采用视频方式的点坐标测量方法
采用视频方式的点坐标测量方法 关键词：点坐标 视频 CPLD 测量一幅画面中某点的坐标，大多采用人工方法。但在有些工作条件下， 这种方法给工作人员带来不便。本文介绍一种自动测量点坐标的实现方案。1 系统总体设计方案 该方案测量对象是光点，在实验中用红色激光笔产生，使用加入红色滤光 片的CCD摄像头。摄像头拍下屏幕的画面后，将其输出的视频信号同时送入同步 分离电路和前置放大器。经过同步分离电路后，分别得到复合同步信号和场同步 信号；
经过前置放大电路放大、反相后，输入到钳位放大器。当有光点落在屏幕 上时，视频信号的白电平处会产生尖脉冲。通过高速比较器可以截获这个尖脉冲 信号（即光信号）。该方案预处理电路结构见图1。
复合同步信号与光信号分别作为RS触发器的R、S输入信号，触发器输出端 Q输出的脉冲、振荡器输出脉冲以及经过延时的复合同步信号一起输入三输入与 非门，与非门输出脉冲中作出水平计数器的计数脉冲。当光脉冲到来时，水平计 数器停止计数并将数值写入水平锁存器。复合同步信号同时也作为水平计数器的 清零信号，在它的下一个下降沿（即下一行）使计数器清零，进入新一轮水平计 数状态。该方案行计数器结构见图2。
与图2类似，场同步信号与光信号分别作为RS触发器的R、S输入信号，输 出信号Q与复合同步信号以及延迟后的场同步信号经过三输入与门后，输出的脉 冲作为垂直计数器的计数脉冲。光脉冲到来时，垂直计数器停止计数并将其中的 内容写入垂直锁存器。场同步信号同时也作为垂直计数器的清零信号，在下一场 开始前将其清零，进入新一轮垂直计数状态。该方案场计数器结构见图3。
水平锁存器和垂直锁存器中的数值即为光点的坐标，这样就测量出图像中 某光点的位置。
2 系统方案实现 2.1 同步分离电路在电视系统中，为了能正确地重现图像，要求收端与发端同步扫描。只要 扫描频率相同、起始相位相同，收端就可以重现发端图像并认为是同步的。当收 端、发端的频率、相位不同时，图像将被破坏，产生畸变，甚至无法重视，因此 在图像信号中加入了同步脉冲。在发送端，每当扫完一行图像时，加入一个行同 步脉冲，每扫完一场图像时加入一个场同步脉冲。它们与图像信号一起被发送出 去。在接收端，使行扫描锯齿波电流只有当行同步脉冲到达进才开始逆程期，而 场扫描齿波电流也只有在场同步脉冲到达时才开始逆程期。这样就保证了同步。
为了使扫描逆程光栅不显示（消隐），还需要加入行、场消隐脉冲，这时的图像 信号电平成为消隐电平。摄像头输出的是将图像信号，同步信号，行、场消隐信 号这三种信号组合起来形成的黑白全电视信号。我国电视规定：行频为15625Hz， 行同步脉宽为4.7μs；
场频为50Hz，场同步脉宽为2.5×1/15625=160μs。
在该方案中，使用专用芯片LM1881将行、场同步脉冲分离出来。LM1881 是正极性图像信号输入、TTL电平输出芯片，从而简化了电路。图4是LM1881的 连接图以及工作波形示意图。
正极性图像信号从2脚输入，在1脚和3脚分别输出复合同步信号和场同步 信号。5脚输出后沿脉冲信号，作为钳位放大器的钳位脉冲输入。7脚输出奇偶场 指示信号。
2.2 钳位放大器 反极性图像信号加到解集成电路AN5612的1脚，在其内部进行视频放大， 增益由18脚外接对比度电位器R1控制。频率特性由R3、C7组成的网络进行高频 补偿。4脚的外接膏药度电位器R5调节黑电平的高低。视频信号在加入AN5612 之前由于通过耦合电容失去了直流成分，因此，视频信号的消隐电平而改变。为 了克服这个缺点，可采用直流耦合放大，但由于一般的直流耦合放大容易产生温 漂，致使黑电平难以稳定。常用的办法是采用钳位电路，将复合同步脉冲延迟至 行消隐信号后肩，从而把亮度信号的消隐电平钳位于给定的直流电平上。LM1881 的5脚输出的信号即为所需要的钳位脉冲。这部分电路见图5.AN5612的7脚输出R 基色信号，作为比较器LM361的一路输入。
