基于MB90092型專(zhuān)用字符疊加電路的視頻監控系統的設計與實(shí)現

1 引言

隨著(zhù)監控現場(chǎng)的擴展和探頭數量增多，在監控端的圖像顯示系統中，經(jīng)常需要接收外部數據并把相關(guān)的信息實(shí)時(shí)地連同圖像顯示在監控屏幕上，以便使用人員知道該圖像信息以何種方式來(lái)自何處及與之相關(guān)的信息，時(shí)間，地區徽標，實(shí)時(shí)數據顯示在屏幕上。但是對于監控人員而言，監控端遭到攻擊是一個(gè)值得擔心的問(wèn)題，因此，改善技術(shù)方案和增強安全性是對目前狀況提出的一種迫切要求。監控人員希望所看到的是得到驗證的真實(shí)圖像，無(wú)論時(shí)間、環(huán)境、探頭位置、角度和焦距都必須得到保證。在遠程監控場(chǎng)合，有關(guān)重要部門(mén)的監控者往往對于接收圖像的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性不完全放心，尤其是如果對高科技對象實(shí)時(shí)監控，那么，當監控者因故臨時(shí)離開(kāi)監控臺一段時(shí)間后，由于不知道被監控方是否對監控系統進(jìn)行了攻擊，故而往往有確認探頭工作正常和所見(jiàn)圖像真實(shí)性的要求。

筆者引入對抗的概念設計了一種具備安全性保障的視頻監控系統。該系統使用了在屏幕上疊加動(dòng)態(tài)偽隨機符號的方法防止系統在運行時(shí)監控頭被拆卸。一旦線(xiàn)路被拆動(dòng)，主監控端給出的確認標識將不再顯示，從而檢測出被監控方高科技人員隨意拆動(dòng)監控頭系統的行為，有效防止了因信號傳輸線(xiàn)路被隨意改動(dòng)而導致偽圖像的引入，本系統能在一些要求高且監控背景不具有環(huán)境特征的特殊場(chǎng)合應用，例如在背景為藍天、白墻和曠野等特殊場(chǎng)合及一些重要部門(mén)。

2 圖像疊加的原理及設計思路

為了達到圖像疊加的目的，必須先了解圖像傳送的原理，目前電路技術(shù)中采用順序（輪流）傳送像素的方法。在發(fā)送端按照各個(gè)像素的行列位置逐個(gè)發(fā)送到接收端，在接收端的顯示屏幕上，各個(gè)像素也是一個(gè)一個(gè)顯現的。所以，如果想在接收端得到預期的影像，發(fā)送端與接收端必須同步。所謂疊加，就是保證經(jīng)視頻信號提取電路分理出的行和場(chǎng)信號與所需疊加的圖像信號符合同步要求的條件下，在視頻信號相應的位置疊加圖標信號的電平。

為了防止被監控對象私自改動(dòng)線(xiàn)路和引入虛假圖像來(lái)迷惑監控者，本設計引入了對抗的思路：一是設計的監控頭附加電路采用偽隨機序列編碼顯示各種類(lèi)型的圖形或字符，而遠程監控中心也采用與之相對應的偽隨機序列編碼來(lái)檢測各種類(lèi)型的圖形或字符，由于各探頭所使用的編碼均不相同，所以可防止非法調換監控頭。二是采用硬件視頻信號檢測電路，能檢測出在運行過(guò)程中傳輸線(xiàn)路與監控頭設備可能發(fā)生的分離現象，從而采取相應措施。

3 系統設計

本文介紹的圖像疊加應用系統采用了3塊主要電路：89c52型單片機、mb90092型專(zhuān)用字符疊加電路和la7806型同步分離器。其中，mb90092對模擬視頻輸入信號進(jìn)行字符及圖形疊加并產(chǎn)生混合信號，89c52處理待顯字符圖標及報警；la7806實(shí)現行信號和場(chǎng)信號的分離。

3.1 硬件電路的設計及模塊

本視頻圖像疊加系統探頭部分附加的硬件結構如圖1所示。其主要工作原理是89c52按照控制要求向mb90092發(fā)送控制命令，如顯示控制和vram寫(xiě)地址控制等，而探頭發(fā)出的視頻信號經(jīng)la7806分離出行和場(chǎng)同步信號后與原視頻信號一同輸入mb90092；mb90092根據單片機的指令讀取字庫mbm29f040中的字符并將圖像信號、疊加字符、符合消隱脈沖及復合同步脈沖按一定比例混合在一起，送出視頻輸出信號。由于線(xiàn)路被拆斷會(huì )導致視頻輸入/輸出信號的中斷，所以單片機還通過(guò)檢測la7806，其是否有場(chǎng)同步來(lái)判斷視頻輸入信號的有無(wú)，通過(guò)輸出視頻信號檢測電路來(lái)判斷視頻輸出信號的有無(wú)。對于異常情況，89c52將收到中斷請求，隨后向mb90092發(fā)出停止顯示字符命令，以便向中央監控室報警。

