（模式识别与智能系统专业论文）具有字符叠加和测距功能的车载视频检测装置的研发.pdf

摘要 近年来随着经济的发展，为了安全驾驶，在汽车中配置的监视器 不仅要能监控车身周围的情况，还需要实时显示车辆数据，如行驶参 数，车身与周边物体的距离等，这就需要测量距离以及在实时视频的 基础上叠加相应字符和数据。 论文根据车载视频字符叠加系统的特点，广泛调研了视频字符叠 加技术发展动态。根据系统的技术要求，本文在了解视频信号工作原 理、视频字符叠加原理和超声波测距原理的基础上，提出了系统的总 体设计方案。按功能将系统以模块划分，详细讨论了超声波测距、温 度采集、视频输入输出处理、视频同步信号分离、字符叠加电路、汉 字字库、系统控制等各个模块的硬件设计方法，并完成了系统e l lj 1 0 电 路板的设计。同时研究了系统主程序，完成了超声波测距子程序、测 距信号处理算法研究、语音播放子程序设计和字符叠加位置算法研 究。最后对整个系统进行调试，并提出了结合硬件特点的调试方法。 初步测试的结果表明，系统的设计方案是可行的，硬件系统工作 稳定，初步实现了超声波测距、视频字符叠加、视频输出等功能，基 本达到预定的要求。 关键词视频，字符叠加，超声波n i t n _ a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，i no r d e rt os a f e d r i v i n g ，t h em o n i t o ri nt h ev e h i c l en o to n l yc a nm o n i t o rt h es i t u a t i o n a r o u n di t ，b u ta l s on e e d st os h o wr e a l t i m ed a t a ，s u c ha s d r i v i n g p a r a m e t e r s ，d i s t a n c eb e t w e e nt h ev e h i c l ea n dt h es u r r o u n d i n go b j e c t s i t r e q u i r e sm e a s u r i n gd i s t a n c ea n do v e r l a p p i n gc h a r a c t e ra n dd a t ai nt h e r e a l t i m ev i d e o a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fc a r - m o u n t e dv i d e oo v e r l a yc h a r a c t e r s y s t e m ，e x t e n s i v er e s e a r c ho ft h ev i d e oo v e r l a yc h a r a c t e rt e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n ti sg i v e ni n t h et h e s i s a n db a s e do nt h er e s e a r c ho ft h e p r i n c i p l eo fv i d e o ，t h ep r i n c i p l eo fv i d e o c h a r a c t e r s o v e r l a pa n dt h e u l t r a s o n i cr a n g e ，t h i st h e s i sd e v e l o p sas y s t e md e s i g np r o g r a m a c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o n s ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t os o m em o d u l e sw h i c ha r e d i s c u s s e di nd e t a i lu l t r a s o n i cr a n g e ，c o l l e c t i n gt e m p e r a t u r e ，i n p u ta n d o u t p u t v i d e o p r o c e s s i n g ，v i d e os y n c h r o n i z a t i o ns i g n a ls e p a r a t i o n ， c h a r a c t e r so v e r l a pc i r c u i t ，t h ec h i n e s ef o n t ，s y s t e mc o n t r o lm o d u l ea n d o t h e rh a r d w a r ed e s i g na n ds c h e m a t i cd e s i g n t h ed e s i g no fs y s t e m p r i n t e dc i r c u i tb o a r dh a sc o m p l e t e d a tt h es a m et i m e ，t h i st h e s i sh a s f i n i s h e dt h em a i ns y s t e