圖像處理技術廣泛應用于科學研究、工農業生產、軍事技術、醫療衛生等領域。在工業上的應用主要有：機器人視覺的研制、生產過程自動化、產品質量檢測、機器零件的無損探傷、人工地震信號處理及地層內部結構的重建等等。本文介紹的項目是為實現生產過程自動化，疊加工業現場視頻圖像中多種起標識作用的圖形，簡化以后的數字化處理過程；并且可以通過人機交互，由用戶通過按鍵選擇所要疊加的圖形。目前市場上有能完成其中部分功能的芯片，但是它們價格太高；而且，這些芯片應用面窄，可擴充性差，不能滿足客戶的特殊要求。本文作者設計并實現了一種成本低、應用靈活可靠，易于擴充、實用性強的圖像疊加方案。
1 圖像疊加的原理及總體設計
　　為實現圖像疊加，必須先了解圖像傳送的原理。圖像是由明暗不同的部分構成的，一幅圖像可以分解成許多個基本單元，叫“像素”。顯然，像素的數目越多，就越能呈現出圖像的細節，因而畫面就越清晰。要想成功地傳送一幅圖像，必須把它所有的像素分別轉換成相應的電信號，再一一加以傳送。現代電視技術中，采用順序(輪流)傳送像素的方法，在發送端按照各個像素的行列位置逐個變成電信號，發送到接收端；在接收端屏幕上，各個像素當然也是一個一個地輪流出現的。因此，要想在接收端的屏幕上得出正確的影象，應該符合兩個條件：首先是發送與接收兩個端的掃描時間應該相等，即掃描頻率一致；另外，每一行和每一場開始掃描的時刻也要一樣，即掃描的相位一致。所以，嚴格地保證接收端和發送端的掃描運動互相同步是非常重要的。目前在傳送視頻信號時，把影象信號、消隱信號和復合同步信號三者按一定比例混合在一起，發送到接收端去控制顯象管中電子束的掃描運動，以保證影象中各像素的位置在熒光屏上正確重顯。我國采用的電視信號是PAL制，場掃描頻率為50Hz，行掃描頻率為15625Hz，它的行同步信號和場同步信號的基本波形如圖1所示。實際傳送的視頻信號波形如圖2所示，在接收端可以利用這三種信號的幅值不同，用幅度分離將它們彼此分開。“消隱信號”是為了在行掃描逆程或幀掃描逆程期間，攝象管和顯象管的電子束被截止而設的信號。“復合同步信號”可控制掃描振蕩器的工作頻率和相位，它由“水平同步信號”和“垂直同步信號”組合而成，二者的頻率不同，在接收端用頻率分離電路(或稱波形分離電路)將它們彼此分開。

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　　本項目中，要求對攝象頭獲得的圖像，疊加上幾種不同形狀的光標，如十字形、圓形、方形、六邊形等；用戶可以通過鍵盤對這些光標的形狀和大小進行選擇。按此要求，我們在圖像傳送過程中，截取從攝象頭傳出的視頻信號，疊加一些圖形信號，再傳送到接收端(本項目中為監視器)。所謂疊加，實質上是在像素級，為每個像素點選擇電信號。這其中有兩個問題，一是精確定位像素點，即確定它的行、列位置；二是定位之后，控制電信號的輸出，即選擇在監視器上的某一像素點，是顯示現場圖像像素的電信號，還是疊加圖形的像素電信號。解決第一個問題的難點在于信號同步，即從視頻信號中提取行同步信號及場同步信號，來控制行/場計數器準確計數，以定位像素點。解決第二個問題在于設置“二選一開關”控制電信號輸出。另外，為實現人機交互，實時動態地控制所疊加圖形的變換，如改變光標的形狀、大小，需要對屏幕編輯緩沖區RAM進行刷新。為避免輸出不完整或不穩定的圖像，在刷新過程中，維持原屏幕上的圖像不變，直至刷新結束。那么如何設置RAM的讀寫控制信號來實現這一要求，是第三個難點。
　　經過上述分析和市場調查，選用Intel的單片機90C32(它與8032的引腳和功能完全一致)作為CPU，可以充分發揮它的靈活性，并且利用其成熟的典型擴展電路來減少開發的難度和成本。在設計中，同步信號的提取、疊加選擇的控制、屏幕編輯緩沖區的讀寫控制，以及鍵盤譯碼均用硬件實現，使系統快速、穩定、可靠運行。為減少時延，擴展電路全部采用高速CMOS芯片實現。在此功能較完善的硬件基礎上，軟件設計簡單多了，主要完成系統初始化的按鍵響應。
2 硬件設計
　　硬件設計的總體框圖如圖3所示。

