采用視頻方式的點坐標(biāo)測量方法

摘要：

介紹了一種采用視頻方式的點坐標(biāo)測量方法。方案設(shè)計巧妙，測量方法穩(wěn)定了可靠、精度高。該方法采用CCD攝像頭拍攝屏幕畫面獲取光點信號，對攝像頭輸出的視頻信號經(jīng)過處理后，得到需要的一系列數(shù)字信號，然后在CPLD中完成數(shù)字邏輯功能，最終得到點的坐標(biāo)。

測量一幅畫面中某點的坐標(biāo)，大多采用人工方法。但在有些工作條件下，這種方法給工作人員帶來不便。本文介紹一種自動測量點坐標(biāo)的實現(xiàn)方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該方案測量對象是光點，在實驗中用紅色激光筆產(chǎn)生，使用加入紅色濾光片的CCD攝像頭。攝像頭拍下屏幕的畫面后，將其輸出的視頻信號同時送入同步分離電路和前置放大器。經(jīng)過同步分離電路后，分別得到復(fù)合同步信號和場同步信號;經(jīng)過前置放大電路放大、反相后，輸入到鉗位放大器。當(dāng)有光點落在屏幕上時，視頻信號的白電平處會產(chǎn)生尖脈沖。通過高速比較器可以截獲這個尖脈沖信號(即光信號)。該方案預(yù)處理電路結(jié)構(gòu)見圖1。

與圖2類似，場同步信號與光信號分別作為RS觸發(fā)器的R、S輸入信號，輸出信號Q與復(fù)合同步信號以及延遲后的場同步信號經(jīng)過三輸入與門后，輸出的脈沖作為垂直計數(shù)器的計數(shù)脈沖。光脈沖到來時，垂直計數(shù)器停止計數(shù)并將其中的內(nèi)容寫入垂直鎖存器。場同步信號同時也作為垂直計數(shù)器的清零信號，在下一場開始前將其清零，進入新一輪垂直計數(shù)狀態(tài)。該方案場計數(shù)器結(jié)構(gòu)見圖3。

水平鎖存器和垂直鎖存器中的數(shù)值即為光點的坐標(biāo)，這樣就測量出圖像中某光點的位置。

2 系統(tǒng)方案實現(xiàn)

2.1 同步分離電路

在電視系統(tǒng)中，為了能正確地重現(xiàn)圖像，要求收端與發(fā)端同步掃描。只要掃描頻率相同、起始相位相同，收端就可以重現(xiàn)發(fā)端圖像并認(rèn)為是同步的。當(dāng)收端、發(fā)端的頻率、相位不同時，圖像將被破壞，產(chǎn)生畸變，甚至無法重視，因此在圖像信號中加入了同步脈沖。在發(fā)送端，每當(dāng)掃完一行圖像時，加入一個行同步脈沖，每掃完一場圖像時加入一個場同步脈沖。它們與圖像信號一起被發(fā)送出去。在接收端，使行掃描鋸齒波電流只有當(dāng)行同步脈沖到達進才開始逆程期，而場掃描齒波電流也只有在場同步脈沖到達時才開始逆程期。這樣就保證了同步。為了使掃描逆程光柵不顯示(消隱)，還需要加入行、場消隱脈沖，這時的圖像信號電平成為消隱電平。攝像頭輸出的是將圖像信號，同步信號，行、場消隱信號這三種信號組合起來形成的黑白全電視信號。我國電視規(guī)定：行頻為15625Hz，行同步脈寬為4.7μs;場頻為50Hz，場同步脈寬為2.5×1/15625=160μs。

在該方案中，使用專用芯片LM1881將行、場同步脈沖分離出來。LM1881是正極性圖像信號輸入、TTL電平輸出芯片，從而簡化了電路。圖4是LM1881的連接圖以及工作波形示意圖。正極性圖像信號從2腳輸入，在1腳和3腳分別輸出復(fù)合同步信號和場同步信號。5腳輸出后沿脈沖信號，作為鉗位放大器的鉗位脈沖輸入。7腳輸出奇偶場指示信號。

反極性圖像信號加到解集成電路AN5612的1腳，在其內(nèi)部進行視頻放大，增益由18腳外接對比度電位器R1控制。頻率特性由R3、C7組成的網(wǎng)絡(luò)進行高頻補償。4腳的外接膏藥度電位器R5調(diào)節(jié)黑電平的高低。視頻信號在加入AN5612之前由于通過耦合電容失去了直流成分，因此，視頻信號的消隱電平而改變。為了克服這個缺點，可采用直流耦合放大，但由于一般的直流耦合放大容易產(chǎn)生溫漂，致使黑電平難以穩(wěn)定。常用的辦法是采用鉗位電路，將復(fù)合同步脈沖延遲至行消隱信號后肩，從而把亮度信號的消隱電平鉗位于給定的直流電平上。LM1881的5腳輸出的信號即為所需要的鉗位脈沖。這部分電路見圖5.AN5612的7腳輸出R基色信號，作為比較器LM361的一路輸入。

