（通信与信息系统专业论文）利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究.pdf

利用图像叠加技术提高监| 卒系统麦伞性的研究 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究 中文摘要 现实中，经常使用视频监控系统完成某些监视任务。但是在某些诸 如海关，银行等特殊部门的监控者往往对于所接收图像的实时性、真实 性不能完全放心，尤其是监控对象为具备高科技能力者。 本文引入对抗的概念，设计了一种基于图像叠加技术的具备一定安 全性保障的视频监控系统。该系统运用单片机a t 8 9 c 5 2 控制m b 9 0 0 9 2 专用字符叠加芯片在屏幕上叠加动态伪随机字符的方法来防止系统在运 行时监控头被拆卸。线路正常工作时，利用远程监控系统提供的功能截 取摄像头图像，并利用模板匹配方法分割出叠加的字符徽标，对徽标进 行识别，得到有关参数，与相应的伪随机序列进行查配，若匹配不正确 则报警。如果线路被破坏，监控端给出的确认标识将不再显示( 除非远 程监控室发送控制信号) ，从而检测出被监控方破坏监控头系统的行为， 有效防止因信号传输线路被随意改动而导致伪图像的引入。使用该方法 可以有效地防止在被监控瑞高科技人员故意对监控头及线路的作假行 为，确保了远程监控图像的真实性、可靠性。文中给出了系统方案设计、 各个部分电路原理及主要的子程序，完成了一个视频字符叠加与远程监 控的实际系统。 关键词：视频字符叠加，监控系统，模板匹配 作者：李锡瑞 指导教师：吕建平 墨竺! ! 堂! ! ! 塑! 墨竺! ! 垡! 竺竺竺竺! ! ! 生! 竺型苎量翼兰2 竺翌竺竺竺堕! ! 竺垡曼型! 哇! ! 坚竺兰- r e s e a r c ho nv i d e os e c u r i t yi m p r o v e m e n t w i t hi m a g e s u p e r i m p o s i t i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t n o w v i d e om o n i t o rs y s t e mi sw i d e l yu s e di nm a n ya p p l i c a t i o nf i e l d s b u ts o m es p e c i a ld e p a r t m e n t s ( s u c ha sc u s t o m s 、b a n k ) a r e c o n c e m e da b o u tt h e e x a c t n e s sa r dr e l i a b i l i t yo f r e m o t em o n i t o r i n gi m a g e ，e s p e c i a l l y t h es c e n eo fa h i g h t e c hu n i t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam e t h o dt oi m p r o v e t h es e c u r i t yo fv i d e om o n i t o 。 s v s t e m u s i n gs u p e r i m p o s i t i o n t e c h n o l o g y w i t h m c ua t 8 9 c 5 2 ， s u p e r i m p o s i t i o nc h i p o fm b 9 0 0 9 2 a n d p s e u d o r a n d o m c h a 鞠虻t e 娼 s u p 甜m p o s e d ，t h ea c t i o ns u c ha st a k i n gd o w n t h ec a m e r am a yb es e n 8 e db y t h es y s t e m w h e nt h i sl o n g - d i s t a n c em o n i t o rs y s t e m i sw o r k i n g ，c 锄e r a i m a g em a y b eo b t a i n e df r o mi t ，s u p e r i m p o s e di c o nm a y b ec u ta n dr e c o g n l z e d w i t ht e m p l a t em a t c h i n gm e t h o d i ft h ei c o ni sn o t m a t c h e dw i t ht h ec h a r a c t e 。