OSD技術(shù)在A(yíng)TM數字視頻監控系統中的應用

摘要：介紹了一種用于A(yíng)TM自動(dòng)提款機的數字視頻監控系統，從經(jīng)濟實(shí)用的角度出發(fā)，在系統的前、后端分別實(shí)現了OSD功能。前端疊加的OSD信息作為圖像的說(shuō)明和補充，并且隨視頻流傳輸和存儲；后端疊加的OSD提供了友好的用戶(hù)界面，不影響圖像的完整性。 關(guān)鍵詞：在屏顯示（OSD） 數字視頻監控圖像和字符疊加 隨著(zhù)銀行客戶(hù)終端ATM自動(dòng)提未機的推廣使用，其安全防范工作顯得越來(lái)越重要，難度也越來(lái)越大。因此，針對ATM的數字視頻監控系統便應運而生。數字視頻監控系統常常采用在屏顯示（On Screen Display,OSD）技術(shù)實(shí)現人機界面。在屏顯示技術(shù)就是在圖像上疊加文字，使顯示屏幕為用戶(hù)提供更多的附加信息。在A(yíng)TM監控中，銀行對OSD功能有著(zhù)特殊的要求： （1）將ATM機號、時(shí)間、日期、卡號、數據疊加在所錄視頻圖像上，并且要在每個(gè)畫(huà)面上疊加上鏡頭的地信息。這些信息疊加以后就成為圖像的一部分，作為視頻圖像的說(shuō)明，便于進(jìn)行監控和查詢(xún)。 （2）在回放或者監控時(shí)要提供友好的用戶(hù)菜單，用來(lái)進(jìn)行系統的設置和查詢(xún)等操作。這些菜單信息只是給用戶(hù)提供交互的信息，不破壞圖像的完整性，并且不隨圖像數據傳輸和存儲。 本文針對ATM監控系統對OSD功能的要求，在自行設計的一款ATM監控設備中用不同的方法實(shí)現了兩種OSD功能。所采用的方法經(jīng)濟、實(shí)用，具有普遍意義，也可以推廣到其它的數字視頻監控系統中。 1 系統簡(jiǎn)介 本監控系統是一個(gè)基于嵌入式CPU和新型MPEC-4硬件編、解碼芯片的系統，提供兩路視頻輸入。為了節約成本，兩路視頻信號復合成畫(huà)中畫(huà)進(jìn)行壓縮編碼，由嵌入式CPU從PCI接口對壓縮數據進(jìn)行存儲和傳輸。其輸出端提供實(shí)時(shí)的視頻輸出和畫(huà)中畫(huà)回放數據輸出。系統硬件結構圖如圖1所示。 視頻A/D轉換器選用PHILIPS公司的SAA7113H，通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行寄存器管理，輸出標準ITU656接口數據。 畫(huà)面分割芯片選用A.LOGICS公司的AM-204M五畫(huà)面分割器，通過(guò)對其寄存器的編程實(shí)現兩路視頻信號的畫(huà)中畫(huà)疊加。在實(shí)際應用中，主畫(huà)面監控整個(gè)提款機終端，子畫(huà)面監控出鈔口。這款芯片還具有OSD功能，用它可實(shí)現圖像附加信息的疊加。 模擬開(kāi)關(guān)用來(lái)選擇視頻是輸出壓縮前的實(shí)時(shí)視頻還是回放錄像文件的視頻，用兩片FAIRCHILD公司的74LVT16245總線(xiàn)驅動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現這部分功能。一片接壓縮編碼前的數據，另一片接回放的視頻數據，兩片芯片的輸出接在一起送到D/A芯片去實(shí)現視頻的顯示。單片機控制74LVT16245的使能端，根據需要讓其中一片74LT16245輸出視頻數據，實(shí)現輸出視頻的選擇。這樣，通過(guò)對單片機編程，就可以控制在監視器上輸出實(shí)時(shí)視頻還是回放錄像文件的視頻。 視頻D/A轉換器選用PHILIPS公司的SAA7121，通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行寄存器管理、輸入ITU656接口數據、輸出模擬視頻。 