　　下面分別詳細介紹各個主要部分的電路。
2.1 同步信號的提取及行/場計數器電路
　　準確提取視頻信號中的同步信號對于本項目的成攻至關重要，幸運的是市場上提供了LM1881芯片，它僅需幾個外接元件，就可以可靠地提取出視頻信號中的同步信號。LM1881的引腳及連接電路如圖4所示，圖中的電容值均為0.1μF，電阻阻值為680kΩ。

　　行/場計數器由193芯片級聯而成。按PAL制式規定，場掃描頻率為50Hz，幀頻25Hz，總掃描線數625，由于分為奇偶場掃描，每場有312行，需用二進制地址9位。選擇4MHz的晶振行為行計數器的計數脈沖輸入，那么每行有256個像素點，計算公式為：。每片193有四位輸入、輸出端，輸入端均接“0”，輸出端組成地址總線。為保持行、場計數器電路的整齊，并保留一定的擴充性，行、場計數器各設3片193芯片實現。計數器電路如圖5所示。

　　行同步信號經過一級非門，送往行計數器三片193的清零端MR；同時作為場計數器的計數脈沖，送往場計數器最低級193的計數脈沖輸入端CU；而行計數器各級之間的級聯由低級193芯片的TCU端送往更高一級193芯片的CU端；圖中未畫出的行計數器的計數脈沖輸入端CU由晶振信號送入。場同步信號經過一級非門，送往場計數器三片193的清零端MR；場計數器各芯片之間的級聯方式同行計數器相同。計數器產生的18位地址，經過總線鎖存器，高15位送往屏幕編程緩沖區RAM，最低3位送往疊加控制的并串轉換電路。
2.2 圖像疊加及控制電路
　　參與疊加的信號有兩路：現場視頻信號、疊加圖形信號。由于只要求完成對攝象頭獲取的圖像的疊加，并在監視器上重顯圖像，疊加信號可以為黑電平和白電平。而視覺效果上黑電平更明顯，所以我們選擇疊加黑電平。這個“二選一”開關可用美國MAXIM公司生產的MAX442來實現。MAX442芯片是內含放大器的視頻兩路開關，它具有140MHz的單位增益帶寬，250V/μs的轉換速率；相位誤差小于0.09°，增益誤差小于0.07%；通道切換速率為36ns，可以直接驅動50Ω或75Ω的同軸電纜。雖然它價格相對較貴，但考慮到選用它之后，系統的性能可以得到較大幅度的改善，而且本項目的總體成本仍然很低，即性能價格比合理，所以選擇這種芯片。
　　MAX442的引腳圖與連接電路如圖6所示，圖中的電容容值單位為μF，電阻單位為Ω。IN0，IN1為兩路視頻信號的輸入端，分別外接現場視頻信號和黑電平；地址線A0控制“二選一”開關，選擇輸出哪個通道的信號。A0在屏幕編輯緩沖區中僅占一位空間，所以疊加控制字可以按位讀寫修改，這大大減少了所需的屏幕編輯緩沖區RAM的存儲空間。在RAM中數據是按照字節存取的，因此在輸出時，需要把從RAM中讀出的數據進行并串轉換，送到MAX442的A0端。這種“八選一”的數字邏輯電路用可編程芯片GAL可以很方便地實現，成本也不高，因此我們選擇用GAL實現，邏輯表達式從略。