s o fp s e u d o r a n d o ms e q u e n c e ，a na l a r mi s s u e d i ft h et u n n e li sb r o k e n ，t h el c o n s a r en o td i s p l a y e do nm o n i t o ru n t i ls e n d i n go u tac o n t r o ls i g n a l f r o mc e n t m l m o n i t o rr o o m t h i ss y s t e mc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ec h e a t i n g a c t l o nt h a t d e l l b e r a t e l yi m p o s e do r lt e r m m a lb yh i t e c h e x p e r t ，s ot h a ti t c a ng u a r a n t e e t h ee x a c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo f r e m o t em o n i t o ri m a g e i nt h i sd i s s e n a t i o n ，t h ed e s i g n i n gb l o c k so ft h es y s t e m ，t h ec i r c u i to f e a c h p a r ta n dk e yp r o g r a m sa r e d e s c r i b e d t h ew h o l es y s t e mi sa c h i e v e d k e yw o r d s ：v i d e oc h a r a c t e rs u p e r i m p o s i t i o n ，m o n i t o r s y s t e m ，t e m p l a t e m a t c h i n g w r i t t e nb y ：l i x i r u i s u p e r v i s e db y ：l v j i a n p i n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏j , i 、l 大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：缉目期：率 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：。彭口护盏 日 期：塑型i 堑! 旦生 导师签名：鋈壁叠!日期：赵! d i 型呈? 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究 第一章引言 1 1 课题的来源与背景 随着监控现场的扩展，探头数量增多，监控端的图像显示系统中，经 常需要把图像连同相关的信息实时地显示在监控屏幕上，以方便使用人 员了解该图像信息以何种方式来自何处以及与之相关的信息，如时间， 地区徽标等。对于监控人员而言，监控信号遭到攻击是一个值得担心的 问题，特别在远程监控场合，某些重要部门的监控者往往对于所接收图 像的实时性和真实性不能完全放心，尤其对高科技对象实行监控。例如， 当监控者因故临时离开监控台一段时间后，由于不知道被监控方是否对 监控系统进行了攻击，故而往往有确认探头工作正常和所见图像真实性 的要求。因此，改善技术方案，增强视频安全性是针对目前使用状况提 出的一种客观要求。监控人员希望看到的是得到验证的真实图像，无论 时间、环境、探头位置、角度和焦距都必须得到保证。 本文引入对抗的概念设计了一种具备安全性保障的视频监控系统。 该系统使用在屏幕上叠加动态伪随机符号的方法来防止系统在运行时监 控头被拆卸。一旦线路被破坏，主监控端给出的确认标识将不再显示， 从而检测出被监控方高科技人员破坏监控头系统的行为，有效防止因信 号传输线路被随意改动而导致伪图像的引入。本系统解决了监控信号安 全性问题，确保了监控人员所见内容的实时性，使得通过“放录像”的 方式偷换视频监控内容的作假行为难以实现，保证了视频监控的真实性。 运行情况表明，本系统能够在一些要求较高且监视背景不具有环境特征 的场合得到应用。例如背景为蓝天、白墙和旷野等特殊场合，以及一些 重要的单工( 非交互) 方式监控系统。 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究 第一章引言 1 2 课题的现状及其发展 1 2 1 课题的现状 视频字符及时间叠加器“1 是在视频信号中混入字符或时间信号，从而 在屏幕的特定位置上与图像信号同时进行显示的设备。叠加技术是电视 技术中的一个重要应用，发挥着重要的作用。从视频字符及时间叠加器 的工作方式及本身电路的构成来看，已经历了三个不同的发展阶段乜1 。 第一阶段是“图解显示控制”即g d c 阶段。它是利用中小规模数字 集成电路来实现各部分所要求的严格的时序关系，并将形成的字符信号 与视频信号在预定的时间关系上混合并显示在屏幕上。在这种方式中， 字符的产生有两种方法： 专用字符发生器：它是一种专用的r o m ，常用的有m k 3 6 0 0 0 、 m c m 6 6 7 0 p 、m n l 2 1 7 等。它们将字符或数字以点阵的方式存入存储器中， 外加恰当地址后便能输出相应的数据信号。该方式一旦选定了某种器件， 所显示的字符也就确定了，缺乏灵活性，且不能显示图形，通常称此为 “文本方式”。 “图形方式”：在这种方式中，是用e p r o m 来存储字符或图形 的点阵数据，其点阵形式由设计者自己决定，具有更大的灵活性。 第二阶段是用c r t 控制器这类专用集成电路的阶段。