采用視頻方式的點坐標測量方法

采用視頻方式的點坐標測量方法

摘要：介紹了一種采用視頻方式的點坐標測量方法。方案設計巧妙，測量方法穩定了可靠、精度高。該方法采用CCD攝像頭拍攝屏幕畫面獲取光點信號，對攝像頭輸出的視頻信號經過處理后，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，最終得到點的坐標。

測量一幅畫面中某點的坐標，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不便。本文介紹一種自動測量點坐標的實現方案。

1 系統總體設計方案

該方案測量對象是光點，在實驗中用紅色激光筆產生，使用加入紅色濾光片的CCD攝像頭。攝像頭拍下屏幕的畫面后，將其輸出的視頻信號同時送入同步分離電路和前置放大器。經過同步分離電路后，分別得到復合同步信號和場同步信號；經過前置放大電路放大、反相后，輸入到鉗位放大器。當有光點落在屏幕上時，視頻信號的白電平處會產生尖脈沖。通過高速比較器可以截獲這個尖脈沖信號（即光信號）。該方案預處理電路結構見圖1。

復合同步信號與光信號分別作為RS觸發器的R、S輸入信號，觸發器輸出端Q輸出的脈沖、振蕩器輸出脈沖以及經過延時的復合同步信號一起輸入三輸入與非門，與非門輸出脈沖中作出水平計數器的計數脈沖。當光脈沖到來時，水平計數器停止計數并將數值寫入水平鎖存器。復合同步信號同時也作為水平計數器的清零信號，在它的下一個下降沿（即下一行）使計數器清零，進入新一輪水平計數狀態。該方案行計數器結構見圖2。

與圖2類似，場同步信號與光信號分別作為RS觸發器的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同步信號經過三輸入與門后，輸出的脈沖作為垂直計數器的計數脈沖。光脈沖到來時，垂直計數器停止計數并將其中的內容寫入垂直鎖存器。場同步信號同時也作為垂直計數器的清零信號，在下一場開始前將其清零，進入新一輪垂直計數狀態。該方案場計數器結構見圖3。

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

2 系統方案實現

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，收端就可以重現發端圖像并認為是同步的。當收端、發端的頻率、相位不同時，圖像將被破壞，產生畸變，甚至無法重視，因此在圖像信號中加入了同步脈沖。在發送端，每當掃完一行圖像時，加入一個行同步脈沖，每掃完一場圖像時加入一個場同步脈沖。它們與圖像信號一起被發送出去。在接收端，使行掃描鋸齒波電流只有當行同步脈沖到達進才開始逆程期，而場掃描齒波電流也只有在場同步脈沖到達時才開始逆程期。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、場消隱脈沖，這時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、場消隱信號這三種信號組合起來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；場頻為50Hz，場同步脈寬為2.5×1/15625=160μs。

在該方案中，使用專用芯片LM1881將行、場同步脈沖分離出來。LM1881是正極性圖像信號輸入、TTL電平輸出芯片，從而簡化了電路。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腳輸出奇偶場指示信號。

2.2 鉗位放大器

反極性圖像信號加到解集成電路AN5612的1腳，在其內部進行視頻放大，增益由18腳外接對比度電位器R1控制。頻率特性由R3、C7組成的網絡進行高頻補償。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。為了克服這個缺點，可采用直流耦合放大，但由于一般的直流耦合放大容易產生溫漂，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。這部分電路見圖5.AN5612的7腳輸出R基色信號，作為比較器LM361的一路輸入。

2.3 比較器

比較器選用LM371，最高速度達到20ns，AN5612的7腳輸出的R基色信號作為LM361的一路輸入信號input1；另一路輸入input2為參考，通過試驗，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系可以表示如下：

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