采用視頻方式的點(diǎn)坐標測量方法

　　摘要：

　　介紹了一種采用視頻方式的點(diǎn)坐標測量方法。方案設計巧妙，測量方法穩定了可靠、精度高。該方法采用CCD攝像頭拍攝屏幕畫(huà)面獲取光點(diǎn)信號，對攝像頭輸出的視頻信號經(jīng)過(guò)處理后，得到需要的一系列數字信號，然后在CPLD中完成數字邏輯功能，最終得到點(diǎn)的坐標。

　　測量一幅畫(huà)面中某點(diǎn)的坐標，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(lái)不便。本文介紹一種自動(dòng)測量點(diǎn)坐標的實(shí)現方案。

　　1 系統總體設計方案

　　該方案測量對象是光點(diǎn)，在實(shí)驗中用紅色激光筆產(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(huà)面后，將其輸出的視頻信號同時(shí)送入同步分離電路和前置放大器。經(jīng)過(guò)同步分離電路后，分別得到復合同步信號和場(chǎng)同步信號;經(jīng)過(guò)前置放大電路放大、反相后，輸入到鉗位放大器。當有光點(diǎn)落在屏幕上時(shí)，視頻信號的白電平處會(huì )產(chǎn)生尖脈沖。通過(guò)高速比較器可以截獲這個(gè)尖脈沖信號(即光信號)。該方案預處理電路結構見(jiàn)圖1。

　　與圖2類(lèi)似，場(chǎng)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與復合同步信號以及延遲后的場(chǎng)同步信號經(jīng)過(guò)三輸入與門(mén)后，輸出的脈沖作為垂直計數器的計數脈沖。光脈沖到來(lái)時(shí)，垂直計數器停止計數并將其中的內容寫(xiě)入垂直鎖存器。場(chǎng)同步信號同時(shí)也作為垂直計數器的清零信號，在下一場(chǎng)開(kāi)始前將其清零，進(jìn)入新一輪垂直計數狀態(tài)。該方案場(chǎng)計數器結構見(jiàn)圖3。

　　水平鎖存器和垂直鎖存器中的數值即為光點(diǎn)的坐標，這樣就測量出圖像中某光點(diǎn)的位置。

　　2 系統方案實(shí)現

　　2.1 同步分離電路

　　在電視系統中，為了能正確地重現圖像，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，收端就可以重現發(fā)端圖像并認為是同步的。當收端、發(fā)端的頻率、相位不同時(shí)，圖像將被破壞，產(chǎn)生畸變，甚至無(wú)法重視，因此在圖像信號中加入了同步脈沖。在發(fā)送端，每當掃完一行圖像時(shí)，加入一個(gè)行同步脈沖，每掃完一場(chǎng)圖像時(shí)加入一個(gè)場(chǎng)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行同步脈沖到達進(jìn)才開(kāi)始逆程期，而場(chǎng)掃描齒波電流也只有在場(chǎng)同步脈沖到達時(shí)才開(kāi)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(chǎng)消隱脈沖，這時(shí)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(chǎng)消隱信號這三種信號組合起來(lái)形成的黑白全電視信號。我國電視規定：行頻為15625Hz，行同步脈寬為4.7μs;場(chǎng)頻為50Hz，場(chǎng)同步脈寬為2.5×1/15625=160μs。

　　在該方案中，使用專(zhuān)用芯片LM1881將行、場(chǎng)同步脈沖分離出來(lái)。LM1881是正極性圖像信號輸入、TTL電平輸出芯片，從而簡(jiǎn)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腳分別輸出復合同步信號和場(chǎng)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(chǎng)指示信號。

　　反極性圖像信號加到解集成電路AN5612的1腳，在其內部進(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)行高頻補償。4腳的外接膏藥度電位器R5調節黑電平的高低。視頻信號在加入AN5612之前由于通過(guò)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(gè)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，致使黑電平難以穩定。常用的辦法是采用鉗位電路，將復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(jiàn)圖5.AN5612的7腳輸出R基色信號，作為比較器LM361的一路輸入。