常用的有 m 6 2 3 7 、m c 6 8 4 5 等。它将“图解显示控制方式”中的中小规模集成器件 构成的电路集成化。字符( 或图形) 等以点阵方式存储在外围的r o m 或 r a m 中。它使电路大为简化，因而使用较为方便。 第三阶段是单片“屏幕显示”器件阶段：因为在与电视有关的产品 上，并不需要显示很多的字符或图形，因此将以上c r t 控制器中的外部 存储器与其集成在一起而形成所谓单片屏幕显示器件。 综上所述，3 个阶段设计的视频字符叠加电路只是将图像信息以何种 _ 、 一 孽 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究第一章引言 方式来自何处以及与之相关的信息，如时间、地区徽标显示在屏幕上， 但是对于所看到信息的真实性缺少思考，电路中没有体现。 因而，本文所设计的远程监控字符叠加系统是一种有针对性，非常 重要的应用系统。 1 2 2 课题的发展 图1 1 现有远程监控系统的连接不意图 在硬盘录像机之前，所有的视频传输都依靠硬件设备的连接，保证 了视频传输的实时性。但是远程系统线路长，接口多，反接入能力差。 图1 1 中单纯依靠计算机软硬件只能对硬件录像机之后的信号提供安全 保证，而无法提供全程可验证的信号安全保证。故而需要在摄像头安装 适当的硬件装置，对从摄像头开始的视频信号“加锁”，并在最后环节“验 锁”，来保证视频信号的全程可验证。图1 2 就是添加了“加锁”和“验 锁”两个环节之后的远程监控系统的连接示意图。 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究 第一章引言 图1 2 改造后的远程监控系统的连接不意图 在“加锁”环节，“加锁”装置在摄像头输出的视频图像上看似随机 地添加一个动态的防伪字符，实际上该防伪字符依据每个“加锁”装置 的密钥和时间动态生成，动态叠加。并且“加锁”装置利用靠近摄像头 的优势对视频信号进行断线检测，从而保证“加锁”装置与摄像头之间 的不可插入性。 “验锁”环节实际上由两部分组成，一是监控人员可以观察到每个 监视器上字符的变化，更重要的是在中央监控室，由若干台“验锁”主 机依据每个“加锁”装置的密钥和时间实施不问断地自动“验锁( 字符) ”。 1 - 3 本课题工作 深入研究了在视频信号中叠加字符的原理【3 】【4 】和实现方法、中断 检测、串行通信以及图像识别的原理【5 1 。 在以往视频叠加系统方案的基础上，提出了一种适合本课题的 中断检测电路设计系统。 4 航张 靓靴一皿i | 社 贼 一 瞄 一 撵黧 髟 ：，|。 们= 型旦鬯堡叁垫垫查塑查些丝墨竺塞全丝塑堕壅 墨二兰! ! 蔓 利用单片机a t 8 9 c 5 2 来控制专用字符叠加芯片m b 9 0 0 9 2 实现 伪随机动态叠加字符的功能。 给出利用图像识别的原理分离动态叠加伪随机字符并根据识别 的具体情况决定是否报警的方案。 进行了系统的软件设计及调试。 对整个系统设计的抗干扰措施进行了初步研究。 1 4 论文的结构和内容 论文分为6 章。 第一章为引言，论述了监控系统视频叠加技术的来源背景、现状与 发展以及本课题所做的工作。 第二章为相关基本原理，介绍了电视原理与全电视信号的基础、视 频字符叠加的原理与几种实现的方法。 第三章为系统硬件设计，给出了系统的结构原理图，详细介绍了硬 件电路的各个部分，包括视频预处理、同步分离、视频叠加、字符存储 器以及中断检测的设计。 第四章为软件实现部分，介绍了字符叠加软件设计思想，控制流程 图以及远程检测报警系统的基本概念及其实现方案。 第五章是抗干扰措施及系统调试的过程和结果。 第六章结论部分给出了对系统实现功能的评价以及改进。 最后是参考文献和致谢。 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究 第二章相关基本原理 本章主要介绍电视信号组成，视频字符叠加原理与几种实现的方法。 2 1 视频信号 电视是根据人眼的视觉特性，用电子学的方法，实时地传送活动或 静止图像的技术。一幅图像由许许多多像素组成。像素越小，单位面积 上的像素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。 电视系统中旧蜘，把构成一幅图像的各个像素传送一遍称为进行了一 个帧处理，或者称为传送了一帧。在传送时可以把图像不同位置上具有 不同亮度的像素转变成相应的电信号，再分别用各个相应信道把这些信 号同时传送出去，接收端接收后又同时进行转换，恢复出原发射信号。 现代视频信号分为黑白视频信号和彩色视频信号。 2 1 1 黑白全电视信号 电视系统要完成图像信号的传输，不失真的重现原图像，除必须传 送图像信号这一主题信号之外，为保证收发同步、逆程不显示光栅及隔 行扫描均匀嵌套，还必须传送复合同步信号，复合消隐信号，槽脉冲和 均衡脉冲信号等辅助信号。将以上主体信号与辅助信号统称为全电视信 号。黑白全电视信号中，电视信号每秒传送2 5 帧图像，采用隔行扫描， 每帧图像分两场传送，奇数场传送奇数行，偶数场传送偶数行。场频为 5 0 h z ，正好与市电频率保持一致，可减少电源干扰。一帧图像分6 2 5 行 传送，每场传3 1 2 5 行。 为了能够正确重现图像，要求接收端与发送端同步扫描。由于电视 信号按行、场传送，因此电视信号在每一场前都要加场同步信号，在每 一行前都要加行同步信号。 