比較器選用LM371，最高速度達到20ns，AN5612的7腳輸出的R基色信號作為LM361的一路輸入信號input1;另一路輸入input2為參考，通過試驗，其值取為3.1V。LM361有兩路互補的TTL電平輸出output1和output2，它們與輸入之間的關(guān)系可以表示如下：

LM361的兩路輸出分別送入CPLD(復(fù)雜的可編程邏輯器件)。

2.4 數(shù)字邏輯電路

該方案的數(shù)字電路部分主要由CPLD構(gòu)成，實現(xiàn)行計數(shù)和場計數(shù)功能。CPLD選用ALTERA公司MAX7000S系列的EPM7128S，支持在系統(tǒng)可編程(In System Programming)。ISP技術(shù)及其器件是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一種新技術(shù)與新器件。它使設(shè)計者能在產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中對產(chǎn)品中的器件、電路板乃至整個電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時進行組態(tài)或重組。采用這種器件開發(fā)的數(shù)字系統(tǒng)，升級與改進是極其方便的。

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2.4.1 行計數(shù)

行計數(shù)的功能框圖可參見圖2，圖6是實現(xiàn)行計數(shù)的波形示意圖。復(fù)合同步信號延遲10.5μs后至行消隱電平后肩。延遲至消隱電平的后肩是為了避免計數(shù)器在行逆程期間計數(shù)，減小誤差。行同步脈寬為4.7μs，而行消隱電平有5.8μμs的后肩，故延遲時間定為10.5μs。在行消隱電平后肩時刻，三輸入與非門開始輸出15MHz的計數(shù)脈沖，行計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)有光脈沖去到時(即LM361的9腳輸出低電平)，RS觸發(fā)器的輸出Q跳變?yōu)?ldquo;0”，故三輸入與門輸出“0”，計數(shù)停止計數(shù);同時光脈沖觸發(fā)鎖存器，存儲計數(shù)器中的數(shù)值，至此就獲得了光點的行坐標(biāo)。下一行同步脈沖到來時，會將計數(shù)器清零，開始新一行的點坐標(biāo)測量。

我國電視規(guī)定一行的周期為64μs。除去行消隱脈沖，這樣在15MHz的計數(shù)脈沖下，一行最多可計算的點數(shù)為(64-12)×15=780。也可以根據(jù)對精度要求的不同，選用不同的時鐘。

2.4.2 場計數(shù)

場計數(shù)實現(xiàn)的思想類似于行計數(shù)，只不過將復(fù)合同步信號替代為場同步信號;而場計數(shù)脈沖為復(fù)合同步脈沖，而不是15MHz脈沖信號。同樣，為了避免場計數(shù)器在場逆程期間計數(shù)，將場同步脈沖寬度延遲到1600μs。光信號到來時，計數(shù)器停止計數(shù)，并將數(shù)值入場鎖存器。下一場同步脈沖到來時，將計數(shù)器清零，開始新一場的點坐標(biāo)測量。

由于攝像頭采用隔行掃描方式，兩場構(gòu)成一幀畫面，奇數(shù)場掃奇數(shù)行，偶數(shù)場掃偶數(shù)行，所以此時得到的場坐標(biāo)與實際值之間有較大誤差。為了提高精度，需要確定當(dāng)前掃描的是奇數(shù)場還是偶數(shù)場。假設(shè)場計數(shù)器中的值為n，那么若LM1881的7腳輸出0，表明當(dāng)前掃描的是偶數(shù)場，光點實際應(yīng)在第2n行;若7腳輸出1，表明掃描的是奇數(shù)場，光點實際應(yīng)在第2n-1行。

根據(jù)以上所述的行、場計數(shù)邏輯關(guān)系，可以用硬件描述語言(HDL)設(shè)計數(shù)字電路。在綜合、仿真后，通過下載線將程序?qū)懭隒PLD中，通過JTAG口可以方便地調(diào)試程序。

2.4.3 誤差校正

由于光在空氣中是發(fā)散的，所以實際上攝像頭拍攝到的不是光點，而是光斑。在本方案中，電路測得的坐標(biāo)實際為光斑左上解某點的坐標(biāo)，而不是光斑中心點的坐標(biāo)，故還需要對此值進行校正，才能得到光斑中心點較準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置。校正值應(yīng)根據(jù)實際情況下光斑的大小來確定。