用追趕法實(shí)現(xiàn)光柵—筆劃兼容掃描

摘要：交替法是圖像處理中常用的方法，針對該方法延遲較大的不足，提出了可將延遲減至最小的追趕法，并在光柵—筆劃兼容掃描系統(tǒng)中加以應(yīng)用。關(guān)鍵詞：視頻圖像 光柵—筆劃兼容掃描 追趕法 延遲 視頻技術(shù)以其直觀和信息量大而備受青睞，在軍事上如慣導(dǎo)、紅外成像等方面取得了一定的應(yīng)用，一些先進(jìn)的飛機(jī)上專門為此設(shè)計(jì)了顯示與控制系統(tǒng)。視頻圖像信息通過兩種方式供人們使用：一是直接觀看（包括先記錄后觀看），即通過人腦分析使用信息；二是信號處理，多采用計(jì)算機(jī)處理，將處理結(jié)果顯示或用于控制。后者處理和控制速度快，不足的是只能對圖像的明顯特征進(jìn)行處理。有時(shí)需將二者結(jié)合，邊自動分析和控制，邊輔以人工監(jiān)視。計(jì)算機(jī)對視頻信號處理前需將視頻信號數(shù)字化，由A/D完成，一般采用交替法，即設(shè)立二個(gè)交替工作的幀存儲器，一個(gè)存儲視頻圖像的同時(shí)，另一個(gè)輸出信息供處理器使用。經(jīng)過一個(gè)周期后，二者功能交換，前者輸出信息而后者存入信息，如此往復(fù)。其功能框圖如圖1。工作處理周期一般取20ms,因視頻信號的周期是20ms，它包含一幅完整的視頻圖像信息。同時(shí)處理器也需要一定的時(shí)間，一般要求在20ms（或其整數(shù)倍）內(nèi)完成處理。視頻信號經(jīng)過上述處理過程，信息從產(chǎn)生到控制輸出至少延遲了20ms。這對系統(tǒng)的反應(yīng)速度和反應(yīng)能力將產(chǎn)生一定影響，對高速飛行和作戰(zhàn)的飛機(jī)影響更大。這是由于交替法固有的缺陷造成的。本文介紹一種新方法，即當(dāng)不需處理完整的畫面而且處理速度較快時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)將延遲縮短或取消，筆者稱之為“追趕法”并應(yīng)用于光柵—筆劃兼容掃描系統(tǒng)。 1 光柵—筆劃兼容掃描 采用筆劃掃描的平視顯示器已廣泛用于各種戰(zhàn)斗機(jī)，它將飛機(jī)所有表盤的指示信息以字符和數(shù)字的形式顯示在飛行員正前方，使飛行員在觀察機(jī)外視景的同時(shí)，目不斜視即可看見各飛行參數(shù)，大大提高了戰(zhàn)機(jī)的反應(yīng)速度和作戰(zhàn)能力。數(shù)字化的飛行參數(shù)是“寫”出來的，電子束僅僅掃描有筆劃的區(qū)域，即電子束只在有用的地方掃描，從而提高字符亮度，便于在強(qiáng)光背景下觀察。由于計(jì)算機(jī)處理視頻信息有一定的局恨性，在某些情況下需要飛行員觀察畫面，協(xié)助計(jì)算機(jī)完成工作。這就要求平視顯示器能夠顯示視頻圖像，具有光柵掃描（顯示圖像）和筆劃掃描（顯示字符）二種功能，即所謂的光柵—筆劃容掃描。 將數(shù)字字符轉(zhuǎn)化成光柵掃描形式的視頻畫面（如計(jì)算機(jī)監(jiān)視器），然后與視頻圖像疊加，合成一幅圖像，這樣只用一種掃描方式（光柵掃描）就可將數(shù)字和圖像信息全部顯示出來。原理框圖見圖2。 這是一種時(shí)間疊加，電子束一次掃描過視域空間，將字符與圖像同時(shí)顯示出來。電路簡單，較易實(shí)現(xiàn)，但由于光柵掃描時(shí)電子束速度極快，字符顯示亮度很低，在強(qiáng)光背景下觀察非常困難，甚琺看不清。另有一種空間疊加：字符仍然采用筆劃掃描，生成字符畫面，緊接著光柵掃描出圖像，二者在同一視野區(qū)域內(nèi)，視覺效果上能夠同時(shí)看見。