2.3 屏幕編輯緩沖區的控制設計
　　屏幕編輯緩沖區選擇用RAM，是因為用戶要求疊加的均是規則的幾何圖形，由CPU 90C32動態計算圖形各點的位置算法非常簡單；用戶完全可以接受。
　　CPU和視頻輸出端都要對屏幕編輯緩沖區進行訪問，其中CPU要完成對RAM的刷新，即“寫”RAM；輸出端僅需讀RAM。也就是說，對RAM的訪問可以定為“寫時禁止讀”，“讀時禁止寫”。讓它們共用數據總線DB和地址總線AB，而通過控制CPU和行場計數器的地址鎖存器的使能端E，來分時使用。可見，這兩組地址鎖存緩沖器的使能端E是互斥的，可以僅用90C32的一根PI端口I/O線來作一個“單刀雙擲開關”，由CPU通過控制這根I/O線來實現總線的分時使用。所以在電路設計中，RAM的片選端CS直接接地，寫使能端WR與CPU的WR相連，而讀使能端OE與行/場計數器的地址鎖存器的使能端E相連。當CPU要對屏幕編輯緩沖區寫時，選通它的地址鎖存器的使能端E，同時行場計數器的地址鎖存器被禁止，RAM的讀使能端也被禁止，即RAM處于“只寫”狀態。反之，當CPU不需要對RAM刷新時，選通行/場計數器的地址鎖存器的使能端E，同時RAM的讀使能也被選通，RAM處于“讀”狀態，并且禁止寫操作。用這種“存儲器雙總線技術”，避免了對屏幕編輯緩沖區的沖突訪問，從而保證數據的完整性，得到穩定、正確的疊加視頻圖像。
　　CPU 90C32的典型擴展電路包括程序存儲區的擴展、數據存儲區的擴展、時鐘電路和晶振電路的擴展。考慮到項目需求并保留一定的擴充余地，存儲器ROM選用27256芯片，RAM選用61256芯片。其中除RAM(屏幕編輯緩沖區)為臨界區，需要特殊設計以外，其它電路與通用的單片機擴展電路完全相同，在此不另做介紹。
2.4 按鍵譯碼電路
　　本項目中，用戶在人機交互選擇疊加光標的形狀與大小時，僅需要四個按鍵，因此不必使用功能強大的8279芯片，直接擴展90C32即可。四個按鍵經過譯碼，送到90C32的P1端口，這個譯碼邏輯非常簡單，同樣用GAL實現，邏輯表達式從略。在實際使用中，用戶選擇一次光標的大小與形狀之后，總會穩定一段時間去進行其主要工作，所以操作按鍵的時間對于整個系統的工作時間而言是很短的。CPU對按鍵的響應采用中斷方式，這可以比輪詢方式大大減少對CPU處理器資源的占用。在按鍵電路中，一共占用P1端口2根I/O線，A0、A1是譯碼后的按鍵地址(或代碼)；另有INT是檢測是否有按鍵被按下的中斷信號線，它與90C32的外接中斷輸入端P3.2相連接。通常INT為高電平，若有按鍵被按下，INT為低電平，CPU可響應中斷。
　　按鍵電路的設計，也選擇簡單、典型而可靠的通用電路實現。目前，按鍵是利用機械觸點的合與斷來作用的，當電信號通過按鍵時，在閉合及斷開的瞬間均有抖動過程，會出現一系列的負脈沖，持續時間一般為5～10ms。按鍵的穩定閉合期，由操作人員的按鍵動作所決定，一般為十分之幾秒至幾秒時間。為了保證CPU對按鍵的一次閉合，僅做一次鍵輸入處理，必須去除抖動影響。通常去抖影響的措施有硬、軟件兩種，本項目用兩重 去抖來提高可靠性：硬件設計中，為每個按鍵在輸入端加一個一端接地的電容，濾去毛刺脈沖；軟件設計中，有按鍵去抖過程，具體思想在軟件設計中詳細講述。
3 軟件實現
　　由于本項目中的難點工作均用硬件實現，所以大大減少了軟件設計工作量。軟件主要實現系統初始化和中斷處理過程，其流程圖如圖7所示。