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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。關鍵詞：點坐標 視頻 CPLD
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。
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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：
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，實現行計數和場計數功能。CPLD選用ALTERA公司MAX7000S系列的EPM7128S，支持在系統可編程（In System Programming）。ISP技術及其器件是20世紀90年代迅速發展起來的一種新技術與新器件。它使設計者能在產品設計、制造過程中對產品中的器件、電路板乃至整個電子系統的邏輯和功能隨時進行組態或重組。采用這種器件開發的數字系統，升級與改進是極其方便的。
2.4.1 行計數
行計數的功能框圖可參見圖2，圖6是實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，故延遲時間定為10.5μs。在行消隱電平后肩時刻，三輸入與非門開始輸出15MHz的計數脈沖，行計數器開始計數。當有光脈沖去到時（即LM361的9腳輸出低電平），RS觸發器的輸出Q跳變為“0”，故三輸入與門輸出“0”，計數停止計數；同時光脈沖觸發鎖存器，存儲計數器中的數值，至此就獲得了光點的行坐標。下一行同步脈沖到來時，會將計數器清零，開始新一行的點坐標測量。
圖5 AN5612連接電路
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，選用不同的時鐘。
2.4.2 場計數
場計數實現的思想類似于行計數，只不過將復合同步信號替代為場同步信號；而場計數脈沖為復合同步脈沖，而不是15MHz脈沖信號。同樣，為了避免場計數器在場逆程期間計數，將場同步脈沖寬度延遲到1600μs。光信號到來時，計數器停止計數，并將數值入場鎖存器。下一場同步脈沖到來時，將計數器清零，開始新一場的點坐標測量。
由于攝像頭采用隔行掃描方式，兩場構成一幀畫面，奇數場掃奇數行，偶數場掃偶數行，所以此時得到的場坐標與實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還是偶數場。假設場計數器中的值為n，那么若LM1881的7腳輸出0，表明當前掃描的是偶數場，光點實際應在第2n行；若7腳輸出1，表明掃描的是奇數場，光點實際應在第2n-1行。
圖6 行計數器工作波形示意圖
根據以上所述的行、場計數邏輯關系，可以用硬件描述語言（HDL）設計數字電路。在綜合、仿真后，通過下載線將程序寫入CPLD中，通過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散的，所以實際上攝像頭拍攝到的不是光點，而是光斑。在本方案中，電路測得的坐標實際為光斑左上解某點的坐標，而不是光斑中心點的坐標，故還需要對此值進行校正，才能得到光斑中心點較準確的坐標位置。校正值應根據實際情況下光斑的大小來確定。
表1是在一個12.7cm×7.6cm的區域內，通過實驗所得的三組數據。起始點為這塊區域的左上角一點。實驗數據表明了方案設計的正確性。該方案已應用于實際項目中，取得了良好的效果。
表1 實驗數據表
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