在接收时，电子束在行偏转电压的作用下从左到右扫描，这是扫描 6 型旦望堡垒垫垫查丝壹竺丝墨竺窒全丝堕里壅 墨三兰塑鲞萎奎璺里 正程，此时要显示图像；电子束从右到左返回到下一行扫描的起点，这 是扫描逆程，此时不显示图像。所以，电视信号在行扫描逆程需要有行 消隐脉冲。同理，在场扫描逆程也需要有场消隐脉冲。行、场消隐脉冲 的周期分别与行、场同步信号周期相同，一般把行、场同步信号分别叠 加在行、场消隐脉冲上。 如果场同步期间没有行同步信号，将会影响整个扫描过程中的严格 同步，因此需要在场同步脉冲内形成一些与行同步信号同周期的窄槽， 来代替行同步，这就是开槽脉冲。 由于采用奇数行隔行扫描，每场包含半行，可知两场的行同步脉冲 相互错开半行。场同步脉冲是通过积分电路分离，如果行同步脉冲相差 半行，会使两场的场同步脉冲积分起始电平不同，这会严重影响隔行扫 描的准确性。为了消除误差，可以在场同步脉冲持续期及其前后若干行 内，将行同步脉冲频率提高一倍，这样就使这一段时间内偶数场与奇数 场的同步脉冲波形完全相同。在场同步脉冲前、后的窄脉冲分别称为前 均衡脉冲、后均衡脉冲。前后均衡脉冲各五个，各占两行半时间。 2 1 2 彩色全电视信号 彩色电视信号与黑白电视信号相比，行、场同步信号，消隐信号和 均衡脉冲是一致的；不同的是黑白电视信号中像素仅表示亮度，而彩色 电视信号中像素不仅表示亮度，还表示色度，需要对r 、g 、b 三基色进 行调制。根据r g b 编码方式不同，彩色电视信号分为n t s c 制、p a l 制 和s e c a m 制，我国采用p a l 制式t 6 】。 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究 第二章相关基本原理 图2 1p a l 制式编码器 如图2 1 所示，p a l 制式编码器主要由矩阵电路、低通滤波器、平衡 调制器、混合器等电路组成。r 、g 、b 信号先送入矩阵变换电路，运算 出亮度信号y 和色差信号r y 、b y ，并对二色差信号进行压缩后从 矩阵电路输出。其中亮度信号y 经低通滤波器及加入复合消隐信号后， 再经0 7 “s 延迟线送入全电视信号混合放大器。色差信号r y 、b y 经过低通滤波器将频带限制在1 3 m h z 范围内，然后分别加入+ k 脉冲和 一k 脉冲后，送入平衡调制器。另外4 4 3 m h z 副载波一路直接送入b y 平衡调制器，另一路则经9 0 。相移和逐行倒相后送入r y 平衡调制 器，两输出信号通过相加器混合，得到色度信号；色度信号、延迟后的 亮度信号和复合同步信号相加，即可得彩色全电视信号。 2 2 视频字符叠加原理 2 2 1 对字符叠加芯片的要求 视频字符叠加属于视频图像叠加的一种，字符叠加是在视频信号中 混入字符信号，从而在屏幕的特定位置上与图像信号同时进行显示。对 字符叠加芯片的基本要求如下： 型旦堕堡垒垫垫查堡塞苎丝至竺室全丝箜翌墨 墨三茎塑鲞墨查堕翌 在屏幕上稳定的显示所叠加的内容，叠加的信号必须与图像信 号同步。实现这种同步方式主要有两种方法。一种是从视频图 像信号中分离出行、场同步信号，叠加芯片内部电路受外来同 步信号所控制；另一种是叠加芯片本身产生出行、场同步信号。 在实际应用中可根据具体情况选定。 字符大小及精度的确定：叠加芯片所显示字符的大小决定了在 垂直方向上所占的行数及水平方向上一行中所占的宽度，所叠 加字符的精度决定了构成一个字符像素的多少。就目前情况看， 字符的点阵结构有多种，常用的有5 x 7 、8 x 8 、6 x 9 、7 x 9 、 1 2 x1 2 、1 2 x1 6 、1 2 1 8 ，以及2 4 x 3 2 点阵等各种不同精度的 结构方式。 在有些情况下，要求所叠加内容能够在屏幕上的一定范围内上 下左右移动，且字符亮度( 或色彩) 可以在外部进行调节。条件 允许时，可完成一些特技，如闪烁，渐入渐出，叠加背景等。 2 2 2 黑白字符叠加 前面介绍了黑白全电视信号的一些原理，现在以点阵结构为8 1 6 ( 每行显示八个字符，每个字水平方向为8 个像素，垂直方向为1 6 个 像素，即占1 6 行的高度) 的黑白字符叠加器来说明叠加原理，如图2 2 所 示。 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究 第二章相关基本原理 水平 位置 控制 辣神 形成 垂直 位置 控制 脉冲 形成 字符 起始 位置 控制脉 冲形成 号码 字符 存储 图2 2 黑自字符叠加原理 字符发生器是一种专用存储器，包括r o m 和r a m ，在r o m 中存 放着常用字符的点阵数据，包括2 6 个大写英文字母以及阿拉伯数字，在 r a m 中可写入用户指定的特殊图形点阵，对于一个存有1 2 8 种字符点阵 的字符发生器，用1 1 位地址寻址，当r o m 的高7 位地址输入字符编码， 低四位地址输入字符点阵的行数，芯片就能输出8 位数据，就是由字符 编码决定的字符在指定的行的点阵数据。字符发生器中的点阵数据表明 字符是由什么形状的点阵组成的，字符要显示在监视器上，就必须在全 电视信号的适当位置上叠加上这些点阵数据脉冲哺1 。 只有当点阵数据脉冲与行同步脉冲相关时，即各行中同一位置的点 阵脉冲滞后于该行行同步脉冲一个固定的时间时，字符才能稳定地显示 在监视器上。