一種帶字符疊加的畫(huà)中畫(huà)視頻處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：介紹一款帶有字符疊加功能的畫(huà)中畫(huà)視頻處理器，將兩路視頻輸入信號(hào)處理后在屏幕上顯示一大一小兩個(gè)可調(diào)畫(huà)面，減少多畫(huà)面監(jiān)控所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，并提高視頻安全性。通過(guò)內(nèi)部字符點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換，能在畫(huà)面疊加任意字符信息，提供更為詳細(xì)具體的畫(huà)面信息，可廣泛應(yīng)用于審訊、交通、銀行等部門(mén)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：字符疊加；畫(huà)中畫(huà)；視頻處理器；視頻監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN941．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用畫(huà)面分割器或視頻矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)多畫(huà)面監(jiān)控，每一路視頻信號(hào)的保存給存儲(chǔ)空間提出了很高的要求。畫(huà)中畫(huà)視頻處理器可以將兩路或更多視頻信號(hào)疊加成一路信號(hào)，在這一路信號(hào)上同時(shí)混入多路視頻的數(shù)據(jù)，大大地減小了存儲(chǔ)空間，而且其連續(xù)的視頻流還能夠防止人為修改畫(huà)面信息，在視頻數(shù)據(jù)安全性及保存時(shí)限要求較高的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

畫(huà)中畫(huà)(Picture in Picture，PIP)，即在一個(gè)屏幕上同時(shí)顯示不同通道的兩個(gè)或多個(gè)畫(huà)面，并能實(shí)現(xiàn)畫(huà)面的調(diào)整、切換等。目前國(guó)內(nèi)畫(huà)中畫(huà)視頻處理器基本都是只對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理，而在需要記錄環(huán)境和特定的字符信息，包括日期時(shí)間、溫度濕度信息以及標(biāo)題等時(shí)，則采用外部字符疊加器來(lái)實(shí)現(xiàn)字符疊加。本文介紹一種集成字符疊加功能的畫(huà)中畫(huà)視頻處理系統(tǒng)，將字符信息混入視頻信號(hào)中，從而在屏幕的特定位置上與圖像信號(hào)同時(shí)進(jìn)行顯示，不僅可以疊加靜態(tài)字符，還能與上位機(jī)通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)任意字符的動(dòng)態(tài)疊加，脫離上位機(jī)仍能顯示并保存字符，從而簡(jiǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)的工程實(shí)施，降低成本。

2 功能原理

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)Nextchip公司的視頻處理芯片NVC1001的讀寫(xiě)控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)處理和字符疊加功能。NVC1001是一款功能強(qiáng)大的專用芯片，支持NTSC和PAL視頻制式，具有四路視頻輸入兩路視頻輸出(為敘述方便，僅以兩路輸入一路輸出為例)，通過(guò)內(nèi)部寄存器的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每路視頻輸入的位置和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有OSD(On Screen Display)功能，能夠?qū)⒒烊胍曨l信號(hào)的字符信息在屏幕上顯示出來(lái)。

2．1 畫(huà)中畫(huà)原理

視頻處理芯片NVCl001通過(guò)設(shè)置相關(guān)寄存器來(lái)支持畫(huà)中畫(huà)模式，最主要的寄存器如圖1所示，其中CHEAN和CH_PIP控制每路輸入信號(hào)的顯示使能和畫(huà)中畫(huà)功能使能，CHEAN為高時(shí)該通道輸出顯示使能，而CH_PIP為高時(shí)則該通道進(jìn)入畫(huà)中畫(huà)模式，即顯示為小畫(huà)面，為低時(shí)顯示普通的大畫(huà)面，通過(guò)改變其值能實(shí)現(xiàn)大小畫(huà)面之間的無(wú)混疊切換；CH_HL、CH_HR、CH_VT、CH_VB則是設(shè)置通道01畫(huà)面的位置坐標(biāo)(以通道01為例)，通過(guò)設(shè)置不同值來(lái)調(diào)節(jié)畫(huà)面在屏幕的顯示位置；而其內(nèi)建高性能的H／V定標(biāo)器由SCALE來(lái)控制，設(shè)置為000～111來(lái)調(diào)用7檔不同的大小比例。