mp r o g r a m ，t h eu l t r a s o n i cr a n g i n gs u b r o u t i n e ， s t u d i e dt h e r a n g es i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，a l s o f i n i s h e dv o i c e b r o a d c a s ts u b r o u t i n ea n ds t u d i e dc h a r a c t e r so v e r la p p i n gl o c a t i o n a l g o r i t h m f i n a ll y , t h ee n t i r es y s t e mh a sb e e nt e s t e da n dan u m b e ro f m e t h o d sh a v eb e e ng i v e nw i t hh a r d w a r ef e a t u r e s t h er e s u l to fp r e l i m i n a r yt e s ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e m a t i cd e s i g n p l a ni sf e a s i b l ea n dt h eh a r d w a r es y s t e mw o r ki ss t e a d y t h es y s t e m h a ss o m ec a p a b i l i t i e ss u c ha st h eu l t r a s o n i c r a n g e ，v i d e oo v e r l a y c h a r a c t e r s ，v i d e oo u t p u t i tm e e t st h eb a s i cr e q u i r e m e n t s k e yw o r d sv i d e o ，c h a r a c t e ro v e r l a p ，u l t r a s o n i cr a n g e 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：躺日期：丛年生月兰日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 浒醐挝让啪 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1研究的目的和意义 近年来随着经济的发展，汽车逐渐深入到人们的生活中，一时间交通拥挤， 刮蹭甚至车祸事件不断发生，这就需要驾驶者安全驾驶汽车。而在汽车中配置监 视器监控车身周围的情况，对车况、路况有直观的了解，是目前比较合适的选择。 但目前广泛使用的车载监视器大部分还只局限于查看实时视频信息，除此以外的 一些重要信，l , 女n - 汽车行驶参数，车内外温度，系统状态等，还必须不断地切换 视频信号去查剥1 1 ，有的甚至就只有视频信号，让驾驶者自行判断，这样还没有 达到安全驾驶的目的。因此设计一种车载视频字符叠加系统，使各种信息与视频 信号同时叠加显示在监视器上，就显得格外重要。 视频图像叠加是多媒体技术应用领域之一，是电视技术与计算机技术结合的 产物。视频字符叠加技术是视频图像叠加技术的一个分支，它用于在视频信号上 完成叠加字符信号的任务，即在原来的视频图像信号中加上字符信号。 视频字符叠加技术是视频信号处理的重要组成部分，它的基本原理如下：首 先提取视频信号中的行、场同步信号，通过对同步信号进行处理，产生与行、场 同步信号有稳定关系的控制信号，用这个控制信号控制切换丌关，进行添加字符 与视频信号间的切换，就可以在屏幕上显示出稳定的叠加上的字符【2 j 。在视频图 像上实时叠加字符，解决了原画面无法实时表达信息的缺陷，使画面图文并茂、 实用醒目，因而获得了广泛的关注。 在监控系统中一般都要配置字符叠加器，能在每路视频信号上叠加信息，这 样可以提示监视摄像机的位置情况，这些信息同时也被记录在录像机上，以方便 用户的信息查询。在g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球定位系统应用于无人自 主飞行器进行侦察时，需要将g p s 定位数据实时地叠加到附有小型c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 摄像头的无人机传回的视频图像信号上，以便用户观测和记录这 些数据。 在本课题中，把超声波测距得到的结果以字符的形式叠加到目标视频信号 上，并且把相关信息一齐加到视频上，会给观察者更直观的效果。因此本课题任 务就是寻求一种合适的视频字符叠加方式，使超声波测距的信息能实时地以字符 的形式叠加在同一目标的图像信息上，以便使用者对测量结果有更直观和全面的 了解。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 视频字符叠加技术发展和应用现状 视频字符叠加技术是在视频叠加技术的基础上发展起来的。早期的视频叠加 技术基于模拟电路技术，主要应用在广播电视的视频编辑设备中，其电路结构十 分复杂，只有极少数国家才能生产，也几乎仅应用在专业级的电视广播领域。 