以外,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,邏輯表達式從略。在實際使用中,用戶選擇一次光標的大小與形狀之后,總會穩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的工作時間而言是很短的。CPU對按鍵的響應采用中斷方式,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可響應中斷。
３ 軟件實現
由于本項目中的難點工作均用硬件實現,所以大大減少了軟件設計工作量。軟件主要實現系統初始化和中斷處理過程,其流程圖如圖７所示。
主要過程的設計思想如下所述。
3.1 系統初始化
初始化參數,如代表光標大小的RDS、代表光標形狀的SHAPE等等;
初始化監視器的屏幕：清零屏幕編輯緩沖區、疊加十字光標和圓形光標;
開中斷,使CPU處于可接收外部中斷信號的狀態。
3.2 中斷處理過程
首先打開在CPU響應中斷時關閉的中斷,然后調用按鍵去抖過程,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,并調用按鍵響應過程。
3.3 按鍵響應過程
四個子程序分別對應于四個按鍵的功能：
KEY0：將現在屏幕上的光標尺寸放大一個單位;
KEY1：將現在屏幕上的光標尺寸縮小一個單位;
KEY2：改變現在屏幕上的光標形狀,依次重復按此鍵,光標的形狀依次變為圓形、方形、六邊形;
KEY3：同時疊加所有不同大小的圓形光標,這是考慮到在實際應用中,圓形光標的使用頻率較其它形狀更高而特設的。
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器的輸入脈沖,必要時對行計數器電路加以擴展;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,可對相應的軟件“按鍵處理過程”做調整。若需要增加按鍵的數目,還要對硬件中的按鍵譯碼電路進行擴展。由于在硬件設計中已考慮到未來的擴展,目前的設計僅需作很少改動,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芯片本身結構的限制,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,MAX440是8信道視頻多路開關,它們的單位增益帶寬更高,其他主要參數與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得到參考和啟發。
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