這是一種分時(shí)掃描的方法，時(shí)間分配合理，字符亮度降低較少，符號定位精度高。為不致產(chǎn)生閃爍，筆劃掃描時(shí)間tc與光柵掃描時(shí)間tu必須滿足： tc+tu≤ms 顯然，對各自的掃描時(shí)間都必須壓縮。筆劃掃描壓縮通過提高處理器速度、優(yōu)化掃描軌跡提高掃描效率實(shí)現(xiàn)。光柵掃描時(shí)間壓縮采用追趕法。 2 追趕法實(shí)現(xiàn) 對一幅圖像進(jìn)行時(shí)間壓縮而不損失其完整性，就要求對圖像不同部位延遲不同的時(shí)間：對先掃描的行延遲較多的時(shí)間，接下來逐行線性減少，直到最后一行延遲時(shí)間最少（甚至為0），然后再送顯示。傳統(tǒng)的模擬延遲線無法實(shí)現(xiàn)，必須采用數(shù)字化存儲延時(shí)，顯然這里對圖像信號只進(jìn)行延時(shí)（處理），不需要等到一幅完整的畫面完全存儲后再處理。因此可以只設(shè)置一個(gè)幀存，它由一塊雙端口存儲器（Dual-Port RAM）構(gòu)成。如圖3。 系統(tǒng)要求將周期20ms、正程顯示時(shí)間18.4ms的標(biāo)準(zhǔn)PAL制式視頻壓縮1/4，壓縮為周期20ms、正程顯示時(shí)間13.8ms的視頻，即在掃描周期不變的情況下，將正程顯示時(shí)間壓縮1/4。工作過程描述如下： 場正程開始后將視頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換存入幀存，當(dāng)進(jìn)行到δ=18.4-13.8=4.6ms時(shí)，幀存另一端口開始將數(shù)據(jù)輸出，輸出速率f2較A/D采樣速率?1高，二者速率之比為：18.4：18.8=1.333。 進(jìn)行到18.4ms時(shí)，輸入采樣了288-72=216行，用時(shí)64%26;#215;216=13.824ms，一幀圖像結(jié)束，數(shù)據(jù)輸出了288行，用時(shí)64%26;#215;3/4%26;#215;288=13.824ms，即輸出與輸入同時(shí)結(jié)束，沒有延時(shí)，使得處理后的視頻延遲達(dá)到了最短（為0）。整個(gè)過程就好像輸出端在追趕輸入端——最終追上一樣，因此稱之為追趕法。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于元器件參數(shù)的不一致性及溫度漂移影響，該延遲應(yīng)留一定余量。追趕時(shí)序如圖4所示。實(shí)現(xiàn)中控制器采用一塊CPLD——EPM7128SLC84，對一幀圖像進(jìn)行點(diǎn)陣采樣，輸入采樣頻率 f1=720/H1p=13.846MHz 式中H1p=μs是標(biāo)準(zhǔn)PAL視頻行周期H1的正程時(shí)間（逆程時(shí)間H1n=12μs，H1=H1p+H1n=64μs），數(shù)據(jù)輸出速率： 2=f1%26;#215;4/3=18.46MHz 輸出行正程：H1p%26;#215;3/4=39μs 輸出行逆程：H2n%26;#215;3/4=9μs δ=4.6ms用輸入行同步脈沖計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值為： 4.6 %26;#215;103/H1=71.875 取計(jì)數(shù)值為72，考慮到場同步期間行同步脈沖仍不間斷產(chǎn)生，以及開槽脈沖和均衡脈沖的作用，此值應(yīng)修正為91，并與場同步脈沖寬度有關(guān)。控制器CPLD仿真結(jié)果圖5所示。 