要想使OSD疊加的信息能作為圖像的一部分，即圖像的附加信息（如日期等）存儲到文件中，必須將信息疊是模擬視頻輸入端，將信息直接和模擬視頻疊加后再進(jìn)行A/D視頻轉換。另一個(gè)是在畫(huà)面分割器后端的數字視頻上疊加信息。這兩種方法要用到不同的OSD芯片，雖然效果較好，但增加了設備的成本和電路板的尺寸。在實(shí)際的設計中，選用了一款帶有OSD功能的畫(huà)面分割芯片AM-204M，直接在畫(huà)面分割芯片中疊加字符信息，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。 要實(shí)現作為用戶(hù)操作界面信息的OSD信息的疊加，這里把這部分OSD功能加在視頻D/A芯片的復合視頻廣播信號（CVBS）的輸出上。這部分OSD功能提供信息給用戶(hù)，不破壞圖像數據的完整性。由于菜單所需要的信息較多，并且本系統主要是針對國內用戶(hù)，要求用漢字菜單，所以選用的OSD芯但要提供漢字信息，而且要有足夠的漢字庫。事實(shí)上目前市場(chǎng)上大多數的OSD芯片都只能提供簡(jiǎn)單的字符信息疊加。通過(guò)綜合的比較，最終選用了FUJISU公司的MB90092芯片。 這里采用單片機AT89C55WD控制畫(huà)面分割芯片和MB90092芯片實(shí)現OSD疊加。所需要的時(shí)間信息由單片機通過(guò)時(shí)鐘芯片獲得，ATM的機號和卡號從單片機的串行口獲得。用戶(hù)通過(guò)接口菜單的一些設置信息，完成單片機與嵌入式CPU的通信。單片機和兩個(gè)用作OSD的芯片的連接如圖2所示。2 用畫(huà)面分割芯片實(shí)現OSD字符的疊加 OSD字符的疊加由A.LOGIC公司的畫(huà)面分割芯片AM-204M實(shí)現。AM-204M有較強的OSD功能，可實(shí)現字符OSD和位圖OSD功能。實(shí)際上它的OSD功能通過(guò)其內部的只讀存儲器和隨機存儲器兩部分完成。只讀存儲器存儲了128個(gè)常用的字符，包括字母和標點(diǎn)符號等，在出廠(chǎng)前一般都已經(jīng)設定好了。隨機存儲器中可以存儲64個(gè)字節，用戶(hù)可以編程設定這部分字符，靈活運用這部分存儲器的內容可以實(shí)現多種格式的OSD信息。每屏顯示的字符容量最大是34列%26;#215;22行。字符采用彩色顯示，在一個(gè)屏幕內最多可同時(shí)顯示三種顏色。在625線(xiàn)的系統中，字符大小為20%26;#215;24點(diǎn)陣時(shí)就可以有較好的效果。 2.1 畫(huà)面分割芯片主要控制管腳說(shuō)明 單片機通過(guò)操作畫(huà)面分割的HOST接口就可以對寄存器進(jìn)行管理，以此來(lái)實(shí)現OSD功能。面畫(huà)分割芯片AM204M主要接口管腳如下： ADEN：芯片地址使能輸入，下降沿取地址數據。 WREN：芯片寫(xiě)使能輸入，上升沿有效。 RDEN：芯片讀使能輸入，低電平有效。 MDATA[7:0]：并行數據口，是單牒同對AM-204M進(jìn)行讀寫(xiě)操作的數據口。2.2 芯片OSD的寫(xiě)RAM接口時(shí)序 AM-204M有幾個(gè)專(zhuān)用的寄存器，用于對OSD功能（包括OSD開(kāi)關(guān)、位置、背景等）進(jìn)行管理。設計人員可以自定義一些字符或者漢字放在RAM內用于顯示，芯片的RAM可一次寫(xiě)入64個(gè)字符。圖3是通過(guò)HOST接口往RAM存儲器中寫(xiě)一個(gè)字符的時(shí)序。圖中D0-D7是一個(gè)字符的二進(jìn)制點(diǎn)陣信息。 