通用工業(yè)視頻圖像疊加的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jī)器人視覺的研制、生產(chǎn)過程自動(dòng)化、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、機(jī)器零件的無損探傷、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)字化處理過程;并且可以通過人機(jī)交互,由用戶通過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)
經(jīng)過上述分析和市場(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)展電路來減少開發(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)。
?。?硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)的總體框圖如圖3所示。
下面分別詳細(xì)介紹各個(gè)主要部分的電路。
2.1 同步信號(hào)的提取及行／場(chǎng)計(jì)數(shù)器電路
準(zhǔn)確提取視頻信號(hào)中的同步信號(hào)對(duì)于本項(xiàng)目的成攻至關(guān)重要,幸運(yùn)的是市場(chǎng)上提供了LM1881芯片,它僅需幾個(gè)外接元件,就可以可靠地提取出視頻信號(hào)中的同步信號(hào)。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(chǎng)計(jì)數(shù)器由193芯片級(jí)聯(lián)而成。按PAL制式規(guī)定,場(chǎng)掃描頻率為50Hz,幀頻25Hz,總掃描線數(shù)625,由于分為奇偶場(chǎng)掃描,每場(chǎng)有312行,需用二進(jìn)制地址9位。選擇4MHz的晶振行為行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入,那么每行有256個(gè)像素點(diǎn),計(jì)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(chǎng)計(jì)數(shù)器電路的整齊,并保留一定的擴(kuò)充性,行、場(chǎng)計(jì)數(shù)器各設(shè)3片193芯片實(shí)現(xiàn)。計(jì)數(shù)器電路如圖5所示。
行同步信號(hào)經(jīng)過一級(jí)非門,送往行計(jì)數(shù)器三片193的清零端MR;同時(shí)作為場(chǎng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖,送往場(chǎng)計(jì)數(shù)器最低級(jí)193的計(jì)數(shù)脈沖輸入端CU;而行計(jì)數(shù)器各級(jí)之間的級(jí)聯(lián)由低級(jí)193芯片的TCU端送往更高一級(jí)193芯片的CU端;圖中未畫出的行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入端CU由晶振信號(hào)送入。場(chǎng)同步信號(hào)經(jīng)過一級(jí)非門,送往場(chǎng)計(jì)數(shù)器三片193的清零端MR;場(chǎng)計(jì)數(shù)器各芯片之間的級(jí)聯(lián)方式同行計(jì)數(shù)器相同。計(jì)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(hào)的輸入端,分別外接現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)和黑電平;地址線AO控制“二選一”開關(guān),選擇輸出哪個(gè)通道的信號(hào)。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(chǔ)空間。在RAM中數(shù)據(jù)是按照字節(jié)存取的,因此在輸出時(shí),需要把從RAM中讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn),成本也不高,因此我們選擇用GAL實(shí)現(xiàn),邏輯表達(dá)式從略。
2.3 屏幕編輯緩沖區(qū)的控制設(shè)計(jì)
屏幕編輯緩沖區(qū)選擇用RAM,是因?yàn)橛脩粢蟑B加的均是規(guī)則的幾何圖形,由CPU 90C32動(dòng)態(tài)計(jì)算圖形各點(diǎn)的位置算法非常簡(jiǎn)單;用戶完全可以接受。
CPU 90C32的典型擴(kuò)展電路包括程序存儲(chǔ)區(qū)的擴(kuò)展、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的擴(kuò)展、時(shí)鐘電路和晶振電路的擴(kuò)展?？紤]到項(xiàng)目需求并保留一定的擴(kuò)充余地,存儲(chǔ)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(jì)以外,其它電路與通用的單片機(jī)擴(kuò)展電路完全相同,在此不另做介紹。
2.4 按鍵譯碼電路
本項(xiàng)目中,用戶在人機(jī)交互選擇疊加光標(biāo)的形狀與大小時(shí),僅需要四個(gè)按鍵,因此不必使用功能強(qiáng)大的8279芯片,直接擴(kuò)展90C32即可。四個(gè)按鍵經(jīng)過譯碼,送到90C32的P1端口,這個(gè)譯碼邏輯非常簡(jiǎn)單,同樣用GAL實(shí)現(xiàn),邏輯表達(dá)式從略。在實(shí)際使用中,用戶選擇一次光標(biāo)的大小與形狀之后,總會(huì)穩(wěn)定一段時(shí)間去進(jìn)行其主要工作,所以操作按鍵的時(shí)間對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)間而言是很短的。CPU對(duì)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(duì)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(cè)是否有按鍵被按下的中斷信號(hào)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(shí)現(xiàn)
由于本項(xiàng)目中的難點(diǎn)工作均用硬件實(shí)現(xiàn),所以大大減少了軟件設(shè)計(jì)工作量。軟件主要實(shí)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(jì)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(hào)的狀態(tài)。
3.2 中斷處理過程
首先打開在CPU響應(yīng)中斷時(shí)關(guān)閉的中斷,然后調(diào)用按鍵去抖過程,確認(rèn)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(gè)子程序分別對(duì)應(yīng)于四個(gè)按鍵的功能：
KEY0：將現(xiàn)在屏幕上的光標(biāo)尺寸放大一個(gè)單位;
KEY1：將現(xiàn)在屏幕上的光標(biāo)尺寸縮小一個(gè)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(shí)疊加所有不同大小的圓形光標(biāo),這是考慮到在實(shí)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(cè)到有且僅有一個(gè)鍵被按下時(shí),記錄此時(shí)閉合的按鍵的代碼,然后執(zhí)行一個(gè)延時(shí)過程,如延時(shí)10ms;之后,再判斷是否仍有按鍵閉合。若有,檢測(cè)它的代碼與方才記錄的代碼是否一致,只有二者一致時(shí),才認(rèn)為確實(shí)有按鍵閉合,進(jìn)行按鍵響應(yīng)處理。
?。ǎ保┤粢筮M(jìn)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(jì)數(shù)器的輸入脈沖,必要時(shí)對(duì)行計(jì)數(shù)器電路加以擴(kuò)展;同時(shí)在軟件的地址處理上略加改動(dòng)即可。這相當(dāng)于將像素點(diǎn)細(xì)化,因而疊加后的圖像清晰度更高。
?。ǎ玻┤粢髮?duì)疊加的圖形加以擴(kuò)充或改動(dòng),可對(duì)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(duì)硬件中的按鍵譯碼電路進(jìn)行擴(kuò)展。由于在硬件設(shè)計(jì)中已考慮到未來的擴(kuò)展,目前的設(shè)計(jì)僅需作很少改動(dòng),并且可最大限度地減少占用CPU90C32的端口線。如4個(gè)按鍵需要3根I/O線,即２線地址線,１根中斷檢測(cè)線;若擴(kuò)展為8個(gè)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(kuò)展N個(gè)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(gè)時(shí),選用8279擴(kuò)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(hào),如增加要求“可選擇疊加黑電平或白電平”,可對(duì)硬件設(shè)計(jì)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(xì)介紹請(qǐng)查閱《MAXIM DATABOOK1998》。
?。ǎ矗┤粢獙?duì)視頻信號(hào)進(jìn)行其它加工、處理,也可由本文所述的原理與實(shí)現(xiàn)得到參考和啟發(fā)。
評(píng)論