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OSD技術(shù)在ATM數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：介紹了一種用于ATM自動提款機的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，從經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，在系統(tǒng)的前、后端分別實現(xiàn)了OSD功能。前端疊加的OSD信息作為圖像的說明和補充，并且隨視頻流傳輸和存儲；后端疊加的OSD提供了友好的用戶界面，不影響圖像的完整性。關(guān)鍵詞：在屏顯示（OSD） 數(shù)字視頻監(jiān)控圖像和字符疊加
隨著銀行客戶終端ATM自動提未機的推廣使用，其安全防范工作顯得越來越重要，難度也越來越大。因此，針對ATM的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)便應(yīng)運而生。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)常常采用在屏顯示（On Screen Display,OSD）技術(shù)實現(xiàn)人機界面。在屏顯示技術(shù)就是在圖像上疊加文字，使顯示屏幕為用戶提供更多的附加信息。在ATM監(jiān)控中，銀行對OSD功能有著特殊的要求：
（1）將ATM機號、時間、日期、卡號、數(shù)據(jù)疊加在所錄視頻圖像上，并且要在每個畫面上疊加上鏡頭的地信息。這些信息疊加以后就成為圖像的一部分，作為視頻圖像的說明，便于進(jìn)行監(jiān)控和查詢。
（2）在回放或者監(jiān)控時要提供友好的用戶菜單，用來進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)置和查詢等操作。這些菜單信息只是給用戶提供交互的信息，不破壞圖像的完整性，(范文先生網(wǎng)m.panasonaic.com收集整理)并且不隨圖像數(shù)據(jù)傳輸和存儲。
本文針對ATM監(jiān)控系統(tǒng)對OSD功能的要求，在自行設(shè)計的一款A(yù)TM監(jiān)控設(shè)備中用不同的方法實現(xiàn)了兩種OSD功能。所采用的方法經(jīng)濟、實用，具有普遍意義，也可以推廣到其它的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。
1 系統(tǒng)簡介
本監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于嵌入式CPU和新型MPEC-4硬件編、解碼芯片的系統(tǒng)，提供兩路視頻輸入。為了節(jié)約成本，兩路視頻信號復(fù)合成畫中畫進(jìn)行壓縮編碼，由嵌入式CPU從PCI接口對壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和傳輸。其輸出端提供實時的視頻輸出和畫中畫回放數(shù)據(jù)輸出。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
視頻A/D轉(zhuǎn)換器選用PHILIPS公司的SAA7113H，通過I2C總線進(jìn)行寄存器管理，輸出標(biāo)準(zhǔn)ITU656接口數(shù)據(jù)。
畫面分割芯片選用A.LOGICS公司的AM-204M五畫面分割器，通過對其寄存器的編程實現(xiàn)兩路視頻信號的畫中畫疊加。在實際應(yīng)用中，主畫面監(jiān)控整個提款機終端，子畫面監(jiān)控出鈔口。這款芯片還具有OSD功能，用它可實現(xiàn)圖像附加信息的疊加。
模擬開關(guān)用來選擇視頻是輸出壓縮前的實時視頻還是回放錄像文件的視頻，用兩片F(xiàn)AIRCHILD公司的74LVT16245總線驅(qū)動芯片來實現(xiàn)這部分功能。一片接壓縮編碼前的數(shù)據(jù)，另一片接回放的視頻數(shù)據(jù)，兩片芯片的輸出接在一起送到D/A芯片去實現(xiàn)視頻的顯示。單片機控制74LVT16245的使能端，根據(jù)需要讓其中一片74LT16245輸出視頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)輸出視頻的選擇。這樣，通過對單片機編程，就可以控制在監(jiān)視器上輸出實時視頻還是回放錄像文件的視頻。
視頻D/A轉(zhuǎn)換器選用PHILIPS公司的SAA7121，通過I2C總線進(jìn)行寄存器管理、輸入ITU656接口數(shù)據(jù)、輸出模擬視頻。
要想使OSD疊加的信息能作為圖像的一部分，即圖像的附加信息（如日期等）存儲到文件中，必須將信息疊是模擬視頻輸入端，將信息直接和模擬視頻疊加后再進(jìn)行A/D視頻轉(zhuǎn)換。另一個是在畫面分割器后端的數(shù)字視頻上疊加信息。這兩種方法要用到不同的OSD芯片，雖然效果較好，但增加了設(shè)備的成本和電路板的尺寸。在實際的設(shè)計中，選用了一款帶有OSD功能的畫面分割芯片AM-204M，直接在畫面分割芯片中疊加字符信息，較好地解決了這個問題。
