采用视频方式的点坐标测量方法

摘要：

介绍了一种采用视频方式的点坐标测量方法。方案设计巧妙，测量方法稳定了可靠、精度高。该方法采用CCD摄像头拍摄屏幕画面获取光点信号，对摄像头输出的视频信号经过处理后，得到需要的一系列数字信号，然后在CPLD中完成数字逻辑功能，最终得到点的坐标。

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。

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。

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。

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。

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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。

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。

根据以上所述的行、场计数逻辑关系，可以用硬件描述语言(HDL)设计数字电路。在综合、仿真后，通过下载线将程序写入CPLD中，通过JTAG口可以方便地调试程序。

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。