ROM存儲的128個(gè)字符占用的CODE（oram_data[7:0]）的地址范圍為00～7F。而RAM寫(xiě)入的64個(gè)字節占用的CODE地址從80開(kāi)始，為一個(gè)連續的地址空間。在系統工作時(shí)，AT89C55單片機首先要得到疊加的信息，然后從字符存儲區中取出相應的字符，疊加到屏幕上的適當的區域。字符的RAM表如表1所示。表1 字符在RAM中的位置與編碼的對應關(guān)系 字 符代 碼地 址第1字符80h00第2字符81h01………第64字符BFh633 用OSD芯片實(shí)現用戶(hù)菜單的疊加 MB90092是用CMOS工藝制成的OSD可編程大規模集成電路芯片，可用于計算機控制的錄像機、VCD等的屏幕字符顯示。該芯片有視頻信號輸入輸出功能，可作為一種通用的OSD芯片，完成視頻信號與字符的疊加顯示。芯片可外接2M字節的ROM，支持24%26;#215;32點(diǎn)陣顯示方式，可在屏幕上疊加一個(gè)主屏幕和一個(gè)子屏幕，主屏上疊加12%26;#215;24個(gè)漢字。它有視頻信號輸入腳，在其內部可完成視頻信號與漢字信號的疊加，直接輸出復合視頻信號。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；可直接輸出漢字信號至監視器，在監視器上顯示不同背景顏色、不同漢字顏色的文本，利用此特點(diǎn)可設計系統的設置菜單。字庫芯片采用AT27C080，該芯片的存儲容量為1M字節，可存儲8K漢字。國標所規定的一、二級漢字均可包含，每個(gè)字占用128字節。漢字點(diǎn)陣為24%26;#215;24。為適應MB90092，每個(gè)漢字的24～31字節、56～63字節、88～127字節應為空白。 3.1 芯片主要管腳功能說(shuō)明和接口時(shí)序 IC：當TEST腳輸入低電平時(shí)，這個(gè)管腳能被用作芯片的RESET端。 CS：芯片的片選端，低電平有效。也可以用它來(lái)釋放power-on reset。 SCLK：時(shí)鐘輸入端，輸入讀數據時(shí)鐘。 SDA：串行數據輸入端。 EXHSYN：外部行同步信號輸入端，當對芯片內部寄存器進(jìn)行適當設置時(shí)，這個(gè)管腳也可以作為復合同步信號輸入端。 VOUT：復合視頻輸出端（輸出信號的峰-峰值為2V）。 VIN:復合視頻信號輸入端，用于疊加顯示，要求信號的峰-峰值為2V. EXS和XS：外接晶體端，為芯片內部的圖像提供振蕩時(shí)鐘，選用NTSC制式時(shí)，外接14.31818MHz的晶體；選用PAL制式時(shí)，外接17.734475MHz的晶體。 EXD和XD：連接外部的LC時(shí)鐘振蕩電路，為字符的產(chǎn)生提供打點(diǎn)時(shí)鐘，一般為6MHz或7MHz，據此確定電感、電容數值。 MB90092采用指令方式控制，外部單片機可以通過(guò)串行接口向MB90092發(fā)送指令，每個(gè)指令由兩個(gè)字節組成。第一個(gè)字節的前5位為命令碼，其余位和第二個(gè)字節為數據。指令能實(shí)現對字符顯示的各種控制，MB90092共有13種指令和兩種保留指令，具體功能見(jiàn)表2。表2 MB90092指令集 命令號功 能0VRAM地址設置1-1主屏字符控制12-1主屏字節控制21-2了屏線(xiàn)控12-2子屏線(xiàn)控21-3主屏線(xiàn)控12-3主屏線(xiàn)控23VRAM寫(xiě)控制4屏幕控制15屏幕控制26主屏線(xiàn)控37主屏垂直位置控制8主屏水平位置控制9漢字顯示控制10顏色控制11子屏幕控制12子屏垂直位置控制13子屏水平位置控制MB90092與外部單片機的接口有自己獨特的時(shí)序，如圖4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，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)鐘用來(lái)對收到的bit計數，通過(guò)強制CS為高，可以復位串行傳輸。