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視頻技術以其直觀和信息量大而備受青睞，在軍事上如慣導、紅外成像等方面取得了一定的應用，一些先進的飛機上專門為此設計了顯示與控制系統。視頻圖像信息通過兩種方式供人們使用：一是直接觀看（包括先記錄后觀看），即通過人腦分析使用信息；二是信號處理，多采用計算機處理，將處理結果顯示或用于控制。后者處理和控制速度快，不足的是只能對圖像的明顯特征進行處理。有時需將二者結合，邊自動分析和控制，邊輔以人工監視。計算機對視頻信號處理前需將視頻信號數字化，由A/D完成，一般采用交替法，即設立二個交替工作的幀存儲器，一個存儲視頻圖像的同時，另一個輸出信息供處理器使用。經過一個周期后，二者功能交換，前者輸出信息而后者存入信息，如此往復。其功能框圖如圖1。工作處理周期一般取20ms,因視頻信號的周期是20ms，它包含一幅完整的視頻圖像信息。同時處理器也需要一定的時間，一般要求在20ms（或其整數倍）內完成處理。 視頻信號經過上述處理過程，信息從產生到控制輸出至少延遲了20ms。這對系統的反應速度和反應能力將產生一定影響，對高速飛行和作戰的飛機影響更大。這是由于交替法固有的缺陷造成的。本文介紹一種新方法，即當不需處理完整的畫面而且處理速度較快時，可以實現將延遲縮短或取消，筆者稱之為“追趕法”并應用于光柵—筆劃兼容掃描系統。 1 光柵—筆劃兼容掃描 采用筆劃掃描的平視顯示器已廣泛用于各種戰斗機，它將飛機所有表盤的指示信息以字符和數字的形式顯示在飛行員正前方，使飛行員在觀察機外視景的同時，目不斜視即可看見各飛行參數，大大提高了戰機的反應速度和作戰能力。數字化的飛行參數是“寫”出來的，電子束僅僅掃描有筆劃的區域，即電子束只在有用的地方掃描，從而提高字符亮度，便于在強光背景下觀察。由于計算機處理視頻信息有一定的局恨性，在某些情況下需要飛行員觀察畫面，協助計算機完成工作。這就要求平視顯示器能夠顯示視頻圖像，具有光柵掃描（顯示圖像）和筆劃掃描（顯示字符）二種功能，即所謂的光柵—筆劃容掃描。 將數字字符轉化成光柵掃描形式的視頻畫面（如計算機監視器），然后與視頻圖像疊加，合成一幅圖像，這樣只用一種掃描方式（光柵掃描）就可將數字和圖像信息全部顯示出來。原理框圖見圖2。 這是一種時間疊加，電子束一次掃描過視域空間，將字符與圖像同時顯示出來。電路簡單，較易實現，但由于光柵掃描時電子束速度極快，字符顯示亮度很低，在強光背景下觀察非常困難，甚琺看不清。 另有一種空間疊加：字符仍然采用筆劃掃描，生成字符畫面，緊接著光柵掃描出圖像，二者在同一視野區域內，視覺效果上能夠同時看見。這是一種分時掃描的方法，時間分配合理，字符亮度降低較少，符號定位精度高。為不致產生閃爍，筆劃掃描時間tc與光柵掃描時間tu必須滿足： tc+tu≤ms 顯然，對各自的掃描時間都必須壓縮。筆劃掃描壓縮通過提高處理器速度、優化掃描軌跡提高掃描效率實現。光柵掃描時間壓縮采用追趕法。 2 追趕法實現 對一幅圖像進行時間壓縮而不損失其完整性，就要求對圖像不同部位延遲不同的時間：對先掃描的行延遲較多的時間，接下來逐行線性減少，直到最后一行延遲時間最少（甚至為0），然后再送顯示。傳統的模擬延遲線無法實現，必須采用數字化存儲延時，顯然這里對圖像信號只進行延時（處理），不需要等到一幅完整的畫面完全存儲后再處理。因此可以只設置一個幀存，它由一塊雙端口存儲器（Dual-Port RAM）構成。如圖3。 系統要求將周期20ms、正程顯示時間18.4ms的標準PAL制式視頻壓縮1/4，壓縮為周期20ms、正程顯示時間13.8ms的視頻，即在掃描周期不變的情況下，將正程顯示時間壓縮1/4。工作過程描述如下： 場正程開始后將視頻信號經A/D轉換存入幀存，當進行到δ=18.4-13.8=4.6ms時，幀存另一端口開始將數據輸出，輸出速率f2較A/D采樣速率?1高，二者速率之比為：18.4：18.8=1.333。 