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安防视频监控系统时间日期发生器与字符叠加器

在视频监控系统中,时间日期发生器是一种广泛应用的设备,因为它可以将时间日期信息叠加在视频信号中,从而使用户在监视器的屏幕上可以同时看到图像及当时的时间。特别是经录像记录后,时间信息便可以与图像内容一起保存起来,为日后的复查提供极大的方便。

对大中型的视频监控系统,系统主机内部也多配有时间日期及字符发生的功能,其中有些产品对每一路输入的视频信号叠加字符信息,而有些产品则只在输出端口处,对输出的视频信号叠加字符信息。对有些中小型的简单视频监控系统,也只是通过简单的多路切换器来完成(可不需要多画面分割器)。在这种情况下,就需要单独的时间日期发生器,以便将上述字符信息与画面内容同时保存起来。

一、时间日期发生器

一般,时间日期信息的产生,由数字钟集成电路来实现,它可以在标准石英晶体振荡器提供的60Hz时基信号作用下,输出驱动LED显示屏字符笔划的信号。这一信号经整形处理后,被送往单片机,形成调用的时间日期字符ROM的地址,进而通过字符叠加部分,将反映时间日期的字符,叠加在监视器的图像画面上。在监视器屏幕上叠加的时间日期信息及下一部分介绍的字符信息,绝大多数均为白颜色的字符,有些场合为突出显示的效果,还可以对白色字符镶嵌黑边。一般,这些白颜色的字符以点阵方式形成,为使字符在监视器屏幕上能够清晰可辨,可以将字符看成由若干白色方块组成。

(1)字符叠加原理。要想在图像上叠加一白色方块信息,即要在监视器屏幕上显示一个宽为B、高为D的白色方块,如图1(a)所示,因此要求送入监视器的视频信号的形状应如图1(b)所示波形那样。

图1 显示白色方块的屏幕及所要求的视频信号波形

也就是说,在扫描线扫描到白色方块位置时,视频信号突然达到白电平值(可通过同步开关来切换),并且要求以后的每一场信号在扫描到白色方块位置时,均重复同样的规律(奇、偶场波形类似)。这样,就可在监视器屏幕的固定位置上,恒定地显示该白色方块。在屏幕上显示白色方块,如图2所示。

图2 在屏幕上产生白色方块

显然,为了产生上述方块,必须从全电视信号中分离出行同步信号,去触发一个作为行起始位置振荡器的单稳多谐振荡器,以产生宽度可变的脉冲(脉冲宽度为4),从而确定白色方块在水平方向的起始位置。然后,用这一经过延时的脉冲(相对于行同步而言)去触发另一个振荡器,由它决定水平像素的多少,再去进行计数,从而确定白色方块在水平方向上的宽度8。同理,白色方块的垂直位置则由场同步脉冲去触发场起始位置振荡器的单稳多谐振荡器(其电路结构与行位置振荡器相同,由1/2片74LS123构成),从而产生图2中所示的宽度为C的脉冲。显然,改变C的宽度,即可改变白色方块的垂直位置,而白方块的垂直高度可由所设计的字符高度所占行数来确定。如字符的设计高度为32行,则由于电视隔行扫描的原因,在屏幕上显示的字符的实际高度将为64行,约占整个电视屏幕高度的1/10。如果将上述4种反映方块位置信息的脉冲,送到由与非门构成的字符形成门的输入端,即可在其输出端得到为产生白色方块所需的负脉冲串。将该脉冲串与原视频信号相混合,就可得到图1(b)所示的视频信号,从而在图像上获得一个白色的方块显示。

用74LS123构成的单稳态多谐振荡器的原理图,如图3所示。该振荡器的脉冲宽度可由下式近似确定:

tw=0.45RTCwxt

式中,RT=RP+R,tw的单位为ns。可选择不同的电路参数,将图3所示的电路,分别用作行位置及场位置振荡器。

图3 单稳多谐振荡器

在图3中,RP为可变电位器,分别调节行或场位置振荡器中的脉冲宽度。角也可使白色方块作水平或垂直方向的位移,从而保证白色方块出现在监视器屏幕的任意位置上。

由上可知,只要在电视图像的扫描过程中,合理地设计出不同位置时刻的行、场位置振荡器的波形(见图1及图2),就可以将由多个白色方块组成的反映时间日期的字符,叠加在监视器屏幕的确定位置上,而各字符的样式,则可以预先写入EPROM存储器中。

(2)时间日期信息的叠加。用于将字符信息与视频信号叠加的混合电路如图4所示。

图4 混合电路

在正常情况下,无字符图形叠加时,图中VT2发射极电位约在3V,VT2的基极由字符形成与非门供给电压,在高电平时为3.5V以上的TTL高电平,此时TV2截止;当有字符图形叠加时,则VT2的基极电压降为0V,使VT2导通,字符脉冲经倒相后,正好以正脉冲的形式叠加在图像信号上,使得VT3输出的视频信号出现白峰电平,从而在监视器屏幕上出现白色方块显示。

作为表示时间日期的字符,只需有"0”、"1”、"2”、…、“9”及“一"、":”12个字符即可。这12个字符预先存储于EPROM中,并按一定的规律不断地被调出去显示,其中字符随时间变化进行的刷新是由时间计数器来完成的。

二、字符叠加器

它可以将反映图像场景特征信息的字符叠加在视频信号中,这样就不需要再对着屏幕去反复猜测,所看到的画面到底是由哪一个摄像机传来。显然,字符叠加器的使用,方便了管理者对监视现场情况的了解。尤其是对多监视点的大系统,或者对场景近似的多个画面的监视场合,字符叠加器都是必不可少的设备之一。字符叠加器的视频叠加原理与时间日期信息的叠加原理是一样的,只是表示时间日期的字符换成了表示场景特征信息的字符,它可以是英文,也可以是复杂的汉字等。因此,字符叠加器大多与时间日期发生器做在一起,以构成独立的时间日期/字符发生器。在大中型视频监控系统的主机中,字符叠加器则多以模块形式插入主机的视频通道中,有些在主机内部叠加字符,有些则在输出卡上叠加字符。

