视频监控系统中的字符叠加设计

１　实现ＯＳＤ功能的传统方案

视频监控系统通常存在多个被监控点，最终送入监视器的信号可能来自几十路、甚至几百路视频信号源。在监控端，这些视频信号可通过大规模视频矩阵开关切换到有限的监视器上。这样，在对监控点进行监视时一般需要在视频通道叠加一些相关信息，如：公司标志、摄像机的位置、时间、日期、报警信息等，实现这一功能的器件通常称作随屏显示（ＯＳＤ）器件。传统设计中一般是在视频矩阵开关的输出端串入一个专用的ＯＳＤ器件（见图１）。由于传统的ＯＳＤ器件无法直接驱动视频电缆，因而需要为每路输出配置额外的高速复用器和缓冲器，这样将使系统成本升高、电路变得比较复杂。

２　Ｍａｘｉｍ提供的ＯＳＤ方案

２．１ 视频矩阵开关

Ｍａｘｉｍ生产的ＭＡＸ４３５８ ３２×１６视频矩阵开关内部集成有图形或字符叠加电路（图２），其１６路输出级分别带有一路高速２：１模拟复用器。这样，需要叠加的图形／字符模拟视频信号可送入ＯＳＤ Ｆｉｌｌ输入端，同时将适当的叠加时序控制信号送至ＯＳＤ Ｋｅｙ输入端，然后利用ＯＳＤ Ｋｅｙ控制信号控制复用器的切换。当ＯＳＤ Ｋｅｙ为低电平时，复用器即可将图形／字符（ＯＳＤ Ｆｉｌｌ）信号切换到输出；而在ＯＳＤ Ｋｅｙ为高电平时，则将视频输入信号切换到输出端。复用器的开关时间典型值为４０ｎｓ，远远低于一个像素的时间宽度。ＭＡＸ４３５８输出缓冲器的增益可设置为＋１Ｖ／Ｖ或＋２Ｖ／Ｖ，这为近距离视频信号切换或驱动视频信号传输提供了一定的灵活性。通过ＳＰＩ／ＱＳＰＩＴＭ接口配置矩阵开关的状态和输出缓冲级增益，同时利用ＭＡＸ４３５８在视频矩阵开关之前插入ＯＳＤ信息，不仅省去了后续的复用器和输出缓冲器，同时也改善了视频信号的质量。

    ２．２ ＯＳＤ发生器

图２中的ＯＳＤ器件可选用ＭＡＸ４４５５， 其连接电路如图３所示。由于ＭＡＸ４４５５内部集成有八通道的ＯＳＤ发生器，故而在视频监控系统中能够为八路独立的复合视频通路同时提供４位灰度级的图形／字符视频信号，其中代码１（０００１）接近于黑色、代码１５?１１１１?为最白，每个像素对应的代码介于１至１５，代码０（００００）表示没有ＯＳＤ信号。ＭＡＸ４４５５的位映射结构允许在摄像机视频信号中插入任意的信息或图形。另外，ＭＡＸ４４５５提供给各个通道的图形模板是按逻辑排列的１０２４×５１２个像素，这种存储方式有利于主机的行／列寻址。实际显示区域为７１２ ×４８４ ＮＴＳＣ（或７１２×５１２ ＰＡＬ）像素，其余的３１２行、２８列（ＮＴＳＣ）为空白区域。

图3 MAX4450及MAX4358的连接电路

    ＭＡＸ４４５５能够用于控制１６Ｍ位ＳＤＲＡＭ（如ＭＴ４８ＬＣ１Ｍ１６Ａ）存储所需要叠加的数据视频信号，它支持ＳＤＲＡＭ的所有功能，其中包括：刷新、ＲＡＳ／ＣＡＳ定时、视频寻址以及支持主处理器读／写操作的ＣＰＵ存取周期等。配合ＭＡＸ４４５５工作的ＳＤＲＡＭ可选择ＭＴ４８ＬＣ１Ｍ１６Ａ１－８、ＶＩＳ ＶＧ３６１７１６１ＤＴ－８或速度更高的相关产品，也可选择ＨＹ５７Ｖ１６１６０Ｄ、ＨＹ５７Ｖ１６１６０Ｃ、Ｍ２Ｖ６４Ｓ４０ＤＴＰ等型号。由于ＳＤＲＡＭ是按照１６位×１Ｍ的格式排列的，因此，每个ＳＤＲＡＭ存储单元存储４个像素的内容（基于每像素４位灰度），且主机每次也存储／读取４个像素的数据。主机将以位映射方式填充ＯＳＤ帧存储器，同时控制叠加图形的位置和亮度。ＭＡＸ４４５５的八路通道共用同一存储资源，但其逻辑控制相互独立，因此，任意通道的读／写操作不会扰乱其余通道的图像操作。另外，ＭＡＸ４４５５还具有一个存储共享功能，通过将信息写入一个设计好的源通道内可同时更新奇数或偶数通道。存储共享功能减少了主机对存储器的写操作，这对于快速更新各视频通道的公共叠加信息（如时间等）非常有用。ＭＡＸ４４５５的八路ＶＩＤＩＮ＿输入级带有视频时基电路，包括行同步检测器、场同步检测器、场消隐检测器、行计数器以及奇数场／偶数场计数器等。ＶＩＤＩＮ＿输入级可检测ＭＡＸ４３５８输出的标准１Ｖｐ－ｐ视频信号，以便建立相应的视频光栅时基，然后利用这个光栅时基产生ＯＳＤ图像信号，并在ＯＳ-ＤＫＥＹ控制下叠加到ＭＡＸ４３５８的视频通道。需要说明的是：直接检测ＭＡＸ４３５８的输出信号能够尽量减少开关／复用器延迟时间对时基的影响，但输入端应采用０．１μＦ交流耦合方式。

３　改善随屏显示系统的性能

在ＭＡＸ４４５５／ＭＡＸ４３５８芯片组构成的字符／图形叠加系统中，ＭＡＸ４４５５可提供两路输出信号：模拟视频填充信号（ＯＳＤ Ｆｉｌｌ）和复用器数字控制信号（ＯＳＤ Ｋｅｙ）。两路信号可在纳秒级保持同步，由于受ＭＡＸ４３５８复用器开关速度的限制，ＯＳＤ Ｆｉｌｌ信号与ＯＳＤ Ｋｅｙ相比略有延迟，这个小小的延迟会导致ＯＳＤ Ｆｉｌｌ图形在显示器上出现一条黑色（０ ＩＲＥ）轨迹，轨迹宽度与开关延迟时间有关（参见图４）。这种现象在一些应用中是不允许的，特别是在显示白色字符（或浅色背景）时，白色字符与黑色轨迹之间较强的对比度会令人难以接受。

图5 改善的设计方案

    图５给出了一个解决有限开关时间的方案，采用该电路可将开关延迟造成的黑色轨迹用白色轨迹取代，如果使白色轨迹与ＯＳＤＦｉｌｌ的电平相同，则可完全消除轨迹效应，从而抑制开关延迟的影响。图中的Ｒ１４、Ｒ用于设置轨迹的亮度，理想状况下将其设置为ＯＳＤ Ｆｉｌｌ，当Ｒ取４５３Ω时，轨迹电平为１００ＩＲＥ。图５给出的只是一个视频通道的修正电路，而利用四片ＭＡＸ４６１６则可以对ＭＡＸ４４５５的八个输出通道的插屏信号进行修正。