干货｜基于 DSP 的汉字及图形叠加实现

EEWORLD

电子资讯 犀利解读

技术干货 每日更新

项目简介：

传统的字符叠加都是使用专用的OSD芯片，一般价格较高，而且通常只能实现英文字母和数字的叠加，使用不灵活，还要占用较多的PCB板空间，故障率也较高。

这里介绍的字符叠加方案是基于TI的2000系列DSP的，经过调试验证效果良好。

TMS320F2812是TI新近推出的高性能定点DSP，内部集成的EV模块使它很适用于高性能的电机控制应用场合。如要求高精度、高速的云台和机床等。以云台为例，通常需要随着电机的运转显示角度、坐标、距离等信息，以及一些简单的控制菜单，甚至可能要叠加简单的地图。用通常的OSD芯片根本无法完成如此复杂的涉及任意图形的叠加。而该叠加方案巧妙利用了2812的内部资源――SPI串口模块，实现了这些内容的叠加。

叠加原理：

图形叠加是把视频信号的每一行虚拟分成H个点，垂直分为V行，叠加图像就是H×V分辨率的单色位图。利用视频信号提取出的复合同步信号及场同步信号，确定叠加图像的有效点（即需要覆盖掉原视频图像的点），在这些点把视频信号切换到一个固定电平（可以由DSP控制）即可实现视频叠加。

方案实现：

该功能模块主要由四部分组成：复合视频信号交流耦合及直流恢复、视频同步信自成提取、视频叠加灰度控制、视频切换叠加。下面对各部分及软件实现做简要的描述。

1） 复合视频信号交流耦合及直流恢复

视频信号交流耦合可以对前后级形成有效的隔离以起到很好的保护作用。但交流耦合后的复合视频信号会丢掉原信号的直流分量，导致丢失一部分背景亮度信息。而交流耦合带来的最严重的问题是：信号直流成分的丢失会导致同步头的上下漂移，使信号同步信息丢失。

图1交流耦合视频信号示意图

从图1可以看到交流耦合后的信号是趋于平均电平对齐的，对不同亮度背景的信号，同步头电平差异很大，无法通过与一个固定的参考电平进行比较来提取同步信息。

于是需要对信号进行直流恢复，这里采用三极管钳位电路（图2）。三极管钳位电路具有成本低、控制灵活、响应速度快等优点。这里钳位电路起到的作用就是将视频信号的低电平自动（即同步信号）对齐。为使峰值1V的视频信号比较适合后续3.3V供电系统作处理，将视频信号的低电平设置为1.1V（高电平为2.1V，相对3.3V电源，上下均有1.1V左右的电平裕量），于是R29与R30分压为1.1V+0.7V＝1.8V。由此确定R29与R30值分别为4.7K和3.6K。

图2直流恢复－钳位电路

恢复后的视频图像如图所3示：

图3直流恢复后的视频信号示意图

这样便完成了视频信号的直流恢复。可以很容易的用简单比较器电路提取同步信息。另外，采用钳位电路的另一个好处是，75欧负载是在耦合电容前面，耦合电容后面的本地视频信号所在的网络阻抗很大（约30K），只需要1uF的磁片电容就可以实现视频信号的良好耦合――有效带宽与75欧电阻配400uF电解电容相当。这就大大缩小了耦合电容的体积，并提高了电容寿命。

2） 视频同步信号提取

复合同步主要用于行同步，比较容易提取，只需要一个简单的积分滤掉高频杂波，然后经过一个比较电路就能得到。传统的场视频信号提取是利用滤波和微分电路实现的，那种方式不容易实现场同步信号与复合同步信号的严格对齐，会造成叠加内容的上下抖动。这里使用了一种其它的方法――利用前面得到的复合同步脉冲里的槽脉冲经过一点简单的处理即可得到场同步信号。因为槽脉冲的宽度为29.65us，而行同步头宽度只有4.7us。所以用一个积分电路和一个比较电路就能由复合同步信号提取出场同步信号――图4的R35和C48就是该积分电路，时间常数取介于4.7us与29.65us之间的15us（时间裕量较大），于是取值分别为15K与1nF。另外，通过计算还找到一个合适的值，使场同步信号提取与复合同步信号提取使用同一个参考电平以减少元器件。提取的同步脉冲直接送到2812的中断输入引脚。图4为同步信号提取电路图：