2．2 字符疊加原理

字符一般以點(diǎn)陣形式存儲(chǔ)，通過(guò)一定的掃描方式逐個(gè)把點(diǎn)陣描繪出來(lái)并輸出至顯示設(shè)備。以HZKl6中的16*16點(diǎn)陣為例，它使用32字節(jié)數(shù)據(jù)(256個(gè)象素點(diǎn))來(lái)描述一個(gè)漢字，每個(gè)象數(shù)點(diǎn)的顏色分為前景色和背景色，分別用1和0表示，如圖2所示。將所有常用字符的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)按照一定的排列順序存放在一起，就形成了點(diǎn)陣字庫(kù)。

在視頻系統(tǒng)中疊加字符時(shí)，如果前端攝像頭所攝取的畫(huà)面與字符的前景色相同或相近時(shí)，字符將被混淆而不能識(shí)別。因此需要通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換算法，使這些點(diǎn)陣信息具有邊框?qū)傩?，例如白字黑邊，這樣在不同的色彩環(huán)境下均能清晰地顯示字符信息。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于能通過(guò)單片機(jī)將標(biāo)準(zhǔn)字符點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換為符合NVC1001 OSD功能的字符信息，用2bit參數(shù)來(lái)表示字符的前景色、邊框和背景色，在對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行畫(huà)中畫(huà)處理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣信息的轉(zhuǎn)換和疊加，而不需要另外的CPU和專用字符疊加芯片來(lái)進(jìn)行計(jì)算處理。

具體轉(zhuǎn)換過(guò)程為：某字符32字節(jié)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)存放在Character_Buf[32]中，在其每一位右邊插入一個(gè)0，即擴(kuò)展為64字節(jié)數(shù)據(jù)并寫(xiě)入NVC_Char-acter_Buf[64]。此時(shí)原點(diǎn)陣數(shù)據(jù)中的1轉(zhuǎn)換成10，0則由00表示，也即是前景色表示成10，背景色表示成00。這樣就可以判斷每字節(jié)數(shù)據(jù)中偶數(shù)位為1的相鄰8個(gè)偶數(shù)位的值，為1則表示該點(diǎn)也是屬于字符前景色，為0則認(rèn)為是字符的邊框，將該0位右邊的對(duì)應(yīng)奇數(shù)位置1，該點(diǎn)就表示成01了。

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)字符點(diǎn)陣所有偶數(shù)位的判斷和計(jì)算后，逐次更新NVC_Character Buf[64]得到新的字符信息，此也即是系統(tǒng)待疊加的字符信息。這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出兩點(diǎn)要求：一是準(zhǔn)確讀取固化于存儲(chǔ)芯片中的標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)點(diǎn)陣信息，并通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)正確轉(zhuǎn)換；二是要求較高的單片機(jī)處理速度，完成一連串處理命令時(shí)保證字符顯示的連續(xù)性，不出現(xiàn)明顯的停頓感。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的字符疊加功能是以NVC1001為核心，通過(guò)單片機(jī)W77E58的控制，并輔以一些外圍的電路和器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。硬件設(shè)計(jì)包括視頻解碼電路、視頻信號(hào)處理電路、控制電路、通信接口電路及存儲(chǔ)電路，如圖3所示。

視頻解碼電路：設(shè)計(jì)上選用解碼芯片NVP1000A，它具有全數(shù)字同步鎖相電路、自動(dòng)增益放大器和高性能二維Y／C梳狀濾波器等，支持12C協(xié)議，及可編程調(diào)節(jié)的亮度、對(duì)比度、色飽和度。從外部獲得的兩路復(fù)合視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)NVP1000A內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換、濾波、解碼及校準(zhǔn)電路后得到Y(jié)、Cb、Cr的數(shù)字色差信號(hào)，最后通過(guò)54M的二分頻時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制兩路信號(hào)的獨(dú)立分時(shí)輸出。