通過(guò)強制CS從高到低，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變高，則這個(gè)數據是無(wú)效的。 如圖4所示，數據A被寫(xiě)入內部寄存器，數據B被忽略。接口時(shí)序應注意以下幾點(diǎn)： （1）為了保持字節同步，在串行數據傳輸之前，CS管腳應當先設成高，然后設成低。 （2）除了剛上電時(shí)，在串行傳輸之前，都應當強制SCLK管腳為高電平。 用匯編語(yǔ)言實(shí)現的寫(xiě)一個(gè)字節程序如下： WRITE_1BYTE： SETB _CS NOP CLR _CS MOV R6，#8 WR1： NOP CLR SCLK RRC A MOV SIN，C NOP NOP SETB SCLK DJNZ R6，WR1 NOP SETB _CS RET 程序中加入NOP指令是為了滿(mǎn)足MB90092對時(shí)序時(shí)間的要求。3.2 漢字疊加與緩沖放大模塊 在視頻監控中，視頻流過(guò)解碼，使視頻D/A轉換模塊輸出的模擬視頻信號疊加上菜單漢字信息，然后經(jīng)緩沖放大后輸出到監視器上。圖5為視頻漢字疊加與緩沖放大原理圖。 對圖5進(jìn)行如下說(shuō)明： （1）圖5中同步分離由LM1881完成，分離出復合同信號送到字符疊加芯片供字符疊加使用。 （2）輸出緩沖放大采用OPA2354芯片。它的INA-管上的調節電阻分別為620Ω和330Ω。 3 使用MB90092應注意的問(wèn)題 （1）程序開(kāi)始時(shí)，要輸入CS四次去清除上電復位，然后所作的設置才是有效的。 （2）如果選擇外同步方式，只有當外同步信號存在時(shí)，MB90092才能接收控制命令。為了防止當視頻信號由"無(wú)"切換到"有"時(shí)監視器上產(chǎn)生字符丟失的情況，屏幕上疊加的所有字符每隔0.2秒要更新一次。這樣就不會(huì )發(fā)生字符丟失的現象。 （3）改動(dòng)屏幕上的字符時(shí)，必須先清理內存區域，否則屏幕會(huì )出現亂碼及一些預料不到的顯示。清屏包括子屏清除和主屏清除。如果沒(méi)有用到子屏，只要在開(kāi)始時(shí)清一次子屏就可以了（所謂清屏，就是在屏幕上相應位置寫(xiě)空格字符）。 （4）上電復位后，為了有效設置屏幕及字體的各種民屬性、行距、顯示位置等，先選擇內異步方式，待設置完成后，再設定為外同步方式；否則，設置時(shí)如無(wú)外同步信號，所有的設置均為無(wú)效設置。 （5）由于視頻信號頻率較高、頻帶較寬，因而當兩路視頻信號相距較近時(shí)，容易產(chǎn)生串擾。為了盡量減少串擾，制板時(shí)需做到以下幾點(diǎn)： *各種視頻信號間用較粗的地線(xiàn)隔開(kāi)，視頻走線(xiàn)盡量石頭則粗； *模擬地和數字地分開(kāi)，只在電源處單點(diǎn)相連； *開(kāi)關(guān)電源時(shí)，應使交流電與直流低壓之間相距較遠，且用地線(xiàn)隔開(kāi)；直流低壓與開(kāi)關(guān)管的調整電路之間要用光耦隔開(kāi)。 本文給出了兩種實(shí)現OSD的方法，分別用于A(yíng)TM監控設備的不同模塊中。設計中考慮了實(shí)用和經(jīng)濟兩個(gè)因素，從實(shí)際的產(chǎn)品來(lái)自，性能穩定可靠，具有很普遍的應用價(jià)值。