一種新型的視頻十字光標疊加技術

段園園，高 瑋，雷俊杰，雷霏霖，侯風乾

（西安應用光學研究所 陜西 西安 710065）

視頻疊加技術的應用領域越來越廣泛。尤其是在軍事領域，視頻疊加技術在激光校軸儀上，是需要在校軸儀的屏幕中間疊加十字光標，用于激光瞄準，進而對激光指示器進行校軸；在電視瞄準時，在電視屏幕上不僅要疊加瞄準十字，還要疊加時間、焦距、方位俯仰值等信息；激光能量檢測儀也需要在儀器的屏幕中間疊加十字光標，用于待測激光對準進行更準確的能量檢測。當前的視頻疊加技術大都是基于專用疊加芯片，由于專用疊加芯片都有局限性難以實現快速、大量疊加任意的標識字符。為了提高視頻疊加性能的靈活性和多樣性，本文提出一種基于CPLD的新的視頻疊加方法。此方法功能強大、可靠性強，經過調試、實驗和改進，證明此方法疊加字符的效果良好，可以廣泛應用。

1 視頻疊加原理

視頻疊加技術是用一款高速的模擬開關，來控制切換視頻信息和需要疊加的信息，按照電視制式的掃描時序，在圖像顯示的像素點上，切換要顯示的信息內容，實現字符疊加。這項技術是應用圖像處理技術中的一個重要的領域，在應用圖像處理系統中發揮著極為重要的作用。

本文是要在視頻信號中疊加一個十字光標，其基本原理如下：首先通過視頻分離芯片分離出視頻信號中行﹑場同步信號，然后對行、場同步信號進行計數，依據行、場同步信號的信息產生一個與其有穩定關系的控制信號，用這個控制信號控制模擬開關，模擬開關的輸出就控制兩路輸入信號（十字光標與視頻信號）間的快速切換，由于人眼視覺的暫留效應，在顯示器屏幕上看起來就是一幅疊加了十字光標的圖像。

圖1是視頻十字疊加技術系統框圖。

圖1 視頻十字疊加技術系統框圖Fig.1 System diagram of video cross superimposition technology

2 技術方案軟硬件設計

2.1 視頻信號分離

視頻信號除了包含圖像信號之外，還包含行同步信號、場同步信號、行消隱信號、場消隱信號和后沿脈沖鉗位信號等。所以，若要對視頻信號進行采集，就必須準確的控制以上各個信號之間的邏輯關系。本文采用EL公司的EL4583芯片對視頻信號進行同步分離。EL4583視頻同步分離器能從NTSC、PAL和SECA信號中提取定時信號，包括混合同步信號、后沿脈沖鉗位信號、行信號、奇偶場信號等。

攝像機在獲取圖像形成視頻信號時用掃描的方式逐行順序進行的，從景物的左上角開始掃描第一行，然后向下移動掃描第二行，直至這場掃描完312行，到第313行的一半時，這一場結束，形成了一幅奇場圖像；從圖像的最上部中間開始第313行的后半部掃描，開始第二場即偶場的掃描，第二場的每一行夾在第一場的相鄰行中間，直至625行結束，第二場圖像結束，形成了一幅偶場圖像，同時相鄰行由奇場和偶場圖像交叉形成了一幀圖像。圖2為EL4583分離出的同步信號、行、奇偶場等信號的輸出特性[1]。行周期TH=64μs，fH=15 625 H，行脈沖寬度 tHW=4.7 μs；場周期 TV=20 ms，fV=50 H，場脈沖寬度 tvw=160μs。

圖2 EL4583時域框圖Fig.2 Timing diagram of EL4583

圖3為EL4583分離視頻信號原理圖。視頻信號從4腳輸入，輸入前要經過電容C11防止視頻信號在4腳的電壓低于1.5 V，使視頻波形保持在1.5 V。11腳輸出后沿脈沖信號，作為鉗位放大器的鉗位脈沖輸入。視頻信號輸入后，芯片可以分離出視頻同步、行、奇偶場、后沿脈沖等信號。這些信號分別接給CPLD的控制管腳，來確定添加十字的位置。

2.2 高速多路選擇器

本技術方案選用AD8184來實現視頻信號和十字的高亮信號的切換選擇。AD8184是一款高速4:1多路選擇器，-3 dB信號帶寬為700 MHz，壓擺率為750 V/μs。串擾性能為88 dB，隔離性能為109 dB，因而適合許多高速應用。差分增益和差分相位誤差分別為 0.01%和 0.01°，0.1 dB平坦度為 75 MHz，堪稱專業視頻多路復用的理想之選。開關時間為5 ns，極其適合像素切換（畫中畫）應用，采用±5 V電源供電時的功耗小于4.4 mA。AD8184具有高速禁用特性，允許輸出置于高阻抗狀態。因此多路輸出可以連在一起，實現級聯信號級，同時“關斷”通道不會向輸出總線提供負載。如圖4，AD8184電路圖，由于輸入只有視頻信號和高亮兩個信號，所以把4路輸入信號中的0和2、1和3連在一起，變成兩路輸入。其中0和2為視頻輸入，1和3接到正負5 V之間的兩個滑動變阻器上，通過調節滑動變阻器的阻值來調節顯示十字的亮度。