随着数字电路技术的发展，电视广播设备中视频信号处理电路的数字化程度 得到了极大的提高，使数字化的视频编辑设备的生产成为可能，也为视频字符叠 加技术的发展打下了基础。计算机视频处理技术的发展和集成电路生产工艺的提 高，技术先进国家开始研制大规模的数字视频信号处理芯片，并实现批量生产。 同时，视频设备生产技术的发展，如工业和民用摄、录像设备的大量生产，也快 速促进了视频应用领域的拓展。这为视频字符叠加技术的广泛应用创造了良好的 条件。 近年来，公共安全逐渐被提到了一个极为重要的位置，市场上出现了大量的 视频监控设备，这些监控设备可以以实时录像的方式保存一些重要位置和重要目 标的录像资料，它们都有一个共同的特点，就是在录像上都需要叠加上一些其它 的数据，如楼层信息、时间、地点等。视频叠加器与数码点钞机结合在银行柜员 制监控系统中，可以把点钞机的点钞数据通过视频叠加器实时的叠j n 至, j 柜员制监 控录像上，并随监控图像一起保存。这样，如果银行发生纠纷或有其他犯罪行为 时，就可以通过回放录像查询，能够清晰地看到当时点钞的数量，提供有力的证 据来解决问题p j 。 而在楼宇可视对讲系统中的视频字符叠加技术，可用于接收管理中心发布的 短消息，使用户能及时了解小区动态信息1 4 】。在公路收费系统1 5 】和客运显示屏系 统【6 j 中，应用视频字符叠加技术，能够将收费站、车道、操作员工号、车型、收 费情况等信息记录在监控系统中，达到对收费员监督检查的目的。在深井探查装 置中也可以将深度信息叠加于图像_ k i n 。而在生命科学、生物医学工程领域旱， 可以遥测人体生理参数，并实时叠加到运动图像上，为教练员和医护人员提供更 高质量的技术支剧引。军事上，在视频电子分划瞄准具也可以见到字符叠加的影 子【9 1 。 视频字符叠加技术的发展经历了三个阶段： ( 1 ) “图解显示控制 即g d c ( g r a p h i c sd e v i c ei n t e r f a c e ) 阶段 g d c 阶段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问关系上混合并显示在屏幕 上。在这种方式中，字符数掘的产生有两种办法i lo l ： 专用字符芯片，它是一种将字符或数字以点阵的方式保存的只读存储器 ( r o m ，r e a do n l ym e m o r y ) 芯片，当控制电路选中某个r o m 地址后，它就 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 能输出相应的数据信号。常见的芯片有m k 3 6 0 0 0 、m c m 6 6 7 0 p 、8 6 7 8 、m n l 2 1 7 a 等。在这种方式下，一旦选用了某种器件，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”i l 。 可编程芯片，即可擦除编程存储器( e p r o m ，e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y ) 芯片。在这种方式下，设计者可以将要显示的点阵数据，通过编 程器写入到e p r o m 。这种方式十分灵活，既可显示各种字符，也可显示图形， 所以这种方式也叫“图形方式 。 ( 2 ) c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 控制器阶段 c r t 控制器是一种监视器专用芯片，它将g d c 方式中的中小规模集成器件 构成的电路集成化，使得电路大为简化，因而使用较为方便。常见的芯片的有 8 3 5 0 、8 2 7 5 和m c 6 8 4 5 等。在这个阶段，字符( 或图形) 的数据仍以点阵方式 存储在外围的r o m 或r a m ( r a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 中。 ( 3 ) 单片“屏幕显示”即o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) 阶段 单片o s d 芯片是为家用电视这类产品而设计的，它把c r t 控制器和存贮字 符( 图形) 点阵的r o m r a m 集成到单片电路中，并提供了m c u ( m i c r o p r o c e s s o r c o n t r o lu n i t ) 的通讯和控制接口。常见的芯片有n e c 公司的p d6 4 5 0 6 0 系列、 o k i 公司的m s m 6 2 3 7 和f u j i t s u 公司的m b 9 0 0 9 2 1 1 2 l 等。这类器件外围电路更 加简化，而且由于提供了标准的数字控制电路，给设计者提供了较大的灵活性， 生产成本也大大降低，从而得到了广泛的应用1 1 3 l 。 常见的动态视频汉字叠加器方案【1 4 】： 第1 种方案是通用中小规模集成电路实现方案。即全部采用逻辑门、计数器、 移位寄存器等通用中小规模时序集成电路实现单路规模字符集时间叠加。其基本 工作原理是：首先，c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 从r o m 字库中取出要显示字 符的点阵数据，根据所设定的屏幕显示位置，送到显示r a m 的对应地址中。然 后，在同步信号的控制下，由计数电路对显示r a m 进行扫描，c p u 将字符点阵 数据读出，经过并串变换和数模转换，并与视频图像信号叠加后送监视器屏幕显 示。 