　　比較器選用LM371，最高速度達到20ns，AN5612的7腳輸出的R基色信號作為L(cháng)M361的一路輸入信號input1;另一路輸入input2為參考，通過(guò)試驗，其值取為3.1V。LM361有兩路互補的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(復雜的可編程邏輯器件)。

　　2.4 數字邏輯電路

　　該方案的數字電路部分主要由CPLD構成，實(shí)現行計數和場(chǎng)計數功能。CPLD選用ALTERA公司MAX7000S系列的EPM7128S，支持在系統可編程(In System Programming)。ISP技術(shù)及其器件是20世紀90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)與新器件。它使設計者能在產(chǎn)品設計、制造過(guò)程中對產(chǎn)品中的器件、電路板乃至整個(gè)電子系統的邏輯和功能隨時(shí)進(jìn)行組態(tài)或重組。采用這種器件開(kāi)發(fā)的數字系統，升級與改進(jìn)是極其方便的。

　　2.4.1 行計數

　　行計數的功能框圖可參見(jiàn)圖2，圖6是實(shí)現行計數的波形示意圖。復合同步信號延遲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器在行逆程期間計數，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(shí)間定為10.5μs。在行消隱電平后肩時(shí)刻，三輸入與非門(mén)開(kāi)始輸出15MHz的計數脈沖，行計數器開(kāi)始計數。當有光脈沖去到時(shí)(即LM361的9腳輸出低電平)，RS觸發(fā)器的輸出Q跳變?yōu)?ldquo;0”，故三輸入與門(mén)輸出“0”，計數停止計數;同時(shí)光脈沖觸發(fā)鎖存器，存儲計數器中的數值，至此就獲得了光點(diǎn)的行坐標。下一行同步脈沖到來(lái)時(shí)，會(huì )將計數器清零，開(kāi)始新一行的點(diǎn)坐標測量。

　　我國電視規定一行的周期為64μs。除去行消隱脈沖，這樣在15MHz的計數脈沖下，一行最多可計算的點(diǎn)數為(64-12)×15=780。也可以根據對精度要求的不同，選用不同的時(shí)鐘。

　　2.4.2 場(chǎng)計數

　　場(chǎng)計數實(shí)現的思想類(lèi)似于行計數，只不過(guò)將復合同步信號替代為場(chǎng)同步信號;而場(chǎng)計數脈沖為復合同步脈沖，而不是15MHz脈沖信號。同樣，為了避免場(chǎng)計數器在場(chǎng)逆程期間計數，將場(chǎng)同步脈沖寬度延遲到1600μs。光信號到來(lái)時(shí)，計數器停止計數，并將數值入場(chǎng)鎖存器。下一場(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí)，將計數器清零，開(kāi)始新一場(chǎng)的點(diǎn)坐標測量。

　　由于攝像頭采用隔行掃描方式，兩場(chǎng)構成一幀畫(huà)面，奇數場(chǎng)掃奇數行，偶數場(chǎng)掃偶數行，所以此時(shí)得到的場(chǎng)坐標與實(shí)際值之間有較大誤差。為了提高精度，需要確定當前掃描的是奇數場(chǎng)還是偶數場(chǎng)。假設場(chǎng)計數器中的值為n，那么若LM1881的7腳輸出0，表明當前掃描的是偶數場(chǎng)，光點(diǎn)實(shí)際應在第2n行;若7腳輸出1，表明掃描的是奇數場(chǎng)，光點(diǎn)實(shí)際應在第2n-1行。

　　根據以上所述的行、場(chǎng)計數邏輯關(guān)系，可以用硬件描述語(yǔ)言(HDL)設計數字電路。在綜合、仿真后，通過(guò)下載線(xiàn)將程序寫(xiě)入CPLD中，通過(guò)JTAG口可以方便地調試程序。

　　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，電路測得的坐標實(shí)際為光斑左上解某點(diǎn)的坐標，而不是光斑中心點(diǎn)的坐標，故還需要對此值進(jìn)行校正，才能得到光斑中心點(diǎn)較準確的坐標位置。校正值應根據實(shí)際情況下光斑的大小來(lái)確定。