因此，全电视信号首先经同步分离电路提取行、场同步信 号作为显示的基准，水平位置控制脉冲电路将行同步脉冲延迟并展宽后 形成水平方向显示脉冲，该脉冲对行同步脉冲的延迟时间决定字符在监 视器水平方向上的起始位置，该脉冲的宽度决定行字符( 本文中为8 个 字符) 在屏幕水平方向上的总宽度。 同样，垂直位置控制脉冲电路产生控制字符垂直方向上起始位置及 所叠加字符的高度的控制脉冲。为了实现场方向上字符的起始位置的控 型望曼堡墨垫垫查堡查些丝墨竺室全丝垫里壅 墨三苎塑茎至查壁里 制，当然也可以象水平方向那样采用把场同步脉冲延迟的方法。但由于 场的时间较行长得多，延迟电路的误差( 不稳定) 会导致字符起始位置的 变化，即所谓“跳行”现象。因此这种延迟方法不可取。实际中是在每 场内对行计数，从第n 行起至n + m 行止。其中n 行就是决定字符垂直 方向上起始位置的行数，m 则是字符在垂直方向上的高度，由于采用隔 行扫描，字符在每场内的高度为m 2 。在以上的字符结构中，则应该是8 行。也就是说，行计数器从第n 行起开始计数，到第n + 8 行结束计数， 这样就实现了字符在垂直位置上的控制。这可用图2 3 来说明。 行同步 行延迟 晨竟 j l 厂 麓同步 第n 行 l i 于亍 图23 行、场i 司步脉冲与起始位置的关系 水平及垂直控制脉冲相“与”得到显示控制脉冲去控制像素振荡器， 该振荡器的周期就是字符像素点水平方向上的宽度。振荡器起振的行就 是显示字符的行。显然，振荡频率越高，构成字符的像素点越精细。 像素振荡器的输出脉冲先进行8 分频，然后送入水平像素计数器计 数。行计数器与水平像素计数器的输出送入字符存储器的地址线，其中 行计数器的输出至存储器高位地址，决定显示m 行中的哪一行，像素计 数器的输出送入存储器低位地址，确定显示一行中的第几个字符。存储 器数据输出至移位寄存器。移位寄存器把8 位并行数据转换为串行，即 可输出叠加点阵。移位寄存器的移位时钟采用像素振荡器的输出振荡频 率，它的移位置数端口由8 分频器的输出控制。这样，移位寄存器就能 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究 第二章相关基本原理 按照水平的时间顺序，依次输出要叠加的字符点阵。 点阵信号与视频信号的叠加目前有两种方法。第一种是陷波法，又 称钳位法，如图2 4 所示。 输视频 图2 4 陷波法原理图 当叠加点阵为“0 ”时，三极管截止，输入视频信号无失真输出。当 叠加点阵为“1 ”时，三极管导通，把集电极电平钳位于一个低电平，这 样在需要叠加的地方视频信号固定为某一黑色电平，完成叠加。r l 控制 叠加电平的电位，改变r l 就会相应的改变叠加亮度。 第二种方式是相加法，其原理如图2 5 所示。 视频 图2 5 相加法原理图 图2 5 所示其实就是加法器，输出视频= 输入视频+ 叠加点阵，当叠 加点阵为“0 ”时，对输出没有影响。当叠加点阵为“l ”时，在原电视 信号不变的基础上叠加了一高电平。由于在各个叠加点阵位置原视频信 号的电平并不相同；这样叠加字符笔画看起来颜色深浅不同。这种叠加 方式的效果与前两种有些区别。前两种叠加方式相当于先抠去原电视信 1 2 塑旦里堡墨垫垫查堡苎些丝墨竺室全堡竺堕塞 墨三兰塑茎墨查曼翌 号，然后再把叠加字符放在抠去图像的位置，所以这两种叠加方式的字 符笔画深浅一致，字符清晰，但丢失了原视频信号的信息。第三种方法 没有抠去视频信号的过程，而是直接在上面叠加字符，这种叠加结果使 得背景视频信号的信息会透过叠加字符显示出来，但是如果背景颜色明 暗变化很大，叠加字符就不容易看清楚。 2 2 3 彩色字符叠加 在水平位置控制脉冲形成和垂直位置控制脉冲形成方面，彩色字符 叠加与黑白字符叠加之间没有什么不同，不同之处在于对像素点的处理。 我们知道，一般来说在屏幕上叠加的黑白字符亮度是固定的，可以用二 进制中的“0 ”、“1 ”来表示像素点的显示，因此一个字节可以表示8 个 像素点。而彩色字符由r 、g 、b 三色组成，不同电位的三种色彩的混合 可以产生多种颜色。r 、g 、b 三色的电平每一种都是可变的。如果r 、 g 、b 每种色彩用一个字节表示，那么一共就有2 5 6 x2 5 6 2 5 6 种色彩。 如果r 、g 、b 三色共用一个字节表示，则仅能表示2 5 6 种色彩。一般来 说，除了专业的叠加机，普通的彩色叠加机有2 5 6 种色彩就足够了旧。 彩色字符叠加有两种方式，一种是先解码后切换再编码，另一种是 先编码再切换。 图2 6 彩色叠加方式一 型旦璺堡兰塑茎查墨苎些丝至竺塞竺堡堕堕壅墨三兰塑茎至查曼堡 第一种方法是视频信号先解码出r 、g 、b 信号，如图2 6 所示，然 后与字符r 、g 、b 信号切换输出复合r 、g 、b 信号，复合r 、g 、b 信 号经过编码器合成为叠加后的视频信号输出。这种方法一般是专业叠加 方法。由于是先切换后编码，省去了提取副载波时因为要求相同频率零 相位问题所带来的烦恼。对切换后的r 、g 、b 信号进行编码，只要编码 器没什么问题，这种叠加方式就可以稳定地叠加字符。这种方法的缺点 是太复杂，首先要做一个解码器，其次是需要一个专业的编码器。专业 的编码器比较昂贵，使用不经济，而普通编码如m c l 3 7 7 质量不好，产 生的视频信号会出现许多问题，比如闪烁，色彩蠕动等，这些问题的出 现与编码器的内部结构有关。 