图4同步脉冲提取电路

比较器不需要速度很快，只需延迟时间一致就可以，于是采用低成本的双路比较器LM2903。

3） 视频叠加灰度控制

图5叠加灰度控制电路

视频叠加是通过快速在视频图像与灰度电平之间切换实现的。图像背景不同，往往需要改变叠加内容的灰度才能达到理想的视觉效果。于是利用2812剩余的一路PWM信号积分后代替DA来产生灰度电平（两个电机控制使用4个PWM脚，还剩余2个）。初步积分地需选用前面的数字地，以保障流畅的PWM信号回路（数字部分）。对1MHz的PWM信号，可以取R26、C45的值为1K与0.1uF，使输出纹波低于5mV。然后再经过一级针对模拟地的RC滤波，使输出灰度电平纹波达到uV级。

4） 视频切换叠加

叠加通过一个视频切换芯片来实现，为减少原视频信号失真，选用TI的带宽达300MHz的视频切换芯片TS3V330，并且使用两路并连以提高导通电阻的一致性。该芯片通道切换时间低于10ns，可以很好的满足应用需求。具体电路如下图6所示：

图6切换叠加电路

叠加功能中视频信号与固定电平的切换是通过DSP自带的SPI口完成的。2812的SPI最大传输比特率为37.5Mb/s，并且SPI模块自带16级16位的FIFO。这里显示水平分辨率H刚好可以取256，可以满足一般显示应用需求，而且刚好能利用SPI模块的FIFO实现每行仅进行一次SPI写操作，极大的减少了CPU占用时间。DSP每次检测到复合同步脉冲触发的硬件中断，进行一次对SPI FIFO写的操作，检测到场同步中断即进行行数清0的操作。按照每64us进入中断进行一次16字（16bit*16）的搬移计算，CPU占用量不及1%。

垂直分辨率V取256，奇偶场不需区分――也就是相邻帧的同一行叠加内容相同，这样在满足应用需求的前提下可以减少奇偶场判断所需的软件资源。对PAL制和NTSC制信号，可以取V的一部分，即有效叠加内容少于256行。

我们采用的DSP（TMS320F2812）内带128k×16bit的FLASH和18k×16bit的RAM。利用64k的FLASH装载一级汉字库及ASC字形库和一个4k的自定义LOGO或其它图形。其余64k装载程序。为减少字符叠加及叠加内容维护占用DSP的计算量，给字符叠加专门分配一块4k×16bit的RAM作为OSD缓存。只有叠加内容需要更改的时候才对RAM内容进行写操作。

5） 软件部分

该方案所需的软件涉及的内容较少也比较简单。主要是两个中断函数，里面执行一些简单的行数处理和对SPI FIFO的写操作。另外还涉及一些字符处理的子函数，如在某个位置叠加/清除一个字符以及满屏图像叠加和清屏等。这些子函数是对RAM内图形缓冲进行写操作，对实时性要求很低，管理起来也很方便。

项目结述：

目前该方案的软硬件都已经实现，占用DSP资源少，效果良好，字符稳定。不会影响电机控制，DSP还有非常大的计算裕量。单字符及图形叠加模块增加的成本只有不足5RMB，极大限度的利用了2812的剩余资源。该方案也可修改后用低成本的单片机实现。