2.3 比较器 比较器选用LM371，最高速度达到20ns，AN5612的7脚输出的R基色信号作为LM361的一路输入信号input1；
另一路输入input2为参考，通过试验，其值取 为3.1V。LM361有两路互补的TTL电平输出output1和output2，它们与输入之间的 关系可以表示如下：
LM361的两路输出分别送入CPLD（复杂的可编程逻辑器件）。
2.4 数字逻辑电路 该方案的数字电路部分主要由CPLD构成，实现行计数和场计数功能。
CPLD选用ALTERA公司MAX7000S系列的EPM7128S，支持在系统可编程（In System Programming）。ISP技术及其器件是20世纪90年代迅速发展起来的一种 新技术与新器件。它使设计者能在产品设计、制造过程中对产品中的器件、电路 板乃至整个电子系统的逻辑和功能随时进行组态或重组。采用这种器件开发的数 字系统，升级与改进是极其方便的。
2.4.1 行计数 行计数的功能框图可参见图2，图6是实现行计数的波形示意图。复合同步 信号延迟10.5μs后至行消隐电平后肩。延迟至消隐电平的后肩是为了避免计数器 在行逆程期间计数，减小误差。行同步脉宽为4.7μs，而行消隐电平有5.8μμs的后 肩，故延迟时间定为10.5μs。在行消隐电平后肩时刻，三输入与非门开始输出 15MHz的计数脉冲，行计数器开始计数。当有光脉冲去到时（即LM361的9脚输 出低电平），RS触发器的输出Q跳变为“0”，故三输入与门输出“0”，计数停止计 数；
同时光脉冲触发锁存器，存储计数器中的数值，至此就获得了光点的行坐标。
下一行同步脉冲到来时，会将计数器清零，开始新一行的点坐标测量。
图5 AN5612连接电路 我国电视规定一行的周期为64μs。除去行消隐脉冲，这样在15MHz的计数 脉冲下，一行最多可计算的点数为（64-12）×15=780。也可以根据对精度要求的 不同，选用不同的时钟。
2.4.2 场计数 场计数实现的思想类似于行计数，只不过将复合同步信号替代为场同步信 号；
而场计数脉冲为复合同步脉冲，而不是15MHz脉冲信号。同样，为了避免场 计数器在场逆程期间计数，将场同步脉冲宽度延迟到1600μs。光信号到来时，计数器停止计数，并将数值入场锁存器。下一场同步脉冲到来时，将计数器清零， 开始新一场的点坐标测量。
由于摄像头采用隔行扫描方式，两场构成一帧画面，奇数场扫奇数行，偶 数场扫偶数行，所以此时得到的场坐标与实际值之间有较大误差。为了提高精度， 需要确定当前扫描的是奇数场还是偶数场。假设场计数器中的值为n，那么若 LM1881的7脚输出0，表明当前扫描的是偶数场，光点实际应在第2n行；
若7脚输 出1，表明扫描的是奇数场，光点实际应在第2n-1行。
图6 行计数器工作波形示意图 2.4.3 误差校正 由于光在空气中是发散的，所以实际上摄像头拍摄到的不是光点，而是光 斑。在本方案中，电路测得的坐标实际为光斑左上解某点的坐标，而不是光斑中 心点的坐标，故还需要对此值进行校正，才能得到光斑中心点较准确的坐标位置。
校正值应根据实际情况下光斑的大小来确定。
表1是在一个12.7cm×7.6cm的区域内，通过实验所得的三组数据。起始点 为这块区域的左上角一点。实验数据表明了方案设计的正确性。该方案已应用于 实际项目中，取得了良好的效果。
表1 实验数据表