视 的 号 图2 7 彩色叠加方式二 第二种方法是视频信号先分离出副载波，如图2 7 所示，用同频同相 的载波控制m c l 3 7 7 编码输出叠加字符视频信号，然后切换输出。用这 种方法，尽管编码输出信号不尽人意，但由于它仅作为叠加字符出现在 屏幕上，不会影响到整个视频信号。而且这种方法简单实用，也不失为 一种可取的方法。 1 4 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究第二章相关基本原理 2 3 摄像头信号接口简介 频输出信号 - 中央 监控室 f 一 ， 控制信号 1 8 5 蝽口 图2 8 原摄像头信号接口电路 图2 8 为原摄像头信号接口的电路连接图。从摄像头输出的视频信号 直接传输到中央监控室，而中央监控室的控制信号经传输线路传送到摄 像头的r s - 4 8 5 信号接口。当线路发生异常后，线路恢复叠加信息即可正 常显示。下面简单介绍一下r s - 4 8 5 。 r s - 4 8 5 是美国电气工业联合会( e i a ) 制定的利用平衡双绞线作传输 线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输；最大传输距离可以达到 1 2k m ；最大可连接3 2 个驱动器和收发器；接收器最小灵敏度可达_ 4 - 2 0 0 m v ；最大传输速率可达2 5m b s 。由此可见，r s - 4 8 5 协议正是针对远距 离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。m a x 4 8 5 接口芯片是m a x i m 公司 的一种r s - 4 8 5 芯片【l o 】。 r s - 4 8 5 具有以下特点： ( 1 ) r s - 4 8 5 的电气特性：逻辑“1 ”以两线间的电压差为+ ( 2 6 ) v 表示；逻辑“o ”以两线间的电压差为一( 2 6 ) v 表示。接口信 号电平比r s - 2 3 2 - c 降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该 电平与r 凡电平兼容，可方便与，r 几电路连接。 ( 2 ) r s - 4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s 。 ( 3 ) r s - 4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰 能力强，即抗噪声干扰性好。 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究第二章相关基本原理 ( 4 ) r s - 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为1 2 2 0 米，实际上可达3 0 0 0 米，另外r s 一2 3 2 一c 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单 站能力。而r s - 4 8 5 接1 ：3 在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器。 即具有多站能力，这样用户可以利用单一的r s - 4 8 5 接口方便地建 立起设备网络。 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究 第三章系统硬件设计 根据应用要求，所设计系统的硬件总体方案如图3 1 所示。 图3 1 摄像头信号接口电路 图3 1 中，监控的视频信号经摄像头b n c 视频输出端口传输到视频 叠加检测电路板，在原始视频图像上叠加字符后由v o u t 输出至中央监控 室，中央监控室将核对所叠加的字符。线路发生异常后，电路停止字符 叠加功能；线路恢复正常后，叠加信息也不会自动恢复显示，只有检测 到从中央监控室发出的经由传输线路传输给摄像头的控制信号，才能重 新启动叠加功能，以达到对线路拆动以及可能的虚假视频内容的查验、 监视的效果。 本设计中，视频字符叠加系统的结构原理如图3 2 所示。 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究第三章系统硬件设计 摄傣头枕蛹 图3 2 视频图像叠加系统硬件结构框图 虚线以上为字符叠加主要工作部分：单片机a t 8 9 c 5 2 按照要求向 m b 9 0 0 9 2 发送控制命令，如显示控制、v r a m 写地址控制等，而探头输 出的视频信号经同步信号分离模块l m l 8 8 1 分离出行场同步信号后与原 视频信号一同输入专用字符叠加芯片m b 9 0 0 9 2 ，m b 9 0 0 9 2 根据单片机的 指令读取字库m b m 2 9 f 0 4 0 c 中的字符并将图像信号、叠加字符、复合消 隐脉冲以及复合同步脉冲按一定比例混合在一起，送出视频输出信号。 线路检测部分主要工作原理包含以下3 项内容： ( 1 ) 检测电路板视频输入信号是否存在( 有无场信号) ； ( 2 ) 检测电路板视频输出信号是否被切断( 有无电流) ； ( 3 ) 接收中央监控室发送来的控制信号以恢复字符显示( 通过 r s - 4 8 5 电平转换电路) 。 