基于89C52單片機和MB90092芯片實現(xiàn)視頻圖像疊加應用系統(tǒng)的設計

1、引言

隨著監(jiān)控現(xiàn)場的擴展和探頭數(shù)量增多，在監(jiān)控端的圖像顯示系統(tǒng)中，經(jīng)常需要接收外部數(shù)據(jù)并把相關的信息實時地連同圖像顯示在監(jiān)控屏幕上，以便使用人員知道該圖像信息以何種方式來自何處及與之相關的信息，時間，地區(qū)徽標，實時數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。但是對于監(jiān)控人員而言，監(jiān)控端遭到攻擊是一個值得擔心的問題，因此，改善技術方案和增強安全性是對目前狀況提出的一種迫切要求。監(jiān)控人員希望所看到的是得到驗證的真實圖像，無論時間、環(huán)境、探頭位置、角度和焦距都必須得到保證。在遠程監(jiān)控場合，有關重要部門的監(jiān)控者往往對于接收圖像的實時性和真實性不完全放心，尤其是如果對高科技對象實時監(jiān)控，那么，當監(jiān)控者因故臨時離開監(jiān)控臺一段時間后，由于不知道被監(jiān)控方是否對監(jiān)控系統(tǒng)進行了攻擊，故而往往有確認探頭工作正常和所見圖像真實性的要求。

引入對抗的概念設計了一種具備安全性保障的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了在屏幕上疊加動態(tài)偽隨機符號的方法防止系統(tǒng)在運行時監(jiān)控頭被拆卸。一旦線路被拆動，主監(jiān)控端給出的確認標識將不再顯示，從而檢測出被監(jiān)控方高科技人員隨意拆動監(jiān)控頭系統(tǒng)的行為，有效防止了因信號傳輸線路被隨意改動而導致偽圖像的引入，本系統(tǒng)能在一些要求高且監(jiān)控背景不具有環(huán)境特征的特殊場合應用，例如在背景為藍天、白墻和曠野等特殊場合及一些重要部門。

2、圖像疊加的原理及設計思路

為了達到圖像疊加的目的，必須先了解圖像傳送的原理，目前電路技術中采用順序（輪流）傳送像素的方法。在發(fā)送端按照各個像素的行列位置逐個發(fā)送到接收端，在接收端的顯示屏幕上，各個像素也是一個一個顯現(xiàn)的。所以，如果想在接收端得到預期的影像，發(fā)送端與接收端必須同步。所謂疊加，就是保證經(jīng)視頻信號提取電路分理出的行和場信號與所需疊加的圖像信號符合同步要求的條件下，在視頻信號相應的位置疊加圖標信號的電平。

為了防止被監(jiān)控對象私自改動線路和引入虛假圖像來迷惑監(jiān)控者，本設計引入了對抗的思路：一是設計的監(jiān)控頭附加電路采用偽隨機序列編碼顯示各種類型的圖形或字符，而遠程監(jiān)控中心也采用與之相對應的偽隨機序列編碼來檢測各種類型的圖形或字符，由于各探頭所使用的編碼均不相同，所以可防止非法調換監(jiān)控頭。二是采用硬件視頻信號檢測電路，能檢測出在運行過程中傳輸線路與監(jiān)控頭設備可能發(fā)生的分離現(xiàn)象，從而采取相應措施。

3、系統(tǒng)設計

本文介紹的圖像疊加應用系統(tǒng)采用了3塊主要電路：89C52型單片機、MB90092型專用字符疊加電路和LA7806型同步分離器。其中，MB90092對模擬視頻輸入信號進行字符及圖形疊加并產(chǎn)生混合信號，89C52處理待顯字符圖標及報警；LA7806實現(xiàn)行信號和場信號的分離。

3.1 硬件電路的設計及模塊

本視頻圖像疊加系統(tǒng)探頭部分附加的硬件結構如圖1所示。其主要工作原理是89C52按照控制要求向MB90092發(fā)送控制命令，如顯示控制和VRAM寫地址控制等，而探頭發(fā)出的視頻信號經(jīng)LA7806分離出行和場同步信號后與原視頻信號一同輸入MB90092；MB90092根據(jù)單片機的指令讀取字庫MBM29F040中的字符并將圖像信號、疊加字符、符合消隱脈沖及復合同步脈沖按一定比例混合在一起，送出視頻輸出信號。由于線路被拆斷會導致視頻輸入/輸出信號的中斷，所以單片機還通過檢測LA7806，其是否有場同步來判斷視頻輸入信號的有無，通過輸出視頻信號檢測電路來判斷視頻輸出信號的有無。對于異常情況，89C52將收到中斷請求，隨后向MB90092發(fā)出停止顯示字符命令，以便向中央監(jiān)控室報警。