要實現(xiàn)作為用戶操作界面信息的OSD信息的疊加，這里把這部分OSD功能加在視頻D/A芯片的復(fù)合視頻廣播信號（CVBS）的輸出上。這部分OSD功能提供信息給用戶，不破壞圖像數(shù)據(jù)的完整性。由于菜單所需要的信息較多，并且本系統(tǒng)主要是針對國內(nèi)用戶，要求用漢字菜單，所以選用的OSD芯但要提供漢字信息，而且要有足夠的漢字庫。事實上目前市場上大多數(shù)的OSD芯片都只能提供簡單的字符信息疊加。通過綜合的比較，最終選用了FUJISU公司的MB90092芯片。
這里采用單片機AT89C55WD控制畫面分割芯片和MB90092芯片實現(xiàn)OSD疊加。所需要的時間信息由單片機通過時鐘芯片獲得，ATM的機號和卡號從單片機的串行口獲得。用戶通過接口菜單的一些設(shè)置信息，完成單片機與嵌入式CPU的通信。單片機和兩個用作OSD的芯片的連接如圖2所示。
2 用畫面分割芯片實現(xiàn)OSD字符的疊加
OSD字符的疊加由A.LOGIC公司的畫面分割芯片AM-204M實現(xiàn)。AM-204M有較強的OSD功能，可實現(xiàn)字符OSD和位圖OSD功能。實際上它的OSD功能通過其內(nèi)部的只讀存儲器和隨機存儲器兩部分完成。只讀存儲器存儲了128個常用的字符，包括字母和標(biāo)點符號等，在出廠前一般都已經(jīng)設(shè)定好了。隨機存儲器中可以存儲64個字節(jié)，用戶可以編程設(shè)定這部分字符，靈活運用這部分存儲器的內(nèi)容可以實現(xiàn)多種格式的OSD信息。每屏顯示的字符容量最大是34列×22行。字符采用彩色顯示，在一個屏幕內(nèi)最多可同時顯示三種顏色。在625線的系統(tǒng)中，字符大小為20×24點陣時就可以有較好的效果。
2.1 畫面分割芯片主要控制管腳說明
單片機通過操作畫面分割的HOST接口就可以對寄存器進(jìn)行管理，以此來實現(xiàn)OSD功能。面畫分割芯片AM204M主要接口管腳如下：
ADEN：芯片地址使能輸入，下降沿取地址數(shù)據(jù)。
WREN：芯片寫使能輸入，上升沿有效。
RDEN：芯片讀使能輸入，低電平有效。
MDATA[7:0]：并行數(shù)據(jù)口，是單牒同對AM-204M進(jìn)行讀寫操作的數(shù)據(jù)口。
2.2 芯片OSD的寫RAM接口時序
AM-204M有幾個專用的寄存器，用于對OSD功能（包括OSD開關(guān)、位置、背景等）進(jìn)行管理。設(shè)計人員可以自定義一些字符或者漢字放在RAM內(nèi)用于顯示，芯片的RAM可一次寫入64個字符。圖3是通過HOST接口往RAM存儲器中寫一個字符的時序。圖中D0-D7是一個字符的二進(jìn)制點陣信息。
ROM存儲的128個字符占用的CODE（oram_data[7:0]）的地址范圍為00～7F。而RAM寫入的64個字節(jié)占用的CODE地址從80開始，為一個連續(xù)的地址空間。在系統(tǒng)工作時，AT89C55單片機首先要得到疊加的信息，然后從字符存儲區(qū)中取出相應(yīng)的字符，疊加到屏幕上的適當(dāng)?shù)膮^(qū)域。字符的RAM表如表1所示。
表1 字符在RAM中的位置與編碼的對應(yīng)關(guān)系
3 用OSD芯片實現(xiàn)用戶菜單的疊加
MB90092是用CMOS工藝制成的OSD可編程大規(guī)模集成電路芯片，可用于計算機控制的錄像機、VCD等的屏幕字符顯示。該芯片有視頻信號輸入輸出功能，可作為一種通用的OSD芯片，完成視頻信號與字符的疊加顯示。芯片可外接2M字節(jié)的ROM，支持24×32點陣顯示方式，可在屏幕上疊加一個主屏幕和一個子屏幕，主屏上疊加12×24個漢字。它有視頻信號輸入腳，在其內(nèi)部可完成視頻信號與漢字信號的疊加，直接輸出復(fù)合視頻信號。MB90092內(nèi)部可自行產(chǎn)生同步信號，無需外加視頻信號和同步信號；可直接輸出漢字信號至監(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，利用此特點可設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)置菜單。字庫芯片采用AT27C080，該芯片的存儲容量為1M字節(jié)，可存儲8K漢字。國標(biāo)所規(guī)定的一、二級漢字均可包含，每個字占用128字節(jié)。漢字點陣為24×24。為適應(yīng)MB90092，每個漢字的24～31字節(jié)、56～63字節(jié)、88～127字節(jié)應(yīng)為空白。
3.1 芯片主要管腳功能說明和接口時序
IC：當(dāng)TEST腳輸入低電平時，這個管腳能被用作芯片的RESET端。
CS：芯片的片選端，低電平有效。也可以用它來釋放power-on reset。
SCLK：時鐘輸入端，輸入讀數(shù)據(jù)時鐘。
SDA：串行數(shù)據(jù)輸入端。
EXHSYN：外部行同步信號輸入端，當(dāng)對芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置時，這個管腳也可以作為復(fù)合同步信號輸入端。
VOUT：復(fù)合視頻輸出端（輸出信號的峰-峰值為2V）。
VIN:復(fù)合視頻信號輸入端，用于疊加顯示，要求信號的峰-峰值為2V.
