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采用視頻方式的點(diǎn)坐標(biāo)測量方法
摘要：介紹了一種采用視頻方式的點(diǎn)坐標(biāo)測量方法。方案設(shè)計巧妙，測量方法穩(wěn)定了可靠、精度高。該方法采用CCD攝像頭拍攝屏幕畫面獲取光點(diǎn)信號，對攝像頭輸出的視頻信號經(jīng)過處理后，得到需要的一系列數(shù)字信號，然后在CPLD中完成數(shù)字邏輯功能，最終得到點(diǎn)的坐標(biāo)。關(guān)鍵詞：點(diǎn)坐標(biāo) 視頻 CPLD
測量一幅畫面中某點(diǎn)的坐標(biāo)，大多采用人工方法。但在有些工作條件下，這種方法給工作人員帶來不便。本文介紹一種自動測量點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方案。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
該方案測量對象是光點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中用紅色激光筆產(chǎn)生，使用加入紅色濾光片的CCD攝像頭。攝像頭拍下屏幕的畫面后，將其輸出的視頻信號同時送入同步分離電路和前置放大器。經(jīng)過同步分離電路后，分別得到復(fù)合同步信號和場同步信號；經(jīng)過前置放大電路放大、反相后，輸入到鉗位放大器。當(dāng)有光點(diǎn)落在屏幕上時，視頻信號的白電平處會產(chǎn)生尖脈沖。通過高速比較器可以截獲這個尖脈沖信號（即光信號）。該方案預(yù)處理電路結(jié)構(gòu)見圖1。
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復(fù)合同步信號與光信號分別作為RS觸發(fā)器的R、S輸入信號，觸發(fā)器輸出端Q輸出的脈沖、振蕩器輸出脈沖以及經(jīng)過延時的復(fù)合同步信號一起輸入三輸入與非門，與非門輸出脈沖中作出水平計數(shù)器的計數(shù)脈沖。當(dāng)光脈沖到來時，水平計數(shù)器停止計數(shù)并將數(shù)值寫入水平鎖存器。復(fù)合同步信號同時也作為水平計數(shù)器的清零信號，在它的下一個下降沿（即下一行）使計數(shù)器清零，進(jìn)入新一輪水平計數(shù)狀態(tài)。該方案行計數(shù)器結(jié)構(gòu)見圖2。
與圖2類似，場同步信號與光信號分別作為RS觸發(fā)器的R、S輸入信號，輸出信號Q與復(fù)合同步信號以及延遲后的場同步信號經(jīng)過三輸入與門后，輸出的脈沖作為垂直計數(shù)器的計數(shù)脈沖。光脈沖到來時，垂直計數(shù)器停止計數(shù)并將其中的內(nèi)容寫入垂直鎖存器。場同步信號同時也作為垂直計數(shù)器的清零信號，在下一場開始前將其清零，進(jìn)入新一輪垂直計數(shù)狀態(tài)。該方案場計數(shù)器結(jié)構(gòu)見圖3。
水平鎖存器和垂直鎖存器中的數(shù)值即為光點(diǎn)的坐標(biāo)，這樣就測量出圖像中某光點(diǎn)的位置。
2 系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)
2.1 同步分離電路
在電視系統(tǒng)中，為了能正確地重現(xiàn)圖像，要求收端與發(fā)端同步掃描。只要掃描頻率相同、起始相位相同，收端就可以重現(xiàn)發(fā)端圖像并認(rèn)為是同步的。當(dāng)收端、發(fā)端的頻率、相位不同時，圖像將被破壞，產(chǎn)生畸變，甚至無法重視，因此在圖像信號中加入了同步脈沖。在發(fā)送端，每當(dāng)掃完一行圖像時，加入一個行同步脈沖，每掃完一場圖像時加入一個場同步脈沖。它們與圖像信號一起被發(fā)送出去。在接收端，使行掃描鋸齒波電流只有當(dāng)行同步脈沖到達(dá)進(jìn)才開始逆程期，而場掃描齒波電流也只有在場同步脈沖到達(dá)時才開始逆程期。這樣就保證了同步。為了使掃描逆程光柵不顯示（消隱），還需要加入行、場消隱脈沖，這時的圖像信號電平成為消隱電平。攝像頭輸出的是將圖像信號，同步信號，行、場消隱信號這三種信號組合起來形成的黑白全電視信號。我國電視規(guī)定：行頻為15625Hz，行同步脈寬為4.7μs；場頻為50Hz，場同步脈寬為2.5×1/15625=160μs。
在該方案中，使用專用芯片LM1881將行、場同步脈沖分離出來。LM1881是正極性圖像信號輸入、TTL電平輸出芯片，從而簡化了電路。圖4是LM1881的連接圖以及工作波形示意圖。
正極性圖像信號從2腳輸入，在1腳和3腳分別輸出復(fù)合同步信號和場同步信號。5腳輸出后沿脈沖信號，作為鉗位放大器的鉗位脈沖輸入。7腳輸出奇偶場指示信號。
2.2 鉗位放大器
反極性圖像信號加到解集成電路AN5612的1腳，在其內(nèi)部進(jìn)行視頻放大，增益由18腳外接對比度電位器R1控制。頻率特性由R3、C7組成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高頻補(bǔ)償。4腳的外接膏藥度電位器R5調(diào)節(jié)黑電平的高低。視頻信號在加入AN5612之前由于通過耦合電容失去了直流成分，因此，視頻信號的消隱電平而改變。為了克服這個缺點(diǎn)，可采用直流耦合放大，但由于一般的直流耦合放大容易產(chǎn)生溫漂，致使黑電平難以穩(wěn)定。常用的辦法是采用鉗位電路，將復(fù)合同步脈沖延遲至行消隱信號后肩，從而把亮度信號的消隱電平鉗位于給定的直流電平上。LM1881的5腳輸出的信號即為所需要的鉗位脈沖。這部分電路見圖5.AN5612的7腳輸出R基色信號，作為比較器LM361的一路輸入。