第2 种方案是基于f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的多路实现方案。 即在共用一片c p u 、字库r o m 和实时时钟的前提下，利用f p g a 集成若干路独 立的显示r a m 计数扫描电路，实现多路时间字符叠加。 第3 种方案是基于a t 9 0 s 1 2 0 0 单片机的实现方案。可采用8 9 5 1 单片机作主 控机，若干片a t 9 0 s 1 2 0 0 单片机作为显示执行机，利用a t 9 0 s 1 2 0 0 的i o 口管 脚臼定义一种串行通讯协议，实现多路字符叠加。 第4 种方案是基于专用字符叠加芯片的实现方案，如同本n e c 公司推出的 中南大学硕士学位论文第一章绪论 专用字符叠加系列芯片( 如1 t p d 6 4 5 0 、i t p d 6 4 5 3 t 1 5 j 等) 、韩国三星电子推出的 k s 5 5 1 4 b x x 系列芯片、上海大众芯微电子有限公司研制开发的字符叠加芯片 s d 0 1 c 0 1 以及富士通的m b 9 0 0 9 x 等，采用8 9 s 5 x 单片机作为上位机，可实现 调整字符显示位置、背景颜色设置、大小控制等功能。 方案比较，其中第1 种方案电路较为复杂，只适用于单路设计，每次在屏幕 上显示字符有限，字符刷新时屏幕会有闪动，随着专用芯片和单片机技术的发展， 这种方案会逐渐被淘汰。第2 种方案原理与第1 种类似，只是利用可编程逻辑器 件使电路简化不少，由于采用f p g a ，还受到价格的制约。第3 种方案利用软件 实现了硬件扫描电路的功能，比较灵活，但是只适用于显示字符相对较少的场合， 若显示字符很多，软件就过于复杂，很难保证连续显示，采用多片处理器成本高。 第4 种基于专用字符叠加芯片的方案功z 月- , 匕h ，t k e l 强，适用于显示字符较多的场合，通 过适当的电路设计可以使其通用性和实时性得到改善。 1 3 研究内容和章节安排 本文根据应用需求，在采用专用字符叠加芯片方案的基础上，克服其灵活性 较差的特点，完成了具有字符叠加和测距功能的车载视频检测装置的设计和研 制。研究内容如下： 1 ) 明确课题的内容、目的和意义，研究实时字符叠加技术原理和应用现状。 2 ) 系统总体方案的设计。在明确设计要求特别是实时性要求的前提下，选 择合适的单片机和视频芯片，并提出初步的总体设计思想。在借用前人 的视频字符叠加系统方案的基础上，提出一种适合本课题采用的实时信 号控制的字符叠加系统。 3 ) 研究视频信号的组成和视频显示的原理。 4 1 研究超声波测距的工作原理，提出测距的信号合成到视频的方法。 5 、l 研究超声波测距信号处理算法和字符叠加位置算法。 论文分为6 章。 第一章为绪论，论述了车载视频字符叠加技术研究的目的、应用现状和发 展以及主要研究内容。 第二章为相关理论研究，介绍了视频信号的工作原理、视频字符叠加原理 和超声波测距的原理。 第三章为系统硬件结构，给出了系统的结构图，详细介绍了硬件电路的各 个部分，包括超声波测距、温度采集、视频输入输出处理、视频同步信号分离电 路、字符叠加、汉字字库模块和系统控制模块的设计。并给出电路原理图和印刷 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 电路板的设计。 第四章为软件设计，介绍了系统软件的设计思想和功能，字符叠加显示的 实现方法，包括系统主程序的设计、超声波测距子程序、测距信号处理算法研究、 语音播放子程序和字符叠加位置算法研究。 第五章为系统调试的过程和结果。 第六章为结论与展望，给出了对系统实现功能的评价和改进意见。 中南大学硕士学位论文第二章相关技术原理分析 第二章相关技术原理分析 本章将首先介绍视频信号的工作原理，在此基础上，全面阐述视频字符叠加 原理，重点介绍黑白字符叠加及彩色字符叠加技术，最后介绍超声波测距的原理。 2 1 视频信号的工作原理 视频信号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【i 剐，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1 1 7 j 2 1 1电视成像原理 根据现代电视技术水平，一帧图像约由4 4 万个像素组成，则要求有4 4 万条 通道才能传送一帧图像，这显然是不可能实现的。考虑到视觉惰性，可把组成一 帧图像的各个像素的亮度按一定顺序一个个地转换成相应的电信号并依次传送 出去，接收端再按同样顺序将各个电信号在对应位置上转变成具有相应亮度的像 素，只要这种轮换传送进行得足够快，人眼就会感到重现图像是同时出现的，而 无顺序感i i 引。这种像素传送具有传送速度快、准确度高的特点。 将组成一帧图像的像素，按顺序转换成电信号的过程( 或逆过程) 称为扫描。 从左至右的扫描称为行扫描；自上而下的扫描称为帧( 或场) 扫描。电视系统中， 扫描是由电子枪进行的，通常称其为电子扫描。通过电子扫描与光电转换，就可 以把反映一幅图像亮度的空间与时问函数，转换为只随时间变化的单值函数的电 信号，从而实现平面图像的顺序传送i l9 。 2 1 2 电子扫描 在摄像管与显像管中，电子束按一定规律在靶面上或荧光屏面上运动，就可 以完成摄像与显像的扫描过程。电子束运动规则可分为直线扫描、圆扫描、螺旋 6 中南大学硕士学位论文第二章相关技术原理分析 扫描等多种，在电视系统中，均采用匀速单向直线扫描方式。 ( 1 ) 逐行扫描 在电视系统中，摄像管和显像管的外面都装有偏转线圈，当线圈中分别流过 行、场锯齿波扫描电流时就会产生相应的垂直方向与水平方向的偏转磁场，在这 两个磁场的共同作用下，使电子束作水平与垂直方向的扫描运动。电子束从图像 上端开始，从左到右、从上到下以均匀速度依照顺序一行紧跟一行的扫描，称为 逐行扫描。电子束移动轨迹的集合就形成了扫描光栅，形成的光栅为矩形1 2 0 1 。 电子束从左到右的扫描过程称为行正程扫描，行正程扫描所需要的时间称为 行扫描正程时间，用珀。表示。电子束从右到左的扫描称为行逆程扫描，它所需 要的时间称为行逆程时间，用珀，表示。电子束从上到下的整个扫描过程称为帧 正程扫描，它所需要的时问称为帧萨程时间，用凡。表示。电子束从下返回到上 面的扫描过程称为帧逆程扫描，它所需要的时问称为帧逆程时间，用k 表示。 显然有： t h = t h t + t h r( 2 1 ) 瓦= 凡t + 兀， ( 2 - 2 ) 其中，珀为行扫描周期，兀为帧扫描周期。 在目前的电视系统中，行扫描与帧扫描的逆程期间不用来传送图像信号。这 是由于电子束具有一定的截面积，其运动轨迹呈现的扫描线具有一定的宽度，正 程扫描几乎覆盖了整个画面，故逆程期间无需用来拾取图像信号。另外，逆程扫 描线的存在，会导致光栅不均匀，降低图像质量。为此，在行、帧逆程期间，应 利用消隐脉冲截止扫描电子束，使逆程扫描线消失。为说明逆程时问长短，常用 行逆程系数仅和帧逆程系数口来描述【2 l j 。电视标准规定： 口= 死，i t = 1 8 ，= 兀，凡= 18 ( 2 - 3 ) 在逐行扫描中，每帧的光栅都应互相重合，这就要求帧扫描周期凡为行扫描周 期n 的整数倍。如果每帧的扫描行数用z 来代表，n - 凡= z n ( 2 4 ) ( 2 ) 隔行扫描 在电视系统中，要使传送的图像清晰，并具有活动、连续而又无闪烁感，则 要求传送频率大于临界闪烁频率4 6 8 h z ，即每秒传送4 6 8 场以上的图像。因此， 我国电视制式规定，场扫描频率为5 0 h z ，每帧图像的扫描行数为6 2 5 行。若采 用逐行扫描的话，帧频与场频相等。理论分析可以得出，电视图像信号的最高频 率约为1 1 m h z ，可见视频信号带宽将相当宽。要传送频谱这样宽的信号，不但 会使设备复杂化，而且使在规定的可供电视系统使用的频段内可容纳的电视频道 数目减少。如若为了减少带宽而降低场频，将会导致重现图像的闪烁；否则，减 中南大学硕士学位论文 第二章相关技术原理分析 少每场扫描行数，又会降低图像的清晰度。可见逐行扫描是无法解决带宽与闪烁 感及清晰度的矛盾。因而提出了既可克服闪烁感，又不增加图像信号带宽的隔行 扫描方式1 2 2 1 。 在隔行扫描中，帧扫描时间和场扫描时间是不同的。电子束从上边一行始端 扫到最下边一行的终端，又返回最上边一行的始端称场扫描时间。而把一帧图像 全部扫描完毕所需时问称为帧扫描时间【2 3 1 。在逐行扫描中，场扫描时问与帧扫 描时间是同一概念，而在隔行扫描中，帧扫描周期是场扫描周期的二倍，所以隔 行扫描可使帧频下降为场频的一半。 由于隔行扫描既减小了闪烁感，又使图像信号的频带仅为逐行扫描的一半， 因此世界各国都采用隔行扫描的电子扫描方式。需要强调指出的是，隔行扫描方 式要求每帧扫描总行数为奇数【2 4 1 。因为只有这样，在扫描锯齿波电流波形顶点 位置对齐的情况下方可使相邻两场均匀嵌套。 2 1 3 彩色全电视信号 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1 2 引。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。 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 ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ) s o l 2 6 1 、 p a l ( p h a s ea l t e r n a t i n gl i n e ) f l ；l j 1 27j 和s e c a m ( s e q u e n t i e lc o u l e u r am e m o i r e ) $ 1 j 1 2 8 l ， 我国采用p a l 制式。现在仅就p a l 制作些说明。 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 ( r e d ) 、g ( g r e e n ) 、b ( b l u e ) 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 中南大学硕士学位论文第二章相关技术原理分析 副载波一路直接送入b y 平衡调制器，另一路则经9 0 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。如图2 1 所示， 为p a l 制编码器原理。 图2 1p a l 制式编码器 2 2 视频字符叠加原理 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。 1 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、场同步信掣2 9 j 。在实际应用中可根据具体情况选定。 2 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。