3.1.1 視頻箝位電路

視頻箝位電路是視頻輸入信號預處理模塊。mb90092接收的復合視頻信號電平是2vp－p，而且需要有1v的直流偏置。因此，需要對攝像頭輸出的1vp－p視頻信號電平進(jìn)行箝位和放大。放大電路采用max457型視頻放大器，放大倍數為2。該電路選擇導通壓降相同二極管和三極管，通過(guò)調節電位器r2使d1負相端的箝位電壓為1v，同時(shí)輸出端的視頻信號（vout）上疊加1v的直流偏置，詳見(jiàn)參考文獻[2]。

3.1.2 視頻信號同步分離電路

選用sanyo公司的la7806型同步處理器（詳細技術(shù)資料見(jiàn)參考文獻[4]）。它從視頻信號中分理出復合同步、復合消隱等信號并使這些信號能同步協(xié)調工作。有些設計人員使用national semiconductor公司的lm1881型行場(chǎng)分離器，該電路的集成度高，只需少量外圍電路就可有效地提取出視頻信號中的同步信號，但是在低信噪比（s/n）條件下，由于lm1881分離出的復合同步信號存在左右晃動(dòng)的現象，導致整個(gè)系統的工作受到影響。

3.1.3 字符疊加模塊

fujitsu公司的mb90092是用cmos工藝制成的osd可編程大規模集成電路，其功能框圖如圖2所示，具有視頻信號發(fā)生器、顯示存儲器（vram）和字形存儲器接口，只需少量外部元件就可具備字符和圖形顯示功能。mb90092可用于計算機控制的錄像機、vcd等視頻設備的屏幕字符顯示。該電路有視頻信號輸入/輸出功能，可作為一種通用的osd，完成視頻信號與字符的疊加顯示?？赏饨?m字節的rom，可在屏幕提供兩種疊加方法，分別稱(chēng)為主屏疊加和副屏疊加。二者可獨立或重疊出現在監視器上。主屏顯示支持的字符顯示點(diǎn)陣為24×32，顯示容量為12行，每行24個(gè)字符或漢字，每個(gè)字符可以是不同的顏色。字體大小的控制方式有標準（24×32點(diǎn)陣）、雙倍寬、雙倍高、雙倍寬×雙倍高、4倍寬×4倍高。顯示位置控制可設置水平方向和垂直方向的起始位置，同時(shí)可設定行距。mb90092的內部視頻信號發(fā)生器支持ntsc制式或pal制式、可選擇逐行或隔行掃描方式，并可提供y/c，復合視頻、r、g、b等多種方式輸出。副屏可以輔助主屏顯示附加信息，如windows的下拉菜單功能。同時(shí)，mb90092內部可自行產(chǎn)生同步信號，無(wú)需外加視頻信號和同步信號，可直接輸出疊加字符信號至監視器，在監視器上顯示不同背景顏色、不同漢字顏色的文本，mb90092只有3條通信線(xiàn)（cs，sclk，sin）與89c52進(jìn)行通信，由于89c52本身沒(méi)有串行外設接口，因此，在軟件設計中，利用89c52的普通i/0口模擬串行通信，利用軟件實(shí)現模擬spi方式進(jìn)行通信，包括串行時(shí)鐘、數據輸入/輸出及片選信號，但是mb90092沒(méi)有輸入到89c52的通信線(xiàn)，此模擬spi系統總線(xiàn)只需3條線(xiàn)即可實(shí)現。

mb90092與外部單片機的接口時(shí)序如圖3所示。首先，cs片選有效，在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿，data數據1的bit進(jìn)入mb90092內部的串行移位寄存器，8bit為一個(gè)字節，然后cs和sclk分別為高電平，作為一個(gè)字節的結束，接著(zhù)發(fā)送下個(gè)字節，在串行傳輸中，時(shí)鐘對收到的bit計數，通過(guò)強制cs為高電平，可以復位串行傳輸，通過(guò)強制cs從高電平到低電平，清除復位，使得隨后的8bit數據是一個(gè)字節數據。如果在8bit數據中間cs變?yōu)楦唠娖?，則這個(gè)數據無(wú)效。

3.1.4 漢字字庫模塊

漢字字庫模塊采用外掛的mbm29f040 型flash存儲器，其中，存儲所需疊加的字符每個(gè)都由24×32個(gè)點(diǎn)陣組成，即每一個(gè)字符由96個(gè)字節數據表示。根據電路與外部字符存儲器的地址接口關(guān)系及電路讀取點(diǎn)陣數據的順序，事前將所需字符燒錄到外部存儲器中。這樣的外部字符存儲器給設計帶來(lái)很大的方便。系統可以根據需要隨時(shí)更改字符點(diǎn)陣。

3.1.5 緩沖放大模塊

輸出緩沖放大采用max470型放大器，該電路內含4個(gè)相同的視頻放大器。各個(gè)輸入端之間和各個(gè)輸出端之前均用地線(xiàn)或電源線(xiàn)隔開(kāi)，每塊視頻輸出插板需要2個(gè)max470。該電路的主要特點(diǎn)是帶寬為90mhz，增益為2v/v，微分增益為0.01％，微分相位為0.03°，轉換速率為300/μs，切換時(shí)間為20ns，輸入電容為5pf，輸出可設定為高阻態(tài)以減少功率消耗。