仿真采用ALTERA公司的MAX+PLUS II軟件，從仿真結(jié)果看出： a.當(dāng)輸入采樣到第98行（包括場同步期間行同步脈沖）時(shí)，數(shù)據(jù)開始輸出，輸出視頻開始產(chǎn)生，這時(shí)視頻信號已輸入采樣4.6ms（視像自第26行開始）。見圖5（a）。b.僅在數(shù)據(jù)開始輸出瞬間，H2與H1同步，其后對應(yīng)行依次錯(cuò)開。 c.視頻輸出結(jié)束（CNT_H2[9..0]=288）較視頻輸入結(jié)束（CNT_H1[9..0]=312）延遲了73μs，見圖5（b），這對于20ms是非常小的。該延遲與數(shù)據(jù)輸出速率f2有關(guān)。 d.考慮到元器件參數(shù)的不一致性及溫度漂移等對f2頻率穩(wěn)定性的影響，應(yīng)設(shè)計(jì)一定的容 差范圍。設(shè)頻率最大漂移為s%，則圖5中容差參數(shù)LPM_CVALUE=13.824ms%26;#215;2%26;#215;s%/H1,取s=1。 3 需要注意的幾個(gè)問題 幀存可采用DPRAM，也可采用FIFO。而圖像各像素順序存入，順序取出。似乎采用雙端口FIFO正好，且外部連線少，電路簡單，是理想之選 。筆者開始也是這么認(rèn)為的。其實(shí)這里面存在著一個(gè)嚴(yán)重的誤區(qū)，上述想法僅在理論上成立，實(shí)際應(yīng)用中是行不通的。對于輸入行同步信號和采樣脈沖，要準(zhǔn)確地將第一像素?cái)?shù)字化，要求采樣脈沖和行同步信號必須保持恒定的時(shí)間關(guān)系，采樣信號必須受控于行同步（如鎖相）。當(dāng)像素輸出時(shí)，每行的第一個(gè)像素必須是存入的對應(yīng)行的第一個(gè)像素，只有這樣才能顯示出真實(shí)又方正的圖像。即要求位置上嚴(yán)格對應(yīng)。如果第二行像素位置稍有偏差，即使偏差不到一個(gè)像素，由于行間錯(cuò)位而使得圖像水平分辨率大大下降，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量，此其一；另一方面，該偏差將逐向右傾斜，無法正常觀看。這是因?yàn)閒1和?2是二個(gè)獨(dú)立的振蕩器，二者沒有相關(guān)性，這樣f2只能在一個(gè)"點(diǎn)頻"上保證輸出圖像是方正的。這是一個(gè)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中無法保證。另外，即使f1和f2具有相關(guān)性（如某頻率f=3%26;#215;f1=4%26;#215;f2分頻），但在行同步期間，輸入采樣頻率f1的相位需要調(diào)整以便采樣第一個(gè)像素，相關(guān)性使f2受到影響，從而影響輸出圖像。圖5采用追趕法的目的是減小延遲，實(shí)現(xiàn)襯時(shí)處理。因此對圖像壓縮存儲等沒有實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)用并不適用，也無必要。為實(shí)現(xiàn)幀內(nèi)追趕，需在一幀開始后的若干行之內(nèi)即開始追趕，因此對原始圖像信號的處理要求以行為單位，可以是連續(xù)的若干行。交替法產(chǎn)生的延遲至少是20ms，可稱之為"偽實(shí)時(shí)"處理。盡管如此，對于一般的應(yīng)用也已經(jīng)足夠了。追趕法可以有效地減少視頻處理延遲，本例中將延遲從20ms減少到73μs。對于實(shí)時(shí)性要求極為苛刻的顯示，如高速運(yùn)動的飛機(jī)的平視顯示器、綜合頭盔顯示等，是一種非常有效的方法。