就目自订情况看，字符的点阵结构有多种，常用的有5 7 、8 8 、 6 x 9 、7 9 、1 2 1 2 、1 2 1 6 、1 2 x 1 8 ，以及2 4 3 2 点阵等各种不同精度的结构方式。 3 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1 3 0 1 。 9 中南大学硕士学位论文第二章相关技术原理分析 2 2 1 黑白字符叠加 现在以点阵结构为8 x 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。 全 电 视 信 号 水平位置 控制脉冲 形成 乖直位置 控制脉冲 形成 字符起始 位置控制 脉冲形成 行计 数器 像素 振荡器 号码字 符存储 8 分 频器 移位寄存器 c 平 计 图2 - 2黑白字符叠加原理 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l l 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【3 。 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i 日j 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l 日j 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 一行字符( 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。实际上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 行起丌始计数，到第n + 8 行结束计 l o 中南大学硕士学位论文第二章相关技术原理分析 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 行延迟展宽 儿厂 图2 - 3 行，场同步脉冲与起始位置的关系 场同步 第n 行 m 行 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。 叠 图2 - 4陷波法原理图 d e oo i 卸m 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 1 控制叠加电平的电位，改 中南大学硕士学位论文 第二章相关技术原理分析 变r 1 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。 输入视 叠加点 图2 - 5相加法原理图 频 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“1 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。 2 2 2 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 白字符叠加之问没有什么不同，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 2 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f 3 2 】。 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。 第一种方法是视频信号先解码出r 、g 、b 信号，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替加后 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 1 2 中南大学硕士学位论文第二章相关技术原理分析 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， 如图2 6 所示。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 r g b 图2 - 6彩色叠加方式一 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。 中南大学硕士学位论文第二章相关技术原理分析 2 3 超声波测距原理 超声波测距是系统的一部分，在系统中，测距产生的结果将被送入到单片机 中。 声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体 阻挡时就会发生反射，反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的， 而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，那么就可以计算出 从声波到目标的距离。这就是超声波的测量原理，这里声波传播的介质为空气， 采用不可见的超声波。 一般而言，超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两 极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时压电晶片将会发生共 振，并带动共振板振动，便产生超声波。 