EXS和XS：外接晶體端，為芯片內(nèi)部的圖像提供振蕩時鐘，選用NTSC制式時，外接14.31818MHz的晶體；選用PAL制式時，外接17.734475MHz的晶體。
EXD和XD：連接外部的LC時鐘振蕩電路，為字符的產(chǎn)生提供打點時鐘，一般為6MHz或7MHz，據(jù)此確定電感、電容數(shù)值。
MB90092采用指令方式控制，外部單片機可以通過串行接口向MB90092發(fā)送指令，每個指令由兩個字節(jié)組成。第一個字節(jié)的前5位為命令碼，其余位和第二個字節(jié)為數(shù)據(jù)。指令能實現(xiàn)對字符顯示的各種控制，MB90092共有13種指令和兩種保留指令，具體功能見表2。
表2 MB90092指令集
MB90092與外部單片機的接口有自己獨特的時序，如圖4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(jìn)入MB90092內(nèi)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，作為一個字節(jié)的結(jié)束；接著發(fā)送下個字節(jié)。在串行傳輸中，時鐘用來對收到的bit計數(shù)，通過強制CS為高，可以復(fù)位串行傳輸。通過強制CS從高到低，清除復(fù)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變高，則這個數(shù)據(jù)是無效的。
如圖4所示，數(shù)據(jù)A被寫入內(nèi)部寄存器，數(shù)據(jù)B被忽略。
接口時序應(yīng)注意以下幾點：
（1）為了保持字節(jié)同步，在串行數(shù)據(jù)傳輸之前，CS管腳應(yīng)當(dāng)先設(shè)成高，然后設(shè)成低。
（2）除了剛上電時，在串行傳輸之前，都應(yīng)當(dāng)強制SCLK管腳為高電平。
用匯編語言實現(xiàn)的寫一個字節(jié)程序如下：
WRITE_1BYTE：
SETB _CS
NOP
CLR _CS
MOV R6，#8
WR1：
NOP
CLR SCLK
RRC A
MOV SIN，C
NOP
NOP
SETB SCLK
DJNZ R6，WR1
NOP
SETB _CS
RET
程序中加入NOP指令是為了滿足MB90092對時序時間的要求。
3.2 漢字疊加與緩沖放大模塊
在視頻監(jiān)控中，視頻流過解碼，使視頻D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出的模擬視頻信號疊加上菜單漢字信息，然后經(jīng)緩沖放大后輸出到監(jiān)視器上。圖5為視頻漢字疊加與緩沖放大原理圖。
對圖5進(jìn)行如下說明：
（1）圖5中同步分離由LM1881完成，分離出復(fù)合同信號送到字符疊加芯片供字符疊加使用。
（2）輸出緩沖放大采用OPA2354芯片。它的INA-管上的調(diào)節(jié)電阻分別為620Ω和330Ω。
3 使用MB90092應(yīng)注意的問題
（1）程序開始時，要輸入CS四次去清除上電復(fù)位，然后所作的設(shè)置才是有效的。
（2）如果選擇外同步方式，只有當(dāng)外同步信號存在時，MB90092才能接收控制命令。為了防止當(dāng)視頻信號由"無"切換到"有"時監(jiān)視器上產(chǎn)生字符丟失的情況，屏幕上疊加的所有字符每隔0.2秒要更新一次。這樣就不會發(fā)生字符丟失的現(xiàn)象。
（3）改動屏幕上的字符時，必須先清理內(nèi)存區(qū)域，否則屏幕會出現(xiàn)亂碼及一些預(yù)料不到的顯示。清屏包括子屏清除和主屏清除。如果沒有用到子屏，只要在開始時清一次子屏就可以了（所謂清屏，就是在屏幕上相應(yīng)位置寫空格字符）。
（4）上電復(fù)位后，為了有效設(shè)置屏幕及字體的各種民屬性、行距、顯示位置等，先選擇內(nèi)異步方式，待設(shè)置完成后，再設(shè)定為外同步方式；否則，設(shè)置時如無外同步信號，所有的設(shè)置均為無效設(shè)置。
（5）由于視頻信號頻率較高、頻帶較寬，因而當(dāng)兩路視頻信號相距較近時，容易產(chǎn)生串?dāng)_。為了盡量減少串?dāng)_，制板時需做到以下幾點：
*各種視頻信號間用較粗的地線隔開，視頻走線盡量石頭則粗；
*模擬地和數(shù)字地分開，只在電源處單點相連；
*開關(guān)電源時，應(yīng)使交流電與直流低壓之間相距較遠(yuǎn)，且用地線隔開；直流低壓與開關(guān)管的調(diào)整電路之間要用光耦隔開。
本文給出了兩種實現(xiàn)OSD的方法，分別用于ATM監(jiān)控設(shè)備的不同模塊中。設(shè)計中考慮了實用和經(jīng)濟兩個因素，從實際的產(chǎn)品來自，性能穩(wěn)定可靠，具有很普遍的應(yīng)用價值。
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