常用的字符叠加器有集成电路式、单片机式与专用叠加芯片式等。

(1) 由集成电路构成的字符叠加器。由集成电路构成的字符叠加器如图5所示,其电路可以分成4个部分:图像信号通路、水平像素的产生与计数、垂直行计数,以及字符发生电路。字符信息以字符图形的形式存储于字符图形存储器(EPROM2716)中,其容量为2KB,从A0~A10共有11条地址线,每一个存储单元为8bit。由于字符在垂直方向上显示时将占32行,故可用A5~A9的5条地址线确定;字符在水平方向上占8个像素宽,像素的大小可由74LS123所构成的多谐振荡器确定。

目前市场上已有不少可实现行、场同步信号分离的专用集成电路,如LM1881等。

图5 字符发生器原理方框图

此外,随着大规模可编程逻辑器件的普及,还可在共用一片CPU、字库ROM和实时时钟的前提下,利用FPGA集成若干路独立的显示RAM计数扫描电路,以实现多路时间字符叠加。如要实现4路连续显示,就应以625kHz(即移位寄存器的置数时钟应为字符数据串行输出移位时钟5MHz的8分频)的4倍频(即2.5MHz的频率)分别从显示RAM中的各个存储区域中取出字符点阵数据,经过锁存置入4个输出移位寄存器。需要说明的是,还要用一个大规模的多路开关,使RAM的地址具有各路计数扫描控制下的快速跳转能力。这个多路开关,采用ALTERA公司的FLEX10K10(1万门FPGA),即可实现4路时间字符叠加。

(2) 由单片机构成的字符叠加器。上述方法用硬件电路实现对显示RAM的计数扫描和点阵数据的移位输出,实际上利用软件也可实现这些功能。但用软件实现字符点阵数据的输出,其速度必须满足如下两个条件。

•要能以5MHz的频率将数据串行输出;

•要在视频信号行场消隐期内完成字符数据的读取和与主控CPU的通信等操作。

常用的51系列单片机,由于外接12MHz时钟时,一条单周期指令的执行时间为1外而无法满足上面的要求。因此,选用Atmel公司的AT90S1200单片机,其内部有1KB的Flash程序存储器和64B的EEPROM数据存储器,内置有模拟比较器和看门狗,通过SPI口可以串行下载程序而不必通过专用的编程器。当外接16MHz时钟时,每条指令仅需0.06~0.12四,可完全满足视频字符叠加数据串行输出的要求。一种利用AVR单片机构成的字符叠加器的实例,在前面讲十字标尺摄像机文章中已介绍,这里就不再述说了。

(3) 由专用叠加芯片构成的字符叠加器。通常,由单片机构成的字符叠加器常用于要求显示字符较少的情况下(如仅显示一行标题、一行时间时),若显示的字符较多,且位置复杂时,应采用专用字符叠加集成电路构成的字符叠加器,较为合适。如NEC公司的专用字符叠加芯片μPD6145、μPD6450、μPD6453、μPD6461及μPD6462、μPD6466,以及LTOE公司的LTOEOSD01(在点钞数据视频叠加器中介绍)等。μPD6453最多可同时显示12行24列1218点阵的字符,其芯片内部固化了240个日文、英文字母和数字等字符的字模,还有16个字符的空RAM区供用户添入自定义字符。该芯片的显示编辑功能非常强大,其控制方式也非常灵活简单。它共有5条单字节指令、6条双字节指令和1条三字节指令,且所有的指令均串行输入μPD6453,使用非常方便。此外,该芯片显示字符的大小有单倍、双倍、三倍和四倍模式。值得指出的是,该芯片外接的LC振荡电路对显示字符的横向长度影响很大,调整L值,可改变字符的横向尺寸,推荐L取15μH、C取56pF较为合适。

(4) 有计算机通信接口的动态字符叠加器。有一些实际应用场合,要求在屏幕上叠加的汉字是可变的,如在公路收费站的视频监控系统中,需要将时间日期、收费员姓名、车道号、车型、收费金额等信息叠加到视频画面上,并由录像机去记录。由于这些字符信息是可变的,因此要求字符叠加器的输出也是可变的。这种可变的字符信息,将受车型判别仪或收费员按下收费确认键来对叠加的字符进行选择;又如高层建筑物中对运行电梯的监视,要求在电梯轿厢内的摄像机传来的图像画面上叠加上表示楼层的字符信息,显然这些字符也是可变的。

由于字符叠加器输出的字符是可变的,这就要求该叠加器具有一个受控接口,以接收外来信号的控制。通常这种接口多为RS-232C通信接口,可直接与计算机的串口连接,通过对计算机的简单编程操作,就可以动态地控制字符叠加器的字符输出。如国产的汉频ICK系列数据文字信息动态叠加器就是根据此基本思想研制成功的,它实际上相当于一个可编程驱动的监控屏幕,对外提供一组打印控制命令,使得任何具有RS-232、RS-422和RS-485接口的设备都可以对它进行控制,从而把一些动态变化的信息实时地叠加到监视器的屏幕上。这种动态字符叠加器还适用于目前在各类学校广为应用的电视教学监控系统,即在教室传来的视频图像画面上,除叠加时间日期及班级等固定字符信息外,还可叠加课程名及任课教师姓名等可变字符信息。此外,还可用于银行点钞机的可变的点钞数据的视频叠加。

总之,字符叠加器的应用很广,可用于任何需要视频叠加的地方。