3.1.1 視頻箝位電路

視頻箝位電路是視頻輸入信號預處理模塊。MB90092接收的復合視頻信號電平是2Vp－p，而且需要有1V的直流偏置。因此，需要對攝像頭輸出的1Vp－p視頻信號電平進行箝位和放大。放大電路采用MAX457型視頻放大器，放大倍數(shù)為2。該電路選擇導通壓降相同二極管和三極管，通過調節(jié)電位器R2使D1負相端的箝位電壓為1V，同時輸出端的視頻信號（Vout）上疊加1V的直流偏置。

3.1.2 視頻信號同步分離電路

選用SANYO公司的LA7806型同步處理器。它從視頻信號中分理出復合同步、復合消隱等信號并使這些信號能同步協(xié)調工作。有些設計人員使用National Semiconductor公司的LM1881型行場分離器，該電路的集成度高，只需少量外圍電路就可有效地提取出視頻信號中的同步信號，但是在低信噪比（S/N）條件下，由于LM1881分離出的復合同步信號存在左右晃動的現(xiàn)象，導致整個系統(tǒng)的工作受到影響。

3.1.3 字符疊加模塊

FUJITSU公司的MB90092是用CMOS工藝制成的OSD可編程大規(guī)模集成電路，其功能框圖如圖2所示，具有視頻信號發(fā)生器、顯示存儲器（VRAM）和字形存儲器接口，只需少量外部元件就可具備字符和圖形顯示功能。MB90092可用于計算機控制的錄像機、VCD等視頻設備的屏幕字符顯示。該電路有視頻信號輸入/輸出功能，可作為一種通用的OSD，完成視頻信號與字符的疊加顯示?？赏饨?M字節(jié)的ROM，可在屏幕提供兩種疊加方法，分別稱為主屏疊加和副屏疊加。二者可獨立或重疊出現(xiàn)在監(jiān)視器上。主屏顯示支持的字符顯示點陣為24×32，顯示容量為12行，每行24個字符或漢字，每個字符可以是不同的顏色。字體大小的控制方式有標準（24×32點陣）、雙倍寬、雙倍高、雙倍寬×雙倍高、4倍寬×4倍高。顯示位置控制可設置水平方向和垂直方向的起始位置，同時可設定行距。MB90092的內部視頻信號發(fā)生器支持NTSC制式或PAL制式、可選擇逐行或隔行掃描方式，并可提供Y/C，復合視頻、R、G、B等多種方式輸出。副屏可以輔助主屏顯示附加信息，如windows的下拉菜單功能。同時，MB90092內部可自行產(chǎn)生同步信號，無需外加視頻信號和同步信號，可直接輸出疊加字符信號至監(jiān)視器，在監(jiān)視器上顯示不同背景顏色、不同漢字顏色的文本，MB90092只有3條通信線（CS，SCLK，SIN）與89C52進行通信，由于89C52本身沒有串行外設接口，因此，在軟件設計中，利用89C52的普通I/0口模擬串行通信，利用軟件實現(xiàn)模擬SPI方式進行通信，包括串行時鐘、數(shù)據(jù)輸入/輸出及片選信號，但是MB90092沒有輸入到89C52的通信線，此模擬SPI系統(tǒng)總線只需3條線即可實現(xiàn)。

MB90092與外部單片機的接口時序如圖3所示。首先，CS片選有效，在每個時鐘的上升沿，DATA數(shù)據(jù)1的bit進入MB90092內部的串行移位寄存器，8bit為一個字節(jié)，然后CS和SCLK分別為高電平，作為一個字節(jié)的結束，接著發(fā)送下個字節(jié)，在串行傳輸中，時鐘對收到的bit計數(shù)，通過強制CS為高電平，可以復位串行傳輸，通過強制CS從高電平到低電平，清除復位，使得隨后的8bit數(shù)據(jù)是一個字節(jié)數(shù)據(jù)。如果在8bit數(shù)據(jù)中間CS變?yōu)楦唠娖剑瑒t這個數(shù)據(jù)無效。

3.1.4 漢字字庫模塊

漢字字庫模塊采用外掛的MBM29F040 型Flash存儲器，其中，存儲所需疊加的字符每個都由24×32個點陣組成，即每一個字符由96個字節(jié)數(shù)據(jù)表示。根據(jù)電路與外部字符存儲器的地址接口關系及電路讀取點陣數(shù)據(jù)的順序，事前將所需字符燒錄到外部存儲器中。這樣的外部字符存儲器給設計帶來很大的方便。系統(tǒng)可以根據(jù)需要隨時更改字符點陣。

3.1.5 緩沖放大模塊

輸出緩沖放大采用MAX470型放大器，該電路內含4個相同的視頻放大器。各個輸入端之間和各個輸出端之前均用地線或電源線隔開，每塊視頻輸出插板需要2個MAX470。該電路的主要特點是帶寬為90MHz，增益為2V/V，微分增益為0.01％，微分相位為0.03°，轉換速率為300/μs，切換時間為20ns，輸入電容為5pF，輸出可設定為高阻態(tài)以減少功率消耗。