進行到18.4ms時，輸入采樣了288-72=216行，用時64×216=13.824ms，一幀圖像結束，數據輸出了288行，用時64×3/4×288=13.824ms，即輸出與輸入同時結束，沒有延時，使得處理后的視頻延遲達到了最短（為0）。整個過程就好像輸出端在追趕輸入端——最終追上一樣，因此稱之為追趕法。實際應用時，由于元器件參數的不一致性及溫度漂移影響，該延遲應留一定余量。追趕時序如圖4所示。 實現中控制器采用一塊CPLD——EPM7128SLC84，對一幀圖像進行點陣采樣，輸入采樣頻率： f1=720/H1p=13.846MHz 式中H1p=μs是標準PAL視頻行周期H1的正程時間（逆程時間H1n=12μs，H1=H1p+H1n=64μs），數據輸出速率： 2=f1×4/3=18.46MHz 輸出行正程：H1p×3/4=39μs 輸出行逆程：H2n×3/4=9μs δ=4.6ms用輸入行同步脈沖計數，其計數值為： 4.6 ×103/H1=71.875 取計數值為72，考慮到場同步期間行同步脈沖仍不間斷產生，以及開槽脈沖和均衡脈沖的作用，此值應修正為91，并與場同步脈沖寬度有關。控制器CPLD仿真結果圖5所示。 仿真采用ALTERA公司的MAX+PLUS II軟件，從仿真結果看出： a.當輸入采樣到第98行（包括場同步期間行同步脈沖）時，數據開始輸出，輸出視頻開始產生，這時視頻信號已輸入采樣4.6ms（視像自第26行開始）。見圖5（a）。 b.僅在數據開始輸出瞬間，H2與H1同步，其后對應行依次錯開。 c.視頻輸出結束（CNT_H2[9..0]=288）較視頻輸入結束（CNT_H1[9..0]=312）延遲了73μs，見圖5（b），這對于20ms是非常小的。該延遲與數據輸出速率f2有關。 d.考慮到元器件參數的不一致性及溫度漂移等對f2頻率穩定性的影響，應設計一定的容差范圍。設頻率最大漂移為s%，則圖5中容差參數LPM_Cvalue=13.824ms×2×s%/H1,取s=1。 3 需要注意的幾個問題 幀存可采用DPRAM，也可采用FIFO。而圖像各像素順序存入，順序取出。似乎采用雙端口FIFO正好，且外部連線少，電路簡單，是理想之選 。筆者開始也是這么認為的。其實這里面存在著一個嚴重的誤區，上述想法僅在理論上成立，實際應用中是行不通的。對于輸入行同步信號和采樣脈沖，要準確地將第一像素數字化，要求采樣脈沖和行同步信號必須保持恒定的時間關系，采樣信號必須受控于行同步（如鎖相）。當像素輸出時，每行的第一個像素必須是存入的對應行的第一個像素，只有這樣才能顯示出真實又方正的圖像。即要求位置上嚴格對應。如果第二行像素位置稍有偏差，即使偏差不到一個像素，由于行間錯位而使得圖像水平分辨率大大下降，嚴重影響圖像質量，此其一；另一方面，該偏差將逐向右傾斜，無法正常觀看。這是因為f1和?2是二個獨立的振蕩器，二者沒有相關性，這樣f2只能在一個"點頻"上保證輸出圖像是方正的。這是一個不穩定平衡點，實際應用中無法保證。另外，即使f1和f2具有相關性（如某頻率f=3×f1=4×f2分頻），但在行同步期間，輸入采樣頻率f1的相位需要調整以便采樣第一個像素，相關性使f2受到影響，從而影響輸出圖像。 采用追趕法的目的是減小延遲，實現襯時處理。因此對圖像壓縮存儲等沒有實時性要求的應用并不適用，也無必要。為實現幀內追趕，需在一幀開始后的若干行之內即開始追趕，因此對原始圖像信號的處理要求以行為單位，可以是連續的若干行。交替法產生的延遲至少是20ms，可稱之為"偽實時"處理。盡管如此，對于一般的應用也已經足夠了。追趕法可以有效地減少視頻處理延遲，本例中將延遲從20ms減少到73μs。對于實時性要求極為苛刻的顯示，如高速運動的飛機的平視顯示器、綜合頭盔顯示等，是一種非常有效的方法。 |