图7最终叠加效果图

诚邀您为 EEWorld 微信推荐好文，欢迎参加

视频矩阵教程

数字视频矩阵

安防全新概念－数字视频矩阵

摘要：本文介绍了视频矩阵的基本概念和分类，对数字视频矩阵相对于模拟视频矩阵的优势做了重点分析了，并详细描述了基于DS4002MD矩阵解码卡的数字视频矩阵解码方案。

关键字：视频矩阵 数字视频矩阵 DVR DS4002MD矩阵解码卡

随着数字技术的高速发展，软硬件水平的提高，不断有高性能的DSP和高速的总线得到应用，使基于数字技术的视频矩阵方案能够得以实现。海康威视近期将在板卡产品线上推出一款新的型号：DS4002MD，即矩阵解码卡，并基于这款产品，海康威视提出数字视频矩阵的解决方案。同时，我们海康威视认为，数字视频矩阵将是安防业中新兴的一个热点，也将是视频矩阵以后的一个发展趋势。

一、视频矩阵的基本概念

1．视频矩阵的基本功能和要求

作为视频矩阵，最重要的一个功能就是实现对输入视频图像的切换输出。准确概括那就是：将视频图像从任意一个输入通道切换到任意一个输出通道显示。一般来讲,一个M×N矩阵：表示它可以同时支持M路图像输入和N路图像输出。这里需要强调的是必须要做到任意，即任意的一个输入和任意的一个输出。

另外，一个矩阵系统通常还应该包括以下基本功能：字符信号叠加；解码器接口以控制云台和摄像机；报警器接口；控制主机，以及音频控制箱、报警接口箱、控制键盘等附件。对国内用户来说，字符叠加应为全中文，以方便不懂英文的操作人员使用，矩阵系统还需要支持级联，来实现更高的容量，为了适应不同用户对矩阵系统容量的要求，矩阵系统应该支持模块化和即插即用（PnP）的，可以通过增加或减少视频输入、输出卡来实现不同容量的组合。

矩阵系统的发展方向是多功能、大容量、可联网以及可进行远程切换。一般而言矩阵系统的容量达到64×16即为大容量矩阵。如果需要更大容量的矩阵系统，也可以通过多台矩阵系统级联来实现。矩阵容量越大，所需技术水平越高，设计实现难度也越大。

2．视频矩阵的分类

按实现视频切换的不同方式，视频矩阵分为模拟矩阵和数字矩阵。

模拟矩阵：

视频切换在模拟视频层完成。信号切换主要是采用单片机或更复杂的芯片控制模拟开关实现。

数字矩阵

视频切换在数字视频层完成，这个过程可以是同步的也可以是异步的。数字矩阵的核心是对数字视频的处理，需要在视频输入端增加AD转换，将模拟信号变为数字信号，在视频输出端增加DA转换，将数字信号转换为模拟信号输出。视频切换的核心部分由模拟矩阵的模拟开关，变将成了对数字视频的处理和传输。

二、数字视频矩阵简介

1．数字视频矩阵的分类

根据数字视频矩阵的实现方式不同，数字视频矩阵可以分为总线型和包交换型。

总线型数字视频矩阵

顾名思义，总线型数字矩阵就是数据的传输和切换是通过一条共用的总线来实现的，例如PCI总线。

总线型矩阵中最常见的就是PC－DVR和嵌入式DVR。对于PC－DVR来说，它的视频输出是VGA，通过PC显卡来完成图像显示，通常只有1路输出（1块显卡），2路输出的情况（2块显卡）已经很少；嵌入式DVR一般的视频输出是监视器，一些新的嵌入式DVR也可以支持VGA显示。在上面的两个例子中，它们都可以实现1路视频输出（还可以进行画面分割），可以把这两款产品当作视频矩阵的一个特例，也就是一个只有1路视频输出的特殊情况。