3.1.6 傳輸線路中斷檢測

線路檢測的目的有二：一是有沒有視頻輸入信號；二是視頻輸出信號是不是被切斷。其中，通過檢測是否有場同步判斷有無視頻輸入信號。視頻信號經(jīng)LA7806同步分離后，把場同步信號接入89C52的P3.3作為外部中斷源。正常情況下，由MB90092輸出的視頻疊加混合信號（Vout）存在相應的電流和電壓。若傳輸線路被人切斷，線路電流也被切斷。為了保證工作可靠，在經(jīng)過一定的時延（使用施密特觸發(fā)器）后，如果進行檢測的模擬線路還檢測出電流停止的情況，則可確認線路被切斷，從而向單片機的外部中斷提出報警中斷請求。

本設計方案是設置單片機中的某一單元。由于單片機中的ROM單元為Flash Memory，不會自動恢復，單片機在運行中每給MB90092發(fā)送一次字符前都要檢測該單元，若發(fā)現(xiàn)該單元置位，將永久性拒絕繼續(xù)發(fā)送疊加字符，因此無論線路是否恢復正常，監(jiān)控者在此后任意時間內都能發(fā)現(xiàn)線路變動的情況。

3.2 圖像疊加系統(tǒng)的軟件

本項目需要在原始視頻信號上疊加圖像信息以滿足監(jiān)控需要和檢測偷換視頻監(jiān)控頭的作假行為。因此，單片機要控制疊加輸出的字符圖像，還要按照偽隨機序列的安排給出所選字符及其顏色、位置和背景等信息。給出待疊加顯示的字符指令的同時給出字符的顏色、位置、背景等指令。通過指針對于各條指令入口地址的偽隨機變動，每一指令選取地址的序列形成一個看似無序的偽隨機序列，這樣可以更有效地防止被監(jiān)控方識破標識而發(fā)生的造假。

軟件流程先對程序初始化，再從MBM29F040中調取字幕種類和顯示位置數(shù)據(jù)填充MB90092，結合輸入的原視頻及其同步分離信號混合輸出。輸出從信號中檢測的異常情況引起中斷，導致單片機外部中斷的變化，清除顯示字符疊加標志，程序停止發(fā)送字符。

4、遠程檢測報警系統(tǒng)

為了使中央控制室的監(jiān)控人員能夠發(fā)現(xiàn)設備的異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)要對相應的情況進行報警。線路被切斷的情況在一節(jié)已經(jīng)介紹，本節(jié)介紹的遠程檢測報警系統(tǒng)主要檢測探頭被非法更換的情況。這種情況可以通過人工檢測或計算機檢測，人工檢測僅僅可以看出字符與字符顯示間比較大的差異，肉眼難以分辨的顯示具體位置、外形相近的圖標等還必須依靠遠程計算機檢測報警系統(tǒng)。筆者所設計的系統(tǒng)處于中央監(jiān)控室內以配合常規(guī)中央監(jiān)控系統(tǒng)。通過截取各個現(xiàn)場監(jiān)控頭圖像并對其進行分析，發(fā)現(xiàn)異常并報警。

遠程檢測報警分為4個步驟：

（1）利用原中央監(jiān)控系統(tǒng)提供的功能截取探頭圖像；

（2）對該圖像進行處理，分割出疊加的徽標；

（3）對徽標進行識別，得到有關參數(shù)；

（4）與相應的偽隨機序列進行查配。

其流程如圖4所示。

中央監(jiān)控系統(tǒng)裝有監(jiān)控軟件，該軟件包含網(wǎng)絡通訊程序、軟解碼程序和錄像程序。網(wǎng)絡通訊程序與被監(jiān)控端探頭連接，提供實時監(jiān)控，接收實時視頻疊加圖像。錄像程序支持在實時監(jiān)控的同時把實時監(jiān)控的分離視頻信號的數(shù)據(jù)流分別記錄到硬盤上，提供錄像資料的管理和檢索。檢測報警系統(tǒng)利用中央監(jiān)控系統(tǒng)提供的部分功能。

報警系統(tǒng)程序可依據(jù)被監(jiān)控端圖像疊加過程中對于圖標顯示的地址，選擇的字符及其特性都要做出對應的畫面截取、分割及偽隨機序列查配，得到的分離結果與監(jiān)控現(xiàn)場的疊加處理是完全一一對應的逆過程。

5、結束語

設計的監(jiān)控系統(tǒng)加載了漢字字庫模塊，編輯功能更強，反攻擊性更高、效果更明顯。硬件設計中結合了單片機微處理器控制的軟件程序，達到了防調換視頻設備的效果，可確保監(jiān)控圖像的實時性和準確性。

責任編輯：gt