視頻信號(hào)處理電路：作為視頻信號(hào)處理和字符疊加的核心部分，NVC1001與四個(gè)部分進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。解碼電路輸出的8位數(shù)字視頻信號(hào)同時(shí)接入VIN_01和VIN_02，并由CLK_01和CLK_02時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制輸入選通；8根數(shù)據(jù)線MAD[7：0]經(jīng)+5V上拉電阻后與單片機(jī)的P0口相連，來(lái)實(shí)現(xiàn)寄存器的初始化、設(shè)置和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)；監(jiān)視器組的36個(gè)接口管腳與16M的SDRAM對(duì)應(yīng)管腳直接相連，最后的復(fù)合視頻信號(hào)Y／C經(jīng)視頻驅(qū)動(dòng)芯片放大后即可輸入到顯示設(shè)備。

控制電路：選用Winbond公司的快速單片機(jī)W77E58，通過(guò)全新設(shè)計(jì)的微處理器內(nèi)核，去除多余的時(shí)鐘和存儲(chǔ)周期，在相同的晶振頻率下，其運(yùn)行速度比傳統(tǒng)8051系列快1.5到3倍，給復(fù)雜字符點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換和疊加提供保證，即使?jié)M屏顯示字符也不會(huì)有大的停留感。1K的SRAM也給字符轉(zhuǎn)換所需的緩存區(qū)提供足夠空間。

通信接口電路：具有RS232、RS485兩個(gè)串口來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)與外圍設(shè)備的連接，可同時(shí)與PC上位機(jī)和溫濕度傳感器等進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制和溫度濕度信息的靜態(tài)疊加顯示。 存儲(chǔ)電路：NVC1001支持標(biāo)準(zhǔn)16M～256M的SDRAM直連，給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便，根據(jù)視頻輸入通道數(shù)來(lái)選擇存儲(chǔ)容量不同的SDRAM，用于保存待處理的視頻信號(hào)數(shù)據(jù)，得到實(shí)時(shí)流暢的視頻輸出。AT24C16用于存放各種需掉電保存的數(shù)據(jù)，包括視頻處理芯片的寄存器、參數(shù)設(shè)置以及字符數(shù)據(jù)等，也同樣支持12C協(xié)議，而SST25VF020則用于存儲(chǔ)14*14的一級(jí)、二級(jí)常用漢字庫(kù)(每個(gè)字符以32字節(jié)存儲(chǔ)，由其它程序裝入)，通過(guò)SPI協(xié)議與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，節(jié)省了單片機(jī)的硬件資源。

4 功能實(shí)現(xiàn)

處理器功能通過(guò)單片機(jī)程序和上位機(jī)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)程序主要包括初始化模塊(管腳、串口、各芯片相關(guān)寄存器)、讀取存儲(chǔ)器保存的數(shù)據(jù)信息模塊、讀字符點(diǎn)陣模塊、字符點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤(pán)掃描模塊及與上位機(jī)通信程序模塊；而上位機(jī)通過(guò)串口通訊向單片機(jī)發(fā)出各種控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)畫(huà)面屬性和字符疊加的控制等。

4．1 單片機(jī)程序

單片機(jī)執(zhí)行初始化程序后，根據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)置各芯片寄存器，調(diào)節(jié)各通道畫(huà)面屬性和信息，再把要疊加的字符串點(diǎn)陣數(shù)據(jù)依次從Flash中讀出，并完成字符逐個(gè)轉(zhuǎn)換和疊加顯示，然后等待鍵盤(pán)輸入和上位機(jī)的控制命令，程序流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后初始化各管腳、定時(shí)器、串口等，設(shè)置制式標(biāo)志寄存器，并按視頻制式來(lái)設(shè)置畫(huà)面質(zhì)量、畫(huà)面顯示及其模式、畫(huà)面的位置和大小等，還原掉電前的屬性設(shè)置；根據(jù)鍵盤(pán)輸入和上位機(jī)通信命令去執(zhí)行相應(yīng)的子程序，并在每次修改寄存器之前，將其設(shè)置值寫(xiě)入存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)掉電保存的功能。

除了執(zhí)行畫(huà)中畫(huà)功能外，還根據(jù)上位機(jī)命令執(zhí)行字符疊加功能，按疊加要求把相應(yīng)的字符信息顯示在屏幕的指定位置。