2.3 比較器
比較器選用LM371，最高速度達(dá)到20ns，AN5612的7腳輸出的R基色信號作為LM361的一路輸入信號input1；另一路輸入input2為參考，通過試驗(yàn)，其值取為3.1V。LM361有兩路互補(bǔ)的TTL電平輸出output1和output2，它們與輸入之間的關(guān)系可以表示如下：
LM361的兩路輸出分別送入CPLD（復(fù)雜的可編程邏輯器件）。
2.4 數(shù)字邏輯電路
該方案的數(shù)字電路部分主要由CPLD構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)行計數(shù)和場計數(shù)功能。CPLD選用ALTERA公司MAX7000S系列的EPM7128S，支持在系統(tǒng)可編程（In System Programming）。ISP技術(shù)及其器件是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一種新技術(shù)與新器件。它使設(shè)計者能在產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中對產(chǎn)品中的器件、電路板乃至整個電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時進(jìn)行組態(tài)或重組。采用這種器件開發(fā)的數(shù)字系統(tǒng)，升級與改進(jìn)是極其方便的。
2.4.1 行計數(shù)
行計數(shù)的功能框圖可參見圖2，圖6是實(shí)現(xiàn)行計數(shù)的波形示意圖。復(fù)合同步信號延遲10.5μs后至行消隱電平后肩。延遲至消隱電平的后肩是為了避免計數(shù)器在行逆程期間計數(shù)，減小誤差。行同步脈寬為4.7μs，而行消隱電平有5.8μμs的后肩，故延遲時間定為10.5μs。在行消隱電平后肩時刻，三輸入與非門開始輸出15MHz的計數(shù)脈沖，行計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)有光脈沖去到時（即LM361的9腳輸出低電平），RS觸發(fā)器的輸出Q跳變?yōu)椤?”，故三輸入與門輸出“0”，計數(shù)停止計數(shù)；同時光脈沖觸發(fā)鎖存器，存儲計數(shù)器中的數(shù)值，至此就獲得了光點(diǎn)的行坐標(biāo)。下一行同步脈沖到來時，會將計數(shù)器清零，開始新一行的點(diǎn)坐標(biāo)測量。
圖5 AN5612連接電路
我國電視規(guī)定一行的周期為64μs。除去行消隱脈沖，這樣在15MHz的計數(shù)脈沖下，一行最多可計算的點(diǎn)數(shù)為（64-12）×15=780。也可以根據(jù)對精度要求的不同，選用不同的時鐘。
2.4.2 場計數(shù)
場計數(shù)實(shí)現(xiàn)的思想類似于行計數(shù)，只不過將復(fù)合同步信號替代為場同步信號；而場計數(shù)脈沖為復(fù)合同步脈沖，而不是15MHz脈沖信號。同樣，為了避免場計數(shù)器在場逆程期間計數(shù)，將場同步脈沖寬度延遲到1600μs。光信號到來時，計數(shù)器停止計數(shù)，并將數(shù)值入場鎖存器。下一場同步脈沖到來時，將計數(shù)器清零，開始新一場的點(diǎn)坐標(biāo)測量。
由于攝像頭采用隔行掃描方式，兩場構(gòu)成一幀畫面，奇數(shù)場掃奇數(shù)行，偶數(shù)場掃偶數(shù)行，所以此時得到的場坐標(biāo)與實(shí)際值之間有較大誤差。為了提高精度，需要確定當(dāng)前掃描的是奇數(shù)場還是偶數(shù)場。假設(shè)場計數(shù)器中的值為n，那么若LM1881的7腳輸出0，表明當(dāng)前掃描的是偶數(shù)場，光點(diǎn)實(shí)際應(yīng)在第2n行；若7腳輸出1，表明掃描的是奇數(shù)場，光點(diǎn)實(shí)際應(yīng)在第2n-1行。
圖6 行計數(shù)器工作波形示意圖
根據(jù)以上所述的行、場計數(shù)邏輯關(guān)系，可以用硬件描述語言（HDL）設(shè)計數(shù)字電路。在綜合、仿真后，通過下載線將程序?qū)懭隒PLD中，通過JTAG口可以方便地調(diào)試程序。
2.4.3 誤差校正
由于光在空氣中是發(fā)散的，所以實(shí)際上攝像頭拍攝到的不是光點(diǎn)，而是光斑。在本方案中，電路測得的坐標(biāo)實(shí)際為光斑左上解某點(diǎn)的坐標(biāo)，而不是光斑中心點(diǎn)的坐標(biāo)，故還需要對此值進(jìn)行校正，才能得到光斑中心點(diǎn)較準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置。校正值應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況下光斑的大小來確定。
表1是在一個12.7cm×7.6cm的區(qū)域內(nèi)，通過實(shí)驗(yàn)所得的三組數(shù)據(jù)。起始點(diǎn)為這塊區(qū)域的左上角一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明了方案設(shè)計的正確性。該方案已應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，取得了良好的效果。
表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表
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