圖3 EL4583分離視頻信號電路圖Fig.3 Separating video signal circuit of EL4583

圖4 AD8184多路選擇器電路圖Fig.4 4-to-1 video multiplexer circuit of AD8184

AD8184的工作原理邏輯關系如表1，通過ENABLE、A1、A0來控制輸出信號。當ENABLE腳接地時，輸出在IN0、IN1、IN2 和 IN3 之間選擇，當 A1=0 時，A0=0，輸出為 IN0，A0=1，輸出為IN1；當A1=1時，A0=0，輸出為IN2，A0=1，輸出為IN3。此方案只有兩個輸入，硬件上已經把IN0和IN2、IN1和IN3分別連到一起，所以只需要判斷輸出IN0或是IN1就可以了。實現方法是ENABLE硬件上接地，在軟件上把A1置低，通過控制A0置高或置低，來選擇輸出IN0或是IN1，也就是選擇輸出是視頻還是高亮點。

表1 AD8184真值表Tab.1 Truth table of AD8184

2.3 CPLD邏輯控制原理

CPLD擁有強大的邏輯功能，滿足本次設計的全部要求。CPLD選用Xilinx公司的XC95108，它是一款高性能系統可編程CPLD。XC95108具有108個宏單元和2400可用門、多達108個用戶I/O引腳、5 V系統可編程、增強的引腳鎖定架構等。圖5為基于CPLD十字疊加的原理框圖，CPLD負責整個設計的時序控制和功能實現。CPLD接收從視頻同步分離器件分離出來的奇偶場及行同步信號，通過時序邏輯控制接收到的信號，在視頻中疊加十字光標[2]。

圖5 基于CPLD十字疊加原理框圖Fig.5 Block diagram of cross overlay principle based on CPLD

根據電視機原理，行頻為15 625 Hz，場頻為50 Hz，則在奇場或偶場同步信號的一個周期內有15 626/50＝312.5個行同步脈沖，這312.5個行同步脈沖正對應于一幅圖像的奇場或偶場的312.5個行。因此若要選擇某一行，只需在場同步脈沖上升沿到來時對行同步脈沖進行計數，計到要選擇的行數即可。例如要選擇中間行時可采用一計數器，當場同步脈沖上升沿到來時對行同步脈沖進行計數，計到312/2為止。

采用XC95108取同步分離芯片輸出的行同步信號、奇偶場同步信號[3]。用場同步信號的上升沿觸發行同步信號計數器對行同步信號計數，當行同步信號計到106～206區間，十字豎線長短趨于屏幕中間；用行同步信號的上升沿觸發系統時鐘計數器對其進行計數，當系統時鐘在106~206行計到1 280時輸出一個高脈沖（5 V峰峰值），在屏幕中間形成了十字光標的豎線。

當場同步信號上升沿到來時，對行同步信號計數到156，此行上升沿到來時對系統時鐘計數，計到854～1707時輸出高脈沖，即可在顯示屏正中顯示一水平線。此時形成了一個完整的十字光標，再將該信號與原視頻信號疊加，即可在視頻信號正中形成一個十字光標。

圖6 十字疊加軟件流程圖Fig.6 Software flow chart of cross superimposition

圖6為十字疊加CPLD軟件流程圖。系統上電后先進行初始化，設置寄存器賦初值。開始判斷奇場上升沿是否到來，判斷出奇場的上升沿說明一幅圖像的到來，此時開始對這幅圖像的奇場行數進行計數，每次判斷出行信號的上升沿到來，執行counths=counths+1；當每一個行信號的上升沿到來時，對系統時鐘clk進行計數，執行countclk=countclk+1；（counths，countclk）則形成一幅圖像要添加十字光標的坐標位置，當到（106~206，1 280）和（156，854～1707）坐標位置時，XC95108控制AD8184的mark管腳置高形成一個高亮點。以上流程執行完，程序又回到初始化，對寄存器進行清零，準備下一幅圖像的奇場到來添加十字光標，CCD采集到的每一幅圖像，都可以實時的添加光標。

由于CPLD選用的是Xilinx的XC95108，所以此設計的開發環境為Xilinx ISE 10.1[4]，ISE集成了很多著名的FPGA/CPLD設計工具，而且風格簡潔流暢、易學易用，有很多強大的設計輔助功能，能很好的完成本設計的軟件設計要求。使用VHDL的行為描述為主要方法編寫設計文件，在Modelsim SE中進行仿真。芯片資源的利用率為40%，為今后的升級留出了裕量[5-6]。

3 實驗結果

圖7為本次設計試驗結果，CCD采集樓房的一幅圖像，圖像中間疊加的十字光標、字符和簡單漢字。

圖7 視頻疊加效果圖Fig.7 The effect of video superimposition

4 結 論

本次設計采用CPLD XC95108控制視頻分離器EL4583，通過分離出來的視頻信號查找要疊加十字光標的坐標位置，通過控制高速多路選擇器AD8184，給CCD采集的圖像疊加十字光標。XC95108利用其豐富的邏輯資源和強大的軟件支持，優化了電路結構[7]，提高了可靠性。該技術已應用于激光電視瞄準等項目中，實際應用表明此設計實現效果清晰、穩定可靠，達到了設計要求。

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