PC－DVR（PC＋H卡、HC卡）构成的总线型数字矩阵

包交换型数字视频矩阵

包交换型矩阵是通过包交换的方式(通常是IP包)实现图像数据的传输和切换。包交换型矩阵目前已经比较普及，比如已经广泛应用的远程监控中心，即在本地录像端把图像压缩，然后把压缩的码流通过网络（可以是高速的专网、internet、局域网等）发送到远端，在远端解码后，显示在大屏幕上。包交换型数字矩阵目前有两个比较大的局限性：延时大、图像质量差。由于要通过网络传输，因此不可避免的会带来延时，同时为了减少对带宽的占用，往往都需要在发送端对图像进行压缩，然后在接收端实行解压缩，经过有损压缩过的图像很难保证较好的图像质量，同时编、解码过程还会增大延时。所以目前包交换型矩阵还无法适用于对实时性和图像质量要求比较高的场合。

包交换型数字矩阵

三、数字视频矩阵优势分析

成本优势：视频矩阵和DVR合二为一

采用数字视频矩阵方案，只需一台设备就可以同时实现视频矩阵和DVR的功能，大大的节省了成本。对矩阵的控制和DVR的控制集成在一起，方便灵活。如果采用模拟矩阵，至少需要一台矩阵主机和一台DVR主机，安装调试复杂，除了DVR的成本外，还要为模拟矩阵付出高额的成本。此外，对于模拟矩阵的控制，可能还需要外接其他设备，比如显示设备、矩阵控制器，矩阵控制键盘等，有些复杂的功能甚至需要专门的PC机来进行配置。模拟矩阵的方案还需要视频信号的分配、复用设备来实现DVR的录像功能，而采用数字矩阵，则只需在DVR的基础之上，增加简单的矩阵模块即可，成本相对低廉，且数字矩阵、录像系统的集成度高，稳定性增强，也降低了以后维护的成本。

功能优势：配置灵活，功能强大，简单易用

在模拟矩阵＋DVR方案中，矩阵和DVR各自为政，需要分别控制，模拟矩阵提供的操作方式复杂，易操作性很差，且功能单一，如果要实现比较复杂的功能，需要很繁琐的操作流程；而采用数字矩阵，通过一个控制平台即可实现对切换矩阵和DVR的同时控制，操作界面可由二次开发商在Windows或Linux下自由开发，可以根据自己客户的需求定制应用程序，定制各种功能，所构建的系统，完全取决于开发商自己的软件。

在数字矩阵中，基于对图像的数字处理：可以在实现视频切换的同时，对图像进行很多处理，比如叠加字符、叠加图像，区域遮盖等，这些都是目前DVR所普遍具有的功能，但是对于模拟矩阵，由于它的核心是基于模拟信号的处理，在面对这些功能时，则显得力不从心。这里以字符叠加功能为例，模拟矩阵往往需要外接字符叠加芯片来实现，通常只能实现ASCII码也就是英文字符的叠加，而能够实现汉字叠加的模拟则可以说是寥寥无几，更不用说同时支持简体、繁体，甚至日文了。至于图像叠加等功能，在模拟信号层基本是无法实现的。

数字矩阵可以提供更丰富的图像显示模式。传统的模拟矩阵只能进行最简单的1:1的图像输出；而数字矩阵在此基础上还可以实现N→1(通过对图像的缩放处理，可以实现多路图像在一个窗口显示)和1→N(一个输入图像同时在多个输出端显示)的显示方式，甚至是画中画等高级功能。

