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采用視頻方式的點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量方法
摘要：介紹了一種采用視頻方式的點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量方法。方案設(shè)計(jì)巧妙，測(cè)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(huà)面獲取光點(diǎn)信號(hào)，對(duì)攝像頭輸出的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，得到需要的一系列數(shù)字信號(hào)，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(cè)量一幅畫(huà)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(lái)不便。本文介紹一種自動(dòng)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方案。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
該方案測(cè)量對(duì)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(huà)面后，將其輸出的視頻信號(hào)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(fù)合同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)；經(jīng)過(guò)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(shí)，視頻信號(hào)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(hào)（即光信號(hào)）。該方案預(yù)處理電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
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復(fù)合同步信號(hào)與光信號(hào)分別作為RS觸發(fā)器的R、S輸入信號(hào)，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(guò)延時(shí)的復(fù)合同步信號(hào)一起輸入三輸入與非門(mén)，與非門(mén)輸出脈沖中作出水平計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)光脈沖到來(lái)時(shí)，水平計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)并將數(shù)值寫(xiě)入水平鎖存器。復(fù)合同步信號(hào)同時(shí)也作為水平計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)，在它的下一個(gè)下降沿（即下一行）使計(jì)數(shù)器清零，進(jìn)入新一輪水平計(jì)數(shù)狀態(tài)。該方案行計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
與圖2類(lèi)似，場(chǎng)同步信號(hào)與光信號(hào)分別作為RS觸發(fā)器的R、S輸入信號(hào)，輸出信號(hào)Q與復(fù)合同步信號(hào)以及延遲后的場(chǎng)同步信號(hào)經(jīng)過(guò)三輸入與門(mén)后，輸出的脈沖作為垂直計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。光脈沖到來(lái)時(shí)，垂直計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)并將其中的內(nèi)容寫(xiě)入垂直鎖存器。場(chǎng)同步信號(hào)同時(shí)也作為垂直計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)，在下一場(chǎng)開(kāi)始前將其清零，進(jìn)入新一輪垂直計(jì)數(shù)狀態(tài)。該方案場(chǎng)計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(cè)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(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(hào)中加入了同步脈沖。在發(fā)送端，每當(dāng)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(hào)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(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(dá)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(hào)電平成為消隱電平。攝像頭輸出的是將圖像信號(hào)，同步信號(hào)，行、場(chǎng)消隱信號(hào)這三種信號(hào)組合起來(lái)形成的黑白全電視信號(hào)。我國(guó)電視規(guī)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(hào)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(hào)從2腳輸入，在1腳和3腳分別輸出復(fù)合同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)。5腳輸出后沿脈沖信號(hào)，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(hào)。
2.2 鉗位放大器
反極性圖像信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)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(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(hào)后肩，從而把亮度信號(hào)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(hào)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(hào)，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(hào)作為L(zhǎng)M361的一路輸入信號(hào)input1；另一路輸入input2為參考，通過(guò)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(jì)數(shù)和場(chǎng)計(jì)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(lái)的一種新技術(shù)與新器件。它使設(shè)計(jì)者能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品中的器件、電路板乃至整個(gè)電子系統(tǒng)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(shù)字系統(tǒng)，升級(jí)與改進(jìn)是極其方便的。
2.4.1 行計(jì)數(shù)
行計(jì)數(shù)的功能框圖可參見(jiàn)圖2，圖6是實(shí)現(xiàn)行計(jì)數(shù)的波形示意圖。復(fù)合同步信號(hào)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(jì)數(shù)器在行逆程期間計(jì)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(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(jì)數(shù)脈沖，行計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)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)椤?”，故三輸入與門(mén)輸出“0”，計(jì)數(shù)停止計(jì)數(shù)；同時(shí)光脈沖觸發(fā)鎖存器，存儲(chǔ)計(jì)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(lái)時(shí)，會(huì)將計(jì)數(shù)器清零，開(kāi)始新一行的點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量。
圖5 AN5612連接電路
我國(guó)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(jì)數(shù)脈沖下，一行最多可計(jì)算的點(diǎn)數(shù)為（64-12）×15=780。也可以根據(jù)對(duì)精度要求的不同，選用不同的時(shí)鐘。
2.4.2 場(chǎng)計(jì)數(shù)
場(chǎng)計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的思想類(lèi)似于行計(jì)數(shù)，只不過(guò)將復(fù)合同步信號(hào)替代為場(chǎng)同步信號(hào)；而場(chǎng)計(jì)數(shù)脈沖為復(fù)合同步脈沖，而不是15MHz脈沖信號(hào)。同樣，為了避免場(chǎng)計(jì)數(shù)器在場(chǎng)逆程期間計(jì)數(shù)，將場(chǎng)同步脈沖寬度延遲到1600μs。光信號(hào)到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并將數(shù)值入場(chǎng)鎖存器。下一場(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí)，將計(jì)數(shù)器清零，開(kāi)始新一場(chǎng)的點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量。
由于攝像頭采用隔行掃描方式，兩場(chǎng)構(gòu)成一幀畫(huà)面，奇數(shù)場(chǎng)掃奇數(shù)行，偶數(shù)場(chǎng)掃偶數(shù)行，所以此時(shí)得到的場(chǎng)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(chǎng)還是偶數(shù)場(chǎng)。假設(shè)場(chǎng)計(jì)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(chǎng)，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(chǎng)，光點(diǎn)實(shí)際應(yīng)在第2n-1行。
圖6 行計(jì)數(shù)器工作波形示意圖
根據(jù)以上所述的行、場(chǎng)計(jì)數(shù)邏輯關(guān)系，可以用硬件描述語(yǔ)言（HDL）設(shè)計(jì)數(shù)字電路。在綜合、仿真后，通過(guò)下載線(xiàn)將程序?qū)懭隒PLD中，通過(guò)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(cè)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(duì)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(lái)確定。
表1是在一個(gè)12.7cm×7.6cm的區(qū)域內(nèi)，通過(guò)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(jì)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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