通用工業(yè)視頻圖像疊加的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　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(jī)器人視覺(jué)的研制、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、機(jī)器零件的無(wú)損探傷、人工地震信號(hào)處理及地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重建等等。本文介紹的項(xiàng)目是為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化,疊加工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像中多種起標(biāo)識(shí)作用的圖形,簡(jiǎn)化以后的數(shù)字化處理過(guò)程;并且可以通過(guò)人機(jī)交互,由用戶通過(guò)按鍵選擇所要疊加的圖形。目前市場(chǎng)上有能完成其中部分功能的芯片,但是它們價(jià)格太高;而且,這些芯片應(yīng)用面窄,可擴(kuò)充性差,不能滿足客戶的特殊要求。本文作者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種成本低、應(yīng)用靈活可靠,易于擴(kuò)充、實(shí)用性強(qiáng)的圖像疊加方案。

　?。?圖像疊加的原理及總體設(shè)計(jì)

　　為實(shí)現(xiàn)圖像疊加,必須先了解圖像傳送的原理。圖像是由明暗不同的部分構(gòu)成的,一幅圖像可以分解成許多個(gè)基本單元,叫“像素”。顯然,像素的數(shù)目越多,就越能呈現(xiàn)出圖像的細(xì)節(jié),因而畫(huà)面就越清晰。要想成功地傳送一幅圖像,必須把它所有的像素分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào),再一一加以傳送?，F(xiàn)代電視技術(shù)中,采用順序（輪流）傳送像素的方法,在發(fā)送端按照各個(gè)像素的行列位置逐個(gè)變成電信號(hào),發(fā)送到接收端;在接收端屏幕上,各個(gè)像素當(dāng)然也是一個(gè)一個(gè)地輪流出現(xiàn)的。因此,要想在接收端的屏幕上得出正確的影象,應(yīng)該符合兩個(gè)條件：首先是發(fā)送與接收兩個(gè)端的掃描時(shí)間應(yīng)該相等,即掃描頻率一致;另外,每一行和每一場(chǎng)開(kāi)始掃描的時(shí)刻也要一樣,即掃描的相位一致。所以,嚴(yán)格地保證接收端和發(fā)送端的掃描運(yùn)動(dòng)互相同步是非常重要的。目前在傳送視頻信號(hào)時(shí),把影象信號(hào)、消隱信號(hào)和復(fù)合同步信號(hào)三者按一定比例混合在一起,發(fā)送到接收端去控制顯象管中電子束的掃描運(yùn)動(dòng),以保證影象中各像素的位置在熒光屏上正確重顯。我國(guó)采用的電視信號(hào)是PAL制,場(chǎng)掃描頻率為50Hz,行掃描頻率為15625Hz,它的行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)的基本波形如圖１所示。實(shí)際傳送的視頻信號(hào)波形如圖2所示,在接收端可以利用這三種信號(hào)的幅值不同,用幅度分離將它們彼此分開(kāi)?！跋[信號(hào)”是為了在行掃描逆程或幀掃描逆程期間,攝象管和顯象管的電子束被截止而設(shè)的信號(hào)?！皬?fù)合同步信號(hào)”可控制掃描振蕩器的工作頻率和相位,它由“水平同步信號(hào)”和“垂直同步信號(hào)”組合而成,二者的頻率不同,在接收端用頻率分離電路（或稱波形分離電路）將它們彼此分開(kāi)。

　　本項(xiàng)目中,要求對(duì)攝象頭獲得的圖像,疊加上幾種不同形狀的光標(biāo),如十字形、圓形、方形、六邊形等;用戶可以通過(guò)鍵盤對(duì)這些光標(biāo)的形狀和大小進(jìn)行選擇。按此要求,我們?cè)趫D像傳送過(guò)程中,截取從攝象頭傳出的視頻信號(hào),疊加一些圖形信號(hào),再傳送到接收端（本項(xiàng)目中為監(jiān)視器）。所謂疊加,實(shí)質(zhì)上是在像素級(jí),為每個(gè)像素點(diǎn)選擇電信號(hào)。這其中有兩個(gè)問(wèn)題,一是精確定位像素點(diǎn),即確定它的行、列位置;二是定位之后,控制電信號(hào)的輸出,即選擇在監(jiān)視器上的某一像素點(diǎn),是顯示現(xiàn)場(chǎng)圖像像素的電信號(hào),還是疊加圖形的像素電信號(hào)。解決第一個(gè)問(wèn)題的難點(diǎn)在于信號(hào)同步,即從視頻信號(hào)中提取行同步信號(hào)及場(chǎng)同步信號(hào),來(lái)控制行／場(chǎng)計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確計(jì)數(shù),以定位像素點(diǎn)。解決第二個(gè)問(wèn)題在于設(shè)置“二選一開(kāi)關(guān)”控制電信號(hào)輸出。另外,為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地控制所疊加圖形的變換,如改變光標(biāo)的形狀、大小,需要對(duì)屏幕編輯緩沖區(qū)RAM進(jìn)行刷新。為避免輸出不完整或不穩(wěn)定的圖像,在刷新過(guò)程中,維持原屏幕上的圖像不變,直至刷新結(jié)束。那么如何設(shè)置RAM的讀寫控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求,是第三個(gè)難點(diǎn)。

　　經(jīng)過(guò)上述分析和市場(chǎng)調(diào)查,選用Intel的單片機(jī)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(kuò)展電路來(lái)減少開(kāi)發(fā)的難度和成本。在設(shè)計(jì)中,同步信號(hào)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(shí)現(xiàn),使系統(tǒng)快速、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。為減少時(shí)延,擴(kuò)展電路全部采用高速CMOS芯片實(shí)現(xiàn)。在此功能較完善的硬件基礎(chǔ)上,軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單多了,主要完成系統(tǒng)初始化的按鍵響應(yīng)。