原创 基于CPLD的视频叠加

上个月接到任务，要求设计一视频钻孔机，用摄像头检测孔位，脚踏开关控制电机钻孔。由于要对准孔位，因此显示器上要有一参考标记。终合考虑，认为采用十字坐标对准孔位的方式比较准确，故此项目的主要难点在于如何在视频信号中叠加一个十字坐标的信号与图像同时在显示器中显示出来。

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我们知道在电视系统中，为了能正确地重现图像，要求收端（监视器）与发端（摄像头）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，甚至无法重现，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。

因此若要人为的在视频中加入十字坐标显示，则需在摄像头输出的视频信号中将行场同步分离，并在指定的行和场叠加高脉冲信号。

原理框图及实现方案如下：

图 1、 视频十字座标显示原理框图

一、行场同步分离

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2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。

图 2、LM1881连接图及工作波形示意图

二、在显示器指定位置画线

图 3、 视频信号波形

1）在显示器中指定的列画点

在视频信号中，一个行同步脉冲表示扫描一行，而一个行同步脉冲上所叠加的大小不同的模拟量则表示一幅画面在这一行中不同的灰度值，模拟电压值越大灰度越小；因此若要在监视器中某列显示一个亮点，则只需要在该同步脉冲的一个周期内将指定列处的模拟电压值变大即可。

例如在N行中间列显示一个亮点，波形图如下：

2）在显示器中指定的行画点

根据电视机原理，行频为15625Hz，场频为50Hz，也就是说在场同步信号一个周期内有15626/50＝312.5个行同步脉冲，而这312.5个行同步脉冲正对应于一幅图像的312.5个行。因此若要选择某一行，只需要在场同步脉冲上升沿到来时对行同步脉冲进行计数即可。

例如要选择中间行，可采用一计数器，当场同步脉冲上升沿到来时对行同步脉冲计数，计到312/2为止。（由于这里只是画线，对线的分辩率不作要求，因此不考虑奇偶场）

三、十字坐标的实现

采用CPLD，取同步分离芯片的复合同步信号输出，场同步信号输出。当复合同步信号的上升沿到来时，对系统时钟（24MHz）计数，当场同步信号上升沿到来时对复合同步脉冲计数，当系统时钟计数计等于24000000/15625/2＝768且复合同步脉冲计数计到106～206时输出一个高脉冲（5V峰峰值）。再将该信号与原视频信号叠加，即可在显示屏正中显示一垂直线，如下图：

当复合同步信号的上升沿到来时，对系统时钟（24MHz）计数，当场同步信号上升沿到来时对复合同步脉冲计数，当系统时钟计数计到558～938且复合同步脉冲计数等于156时输出一个高脉冲（5V峰峰值）。再将该信号与原视频信号叠加，即可在显示屏正中显示一水平线，如下图：

再将两路输出信号或逻辑，即可得到十字坐标的显示。

本文介绍了电视机行场扫描的原理，提出了一种视频信号叠加的思路，采用CPLD作为控制器，方便灵活，只需根据一定的算法还可实现任意图形和汉字字符的叠加，由于时间有限，本文不再叙述。

附录：

1、  原理图