下面对各模块作详细说明。 型旦璺堡兰塑茎查墨苎些丝至竺室竺竺塑坚塞苎三! 墨堑矍丝堡堡 3 1 视频输入处理模块 本系统所使用的专用字符叠加芯片是f u j i t s u 公司的m b 9 0 0 9 2 芯 片n ”。外部视频输入信号的基线为0 v 左右，根据叠加信号要求，要与由 m b 9 0 0 9 2 专用字符叠加芯片生成的字符信号进行叠加，基线必须提升到 2 v 左右。m b 9 0 0 9 2 芯片接收的复合视频信号是2 v p - p ，而且需要有lv 的直流偏置。因此，需要对摄像头输出的视频信号l v p - p 进行箝位和放 大。放大电路采用视频放大器件m a x 4 5 7 ，放大倍数设置为2 倍。箝位 电路如图3 3 所示。 v 【j l 7 图3 3 视频输入信号箝位电路 电路中选择导通压降相同的二极管和三极管，通过调节电位器r 2 使 dl 负相端的筘位电压为1v ，同时在输出端的视频信号v o u t 上就叠加有 l v 的直流偏置“幻。该电路的输出信号与外部输入信号相比较，只是基线 不同，两者的波形完全一致。通过视频输出端口把处理后的视频信号送 到下一个模块中。 3 2 视频信号同步分离模块 视频信号同步分离模块的作用是完成行、场同步信号分离。把要叠 加字符的视频信号先分离出行、场同步信号再送往芯片以保证显示的字 符和视频信号同步。对于行、场同步信号的提取，有许多专用的集成电 1 q 叼 塑旦里堡墨塑蔓查墨苎苎丝墨竺室全丝箜旦壅墨三兰墨竺矍壁堡生 路。本系统中实现行、场同步信号分离的芯片是l m l 8 8 1 t 1 3 1 4 】【1 5 】，其电 路原理图如图3 4 所示。 复 垂 电源 复盒回生捡出 l8 ? 视频输入 i i 27 奇偶场输出 1 1 0 1 u f ol l l f l l l i 【同步输出 36 扩一 45 后沿脉冲输昌 6 面e g i ic 图3 4l m l 8 8 1 原理圈 图3 4 中，视频输入v i ( 引脚2 ) 是由视频输出模块输出的视频信号。 这样，就可以得到复合同步信号c s ( 引脚1 ) 、场同步信号v s ( 引脚3 ) 以 及奇偶场输出的同步信号。 可以看出使用行、场同步分离的专用集成电路使电路变得非常简单， 但是使用该集成电路也有缺陷，那就是成本比较高。另外，就如此l m l 8 8 1 集成电路，它直接得到的是复合同步信号和场同步信号，而接下去系统 要求的是行、场同步信号，所以必须使用微分电路从复合同步信号中分 离出行同步信号。有一种使用分立模拟元件设计的行、场同步分离的电 路，性能也比较可靠，而且大大降低了成本心1 。也为本系统直接提供了行、 场同步信号。图中输入端是视频输入，输出端口v s 和h s 分别是场 同步信号和行同步信号。 3 3 字符叠加模块 前面已经提到本系统所采用的专用字符叠加芯片是m b 9 0 0 9 2 。 m b 9 0 0 9 2 是日本f u j i t s u 公司推出的一款用c m o s 工艺制成的专用视 频字符叠加芯片。它内部集成了显示内存( v r a m ) 、外挂字库接口和 视频信号发生器，外部只需连接少量的元件就可以显示汉字和图形。它 功能强大，接口简单，编程方便，可方便的嵌入各种数字视频监控系统 型旦里堡兰垫苎查堡苎些丝墨竺室全丝竺翌塞苎三兰墨竺堡堡堡盐 中，因而可广泛的应用于各个行业和各种领域。 3 3 1m b 9 0 0 9 2 字符叠加芯片内部结构 m b 9 0 0 9 2 的内部结构如图3 5 所示，它主要由串行输入控制电路、 n t s c p a l 信号发生器电路、显示存储器控制电路、显示存储器v r a m 、 字库读操作控制电路、输出控制电路、视频信号合成器及模拟开关组成。 图3 5m b 9 0 0 9 2 的内部结构方框图 3 3 2m b 9 0 0 9 2 字符叠加芯片引脚功毹 m b 9 0 0 9 2 采用8 0 脚q f p 封装形式“明，其引脚排列如图3 6 所示： 利用圈像叠加技术提高监控系统安全性的研究第三章系统硬件设计 c k p d s v - a w * o寓拿暑= = 拿：呈2 兰 殳8 露膀垄驰委墨 图3 6m b 9 0 0 9 2 引脚排列图 各引脚功能说明如下： l 脚( i c ) ：内部色彩产生模式设置端； 2 脚( v o c ) ：字符间隔信号输出； 3 脚( v o b ) ：字符背景信号输出； 5 ，6 ，7 脚( b ，r ，g ) ：色彩信号输出； 8 脚( c s ) ：片选信号，低电平有效； 9 脚( s c l k ) ：时钟输入端，在时钟脉冲的上升沿读入数据； l o 脚( s i n ) ：串行数据输入端； 洲期；鹇盯晒隅泓褐勉甜。了6 5 4 3 2一。一m：科般旒慧然般怒笛尝嚣嚣尝瓶 面啦懈：莹。