在超声波探测电路中，发射端输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声波 与接收超声波的时间间隔，被测物距越远，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测 距离成讵比。超声波测距的方法【3 3 】有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和 往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法 易受反射波的影响。本文采用超声波往返时间检测法。 其原理为：在超声波发射器两端输入1 0 个4 0 k h z 脉冲串，脉冲电信号经过 超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面，由被测面反射， 超声波接收器接收，在超声波接收器两端1 3 4 l 是毫伏级别的证弦波信号，超声波 经气体介质传播到接收器的时间，即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相 乘，就是声波传输的距离。而所测距离为声波传输距离的一半，其关系式如公式 ( 2 5 ) 所示： ：一1c ， ( 2 5 ) 2 式中：三为待测距离；c 为超声波的声速；，为往返时间。 采用微处理器脉冲计数的方法，可以精确地测出，的值1 35 。假设微处理器的 机器周期为7 ，则，= n t ，探测距离如公式( 2 - 6 ) 所示： 三：! c ，：c n t( 2 6 ) 22 由于超声波也是一种声波，其声速c 与温度有关，表2 1 列出了几种不同温 度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果 测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 表2 一l 声速与温度关系表 中南大学硕士学位论文 第二章相关技术原理分析 2 4 本章小结 本章介绍了视频信号的工作原理，详细介绍了电视成像原理、电子扫描、彩 色全电视信号工作原理，并在此基础上，介绍了视频字符叠加原理，重点介绍了 黑白及彩色字符叠加技术。最后，简单介绍了超声波测距原理。 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件结构 第三章系统硬件结构 在前期理论研究的基础上，对具有字符叠加和测距功能的车载视频检测装置 进行硬件设计，本章首先给出系统的总体结构，然后对相关的模块进行详细设计， 最后给出整个系统的原理图和印刷电路板图。 3 1 系统总体结构 经过对车载视频检测装置应用需求的充分调研和论证，系统采用技术较先 进、性能可靠的基于o s d 字符叠加专用芯片的方案，其硬件总框图如图3 1 所 示。主要由五个部分组成：超声波测距模块、温度采集模块、视频输入输出处理 模块、同步信号分离电路、字符叠加电路和系统控制模块。 视频输入 视频输j i ； 图3 1系统硬件总框图 超声波测距模块：由电源、超声波谐振频率调理、回波接收处理电路组成。 其中超声波谐振频率调理电路主要利用c d 4 0 4 9 对单片机输出的4 0 k h z 频率信号 进行调理，以使超声波传感器产生谐振，在发射头发射该信号。而回波接收处理 电路，主要检测回波信号读取计数器中的数值，经过处理得到一次测距值。 温度采集模块：用于提高超声波测距精度，采用d s l8 2 0 ，直接与单片机连 接。 视频输入输出处理模块：对视频输入信号做放大处理，选用o p a 2 3 5 4 高频 高速放大器。同时用它做射随输出，保证信号的输出质量。 同步信号分离电路：是从输入的视频信号中分离出行同步信号，行同步信号 经延迟，展宽后形成场同步信号。该信号对行同步脉冲的延迟时问决定了字符在 显示器屏幕上的水平位置，场同步宽度决定字符在屏幕上的总宽度。这一模块主 1 6 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件结构 要使用集成度较高的l m l 8 8 1 行场分离器。 字符叠加电路：由一片大规模的视频信号处理芯片m b 9 0 0 9 2 和外围电路组 成。它串接于视频信号源输入和输出的通路中，接收系统控制模块的叠加控制命 令，把要显示的字符信息叠加到视频信息中。而字符主要由汉字字库模块提供， 该模块采用外挂的f l a s h 存储器a m 2 7 c 0 4 0 。 系统控制模块：由单片机c p u 和外围电路组成。它是整个系统的“指挥中 心”，控制系统内各模块协同工作，以实现系统的各种功能。在本文中采用1 6 位单片机s p c e 0 6 1 a 。使用s p c e 0 6 1 a 单片机，一是使用起来方便，不再需要扩 展一大堆的外围器件，省去了大量的硬件开发调试工作：二是系统的可靠性，抗 干扰性能力得到显著改善；三是成本大大降低，外围器件减少；四是单片机的电 源电压可以降得很低，电流可以较小，大大降低系统功耗，方便在汽车罩使用。 车载视频检测装置实现的功能就是在输入视频信号中叠加上字符信息后，输 出到视频监视器上，而该装置所叠加的字符来自超声波测距得到的距离信息。 3 2 相关模块设计 3 2 1 超声波测距模块 超声波测距模块由电源、超声波谐振频率调理、回波接收处理电路组成。其 结构示意图如图3 2 所示。 超卢波发射探头h超声波谐振频率调理电路 超声