3.1.6 傳輸線(xiàn)路中斷檢測

線(xiàn)路檢測的目的有二：一是有沒(méi)有視頻輸入信號；二是視頻輸出信號是不是被切斷。其中，通過(guò)檢測是否有場(chǎng)同步判斷有無(wú)視頻輸入信號。視頻信號經(jīng)la7806同步分離后，把場(chǎng)同步信號接入89c52的p3.3作為外部中斷源。正常情況下，由mb90092輸出的視頻疊加混合信號（vout）存在相應的電流和電壓。若傳輸線(xiàn)路被人切斷，線(xiàn)路電流也被切斷。為了保證工作可靠，在經(jīng)過(guò)一定的時(shí)延（使用施密特觸發(fā)器）后，如果進(jìn)行檢測的模擬線(xiàn)路還檢測出電流停止的情況，則可確認線(xiàn)路被切斷，從而向單片機的外部中斷提出報警中斷請求。

本設計方案是設置單片機中的某一單元。由于單片機中的rom單元為flash memory，不會(huì )自動(dòng)恢復，單片機在運行中每給mb90092發(fā)送一次字符前都要檢測該單元，若發(fā)現該單元置位，將永久性拒絕繼續發(fā)送疊加字符，因此無(wú)論線(xiàn)路是否恢復正常，監控者在此后任意時(shí)間內都能發(fā)現線(xiàn)路變動(dòng)的情況。

3.2 圖像疊加系統的軟件

本項目需要在原始視頻信號上疊加圖像信息以滿(mǎn)足監控需要和檢測偷換視頻監控頭的作假行為。因此，單片機要控制疊加輸出的字符圖像，還要按照偽隨機序列的安排給出所選字符及其顏色、位置和背景等信息。給出待疊加顯示的字符指令的同時(shí)給出字符的顏色、位置、背景等指令。通過(guò)指針對于各條指令入口地址的偽隨機變動(dòng)，每一指令選取地址的序列形成一個(gè)看似無(wú)序的偽隨機序列，這樣可以更有效地防止被監控方識破標識而發(fā)生的造假。

軟件流程先對程序初始化，再從mbm29f040中調取字幕種類(lèi)和顯示位置數據填充mb90092，結合輸入的原視頻及其同步分離信號混合輸出。輸出從信號中檢測的異常情況引起中斷，導致單片機外部中斷的變化，清除顯示字符疊加標志，程序停止發(fā)送字符。

4 遠程檢測報警系統

為了使中央控制室的監控人員能夠發(fā)現設備的異?，F象，系統要對相應的情況進(jìn)行報警。線(xiàn)路被切斷的情況在一節已經(jīng)介紹，本節介紹的遠程檢測報警系統主要檢測探頭被非法更換的情況。這種情況可以通過(guò)人工檢測或計算機檢測，人工檢測僅僅可以看出字符與字符顯示間比較大的差異，肉眼難以分辨的顯示具體位置、外形相近的圖標等還必須依靠遠程計算機檢測報警系統。筆者所設計的系統處于中央監控室內以配合常規中央監控系統。通過(guò)截取各個(gè)現場(chǎng)監控頭圖像并對其進(jìn)行分析，發(fā)現異常并報警。

遠程檢測報警分為4個(gè)步驟：

（1）利用原中央監控系統提供的功能截取探頭圖像；

（2）對該圖像進(jìn)行處理，分割出疊加的徽標；

（3）對徽標進(jìn)行識別，得到有關(guān)參數；

（4）與相應的偽隨機序列進(jìn)行查配。

其流程如圖4所示。

中央監控系統裝有監控軟件，該軟件包含網(wǎng)絡(luò )通訊程序、軟解碼程序和錄像程序。網(wǎng)絡(luò )通訊程序與被監控端探頭連接，提供實(shí)時(shí)監控，接收實(shí)時(shí)視頻疊加圖像。錄像程序支持在實(shí)時(shí)監控的同時(shí)把實(shí)時(shí)監控的分離視頻信號的數據流分別記錄到硬盤(pán)上，提供錄像資料的管理和檢索。檢測報警系統利用中央監控系統提供的部分功能。

報警系統程序可依據被監控端圖像疊加過(guò)程中對于圖標顯示的地址，選擇的字符及其特性都要做出對應的畫(huà)面截取、分割及偽隨機序列查配，得到的分離結果與監控現場(chǎng)的疊加處理是完全一一對應的逆過(guò)程。

5 結束語(yǔ)

筆者設計的監控系統加載了漢字字庫模塊，編輯功能更強，反攻擊性更高、效果更明顯。硬件設計中結合了單片機微處理器控制的軟件程序，達到了防調換視頻設備的效果，可確保監控圖像的實(shí)時(shí)性和準確性。