r g磊暑；慨一一一一一瞰糙嗍一 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究第三章系统硬件设计 1 2 脚( e x h s y n ) ：器件外部水平同步信号输入端口； l3 脚( e x v s y n ) ：器件外部垂直同步信号输入端口； 1 4 ( h s y n c ) ：水平同步信号输出端； 1 5 脚( v s y n c ) ：垂直同步信号输出端； 1 6 脚( v b 啪 ) ：垂直空格信号输出端； 1 7 ，1 8 脚( e x s ，x s ) ：这两个引脚可用于外接石英晶体振荡器，n t s c 制式时接1 4 3 1 8 1 8 m h z ，p a l 制式时接1 7 7 3 4 4 7 5 m h z ； 2 0 脚( f s c o ) ：内部色彩脉冲输出端； 2 1 脚( c b c k ) ：外部色彩脉冲输入端； 2 2 脚( p d s ) ：色彩脉冲比较输出端； 3 l 脚( y o u t ) ：亮度信号输出端； 3 2 脚( y i n ) ：叠加显示亮度信号输入端； 3 4 脚( c o u t ) ：饱和度信号输出端； 3 5 脚( c i n ) ：叠加显示饱和度信号输入端； 3 7 脚( v o u t ) ：复合视频信号输出端； 3 8 脚( v k i n ) ：背景级别控制输入端； 3 9 脚( v k o u t ) ：背景级别控制输出端； 4 0 脚( v i n ) ：需要叠加显示的复合视频信号输入端； 4 3 脚( r e a d ) ：读外部字库控制端，低电平有效； 4 4 51 脚( d a 0 d a 7 ) ：外部字库数据输入端； 型旦里堡垒垫塾查堡查些丝墨竺室全堡竺堡壅墨三! 墨竺竺堂堡茎 5 3 6 1 ( 6 3 6 4 ，6 6 7 5 脚，a d r 0 a d r 2 0 ) ：外部字库地址输出 端； 7 7 脚( t s c ) ：外部字库操作总线控制端，当该引脚为低电平时， a d r 0 a d r 2 0 及r e a d 引脚呈现高阻状态； 7 8 脚( t e s t ) ：测试信号输入端； 7 9 ，8 0 脚( e x d ，x d ) ：接外部l c 振荡电路； 1 9 ，2 5 2 8 脚( n c ) ：空脚； 1 l ，4 2 ，6 2 ，7 6 脚w e e ) - 电源输入端( + 5 v ) ； 4 ，2 3 ，5 2 ，6 5 脚( v s s ) ：接地端； 4 1 脚( a v c e l ) ：复合视频信号模拟电源； 3 3 脚( a v c c 2 ) ：亮度和色度信号模拟电源； 2 4 ，2 9 ，3 0 ，3 6 脚( a v s s ) ：模拟地。 3 3 3m b 9 0 0 9 2 主要功能特点 m b 9 0 0 9 2 的主要功能特点如下： 可提供双屏显示功能，主屏和子屏可单独或重叠显示； 主屏显示容量：2 4 字符x 1 2 行( 最多2 8 8 个字符) ； 字符大小有标准( 2 4 x 3 2 点阵) 、双倍宽、双倍高、双倍宽双倍高、 四倍宽x 双倍高等多种模式； 0 9 符颜色：每个字符可单独设置8 种不同的颜色和8 种背景色； 显示位置可任意设置成水平方向和垂直方向，同时可设定行距； 既有复合视频信号和y c 分离视频信号输入，也有复合视频信号、 y c 分离视频信号和r g b 数字视频信号输出； 利用图像叠加技术提高监控系统安全性的研究 第三章系统硬件设计 内部视频信号发生器可支持n t s c 或p a l 制式，并可选择逐行或 隔行扫描方式； 可通过c s 、s c l k 、s i n 三个引脚与外部控制系统进行通信； 可通过串行输入控制模块接收外部命令和数据并经解码器解码后送 到各寄存器中： e n t s c p a l 信号发生器可产生n t s c p a l 系统时钟信号； 显示存储器控制模块可产生每一模块的控制时钟信号； 可用显示存储器v r a m 存储字符代码、字符颜色、字符背景颜色、 特征及行控制信息； 字体存储器控制模块可通过地址和r e a d 信号读取外部字体存储器 中的字体数据； 可通过输出控制模块处理从c g r o m 取来的字符数据，同时产生字 符的边界、背景等信号； 视频信号合成器在内部同步信号的控制下产生视频信号和亮度信 号； 模拟开关可用来选择是将外部视频信号还是内部视频信号与字符 信号合成。 3 3 4m b 9 0 0 9 2 的工作时序 m b 9 0 0 9 2 视频字符叠加芯片在工作时，主要通过c s ( 片选) 、s c l k ( 串行时钟) 、s i n ( 串行数据) 三个引脚来接收外部控制指令和显示数 据。m b 9 0 0 9 2 的每条指令都由两个字节组成，其中第一个字节的高5 位 是命令码，其余位和第二字节是数据。图3 7 所示是m b 9 0 0 9 2 的外部接 口时序图。 当c s 引脚为低电平时，m b 9 0 0 9 2 在每个时钟的上升沿从最低位开 始由s i n 引脚一位一位读取数据。读完一个字节后，c s 和s c l k 引脚置 2 5 型旦里堡壅垫垫查丝塑些丝至竺塞全丝塑堡塞墨三! 墨竺堡竺堡生 为高电平，然后c s 引脚变为低电平并开始读取下一个字节。为了保持字 节同步，在开始传输串行数据之前，c s 引脚应先置为高电平，然后再置 为低电平。另外，除刚上电时外，在串行数据传输之前，s c l k 引脚都应 强制设为高电平。如果在一个字节的传输过程中c s 变高，则这个数据是 无效的。 - 口厂一 溉1f 衄f 1f f 1f 1 厂 删硼厂 s z 正匝田珥工匝田匾 d a t a a d a g a b 图3 7m b 9 0 0 9 2 外部接口时序图 该单片机通过串行数据口向m b 9 0 0 9 2 发送指令，每个指令由两个字 节组成。第一个字节的前5 位为命令码，其余位和第二个字节为数据。