4．2 字符點(diǎn)陣信息讀取

標(biāo)準(zhǔn)漢字字庫(kù)中漢字是以兩個(gè)字節(jié)的機(jī)內(nèi)碼形式存儲(chǔ)，第一個(gè)字節(jié)為區(qū)碼，為了與ASCII碼區(qū)別，范圍從0A1H開(kāi)始(小于80H的為ASCH碼字符)，對(duì)應(yīng)區(qū)位碼中的第一區(qū)；第二個(gè)字節(jié)為位碼，范圍也從0A1H開(kāi)始，對(duì)應(yīng)某區(qū)中的第一個(gè)位碼，這樣，將漢字機(jī)內(nèi)碼減去0A1A1H就得該漢字的區(qū)位碼，進(jìn)而計(jì)算其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)偏移量。以HZKl6中某漢字的機(jī)內(nèi)碼為例來(lái)計(jì)算其區(qū)位碼和存儲(chǔ)偏移量：

區(qū)碼X=(機(jī)內(nèi)碼字節(jié)1-0xAl)

位碼Y=(機(jī)內(nèi)碼字節(jié)2-0xAl)

偏移量OFFSET=(X*94+Y)*32

(HZK24則乘以48來(lái)計(jì)算偏移量)

根據(jù)計(jì)算出的偏移量就能得到字符存儲(chǔ)的起始位置，只需將其后的連續(xù)32個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)讀出，就得到了字符的點(diǎn)陣信息。

單片機(jī)將每次接收到的字符串顯示位置和內(nèi)碼信息都保存在存儲(chǔ)器中，下次上電時(shí)查詢、判斷相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)并讀出數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后把它們顯示在畫(huà)面上，實(shí)現(xiàn)字符信息的掉電保存功能。同樣可以在程序代碼中寫(xiě)入固定的字符機(jī)內(nèi)碼，程序運(yùn)行時(shí)自動(dòng)完成靜態(tài)字符的疊加，在某些應(yīng)用中就可以完全脫離上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)字符顯示。

4．3 字符點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換算法

視頻處理芯片NVC1001根據(jù)所要疊加的點(diǎn)陣信息來(lái)設(shè)置點(diǎn)的屬性寄存器MDATA，而EXTV和EXTH則是確定疊加字符的位置坐標(biāo)，由芯片提供的屏蔽功能MMask來(lái)判斷該點(diǎn)信息是否寫(xiě)入SDRAM，即混入到視頻流中，最終視頻輸出實(shí)現(xiàn)字符疊加。點(diǎn)的屬性參數(shù)有Mix、Blink、Index1、Index2，分別對(duì)應(yīng)亮度、閃爍以及顏色。字符點(diǎn)陣轉(zhuǎn)換就是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)點(diǎn)陣的每個(gè)點(diǎn)來(lái)判斷其周?chē)鼽c(diǎn)的屬性，并用Index1、Index2來(lái)表示，設(shè)置不同的數(shù)值去調(diào)用不同的顏色LUT，或?yàn)榍熬吧驗(yàn)檫吙?，或?yàn)楸尘吧?/p>

有一點(diǎn)需要注意的是：標(biāo)準(zhǔn)字符點(diǎn)陣信息是高位在前，低位在后，而NVC1001中的MDATA描述點(diǎn)陣則是低位在前高位在后，因此在字符轉(zhuǎn)換之前必須把32字節(jié)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)重新排列并擴(kuò)展為64字節(jié)存儲(chǔ)，再進(jìn)行字符邊框的判斷。通過(guò)設(shè)置顏色表LUT不同的值，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入MDATA就能以不同的顏色來(lái)顯示字符的前景色、邊框和背景色。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)將畫(huà)中畫(huà)視頻處理和字符疊加功能集于一體，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)字符疊加，功能齊全、操作方便、布線簡(jiǎn)單、成本低，已成功應(yīng)用于檢察院審訊室監(jiān)控系統(tǒng)中。應(yīng)用結(jié)果證明系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，有效地監(jiān)視目標(biāo)和記錄各項(xiàng)信息，取得良好的錄像監(jiān)控取證效果。本系統(tǒng)還能設(shè)置地址實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)上位機(jī)來(lái)控制多臺(tái)畫(huà)中畫(huà)處理器獨(dú)立顯示字符，在商場(chǎng)、銀行、交通管理等多點(diǎn)集中監(jiān)控場(chǎng)所具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。