最后是系统稳定性，数字矩阵＋DVR的方案，系统集成度高、功耗低，稳定性高；而采用模拟矩阵方案，由于需要多台设备，出问题的概率则大大增加。

潜力：发展空间巨大

模拟矩阵控制系统目前已经非常成熟，其产品的结构和功能在近几年，甚至是十几年内，都没有发生大的变化，可挖掘的潜力已经十分有限。

而数字矩阵则完全不同，目前数字技术的发展可以用日新月异、前途广阔来形容。首先，随着硬件性能的提高，在高速总线方面：66M的PCI总线已经很成熟和普及，比如PCI－E或其它的高速串行总线也不断的提出；在芯片技术上：已经出现了600M、720M甚至是1GHz的高性能DSP，可以说，得益于硬件平台性能的不断提高，必然使数字矩阵的功能不断的提升，不断的向高端发展。与此同时，软件的进步同样不可忽略，不断有新图像的压缩、处理算法提出，图像压缩的效率不断提高，也不断有更复杂、更智能的图像处理算法得到应用，比如智能的移动检测、智能识别技术（人脸识别，指纹识别、车牌识别、签名识别）目前都已经有了比较成熟的应用，这些更高层次的图像处理技术，利用目前硬件平台，已经可以应用到我们的数字视频系统中。因此随着软、硬件水平的的飞速提高，我们有理由相信，数字矩阵的发展空间会非常广，无论是在性能上还是在功能上必然会全面超过模拟矩阵。

二次开发简单、便捷

和以前的H卡和D卡分别使用各自的SDK不同，新的SDK将同时支持H卡、HC卡和MD卡。只需通过一个SDK即可以同时实现编码、解码、和矩阵控制，新的SDK中编码、解码部分和原有SDK中的编码、解码部分兼容，用户只需增加矩阵控制部分即可，极大的降低了用户进行二次开发的复杂性。同时：H卡、HC卡和MD卡可以混插，便于对现有的工程进行维护和扩展。

四、海康威视的数字视频矩阵解决方案

我们的数字视频矩阵解决方案是基于海康威视已经推出的HC系列压缩卡和即将发布的MD系列矩阵解码卡来实现的。HC卡负责系统的录像、预览、网络传输功能，这部分的应用已经十分成熟。而MD卡是实现视频矩阵的关键，MD卡在实现原有解码卡的全部功能外，增加了矩阵输出，实现了视频矩阵功能；同时MD卡也可以独立于HC卡，只做硬件解码卡使用，通过网络连接到远端的视频服务器，即可以是海康威视的板卡也可以是嵌入式设备，构成网络视频矩阵，这一点和原有解码卡相同，但新的MD卡在功能上和D卡比较，会有很大的扩充，比如，解码路数大大提高，原有D卡1个DSP只能解1路，现在则至少可以解4路。同时具备多窗口画面分割功能，用户可以对解码图像做任意组合输出。新增加的同步功能，可以在各路解码器之间实现同步。

1．DS4002MD卡主要参数

操作系统支持Windows2000/XP,及Linux。

作为矩阵使用：

每块卡支持2路矩阵输出，可稳定支持4路。

配合HC卡使用，可实现64×4的视频矩阵，同时保证64路实时压缩。

作为解码使用：

解码功能和原有解码卡完全兼容。

每块卡支持4路解码（实时解码4路CIF、4路2CIF或2路4CIF），2路模拟输出，最高可支持64路解码，32路模拟输出。

2．DS4002MD典型方案

⑴组建本地视频矩阵、实时录像系统

在该系统中，由HC卡构成64路DVR系统，这和目前的板卡方案完全相同，另外增加了2块MD卡完成4路模拟输出，实现视频矩阵功能。

一个64×4的数字视频矩阵＋实时录像系统

⑵组建网络矩阵

由16块DS4002MD组成网络矩阵，同时支持64路网络解码和32路模拟输出。

32路视频输出的网络监控中心

相关问答

字符叠加器价格是多少_土巴兔装修问答

字符叠加器英文简称---VDM或OSD,也叫字符发生器,一般是指用于在复合视频信号上叠加人类容易辨识的各类字幕信息,并将这些字符信息与原有复合视频信...

字符叠加器哪家好?

三各方面来告诉你,字符叠加器哪家好1、山东恩易物联是真正的生产厂家,自主生产研发,质量最好,价格最低2、字符...三各方面来告诉你,字符叠加器哪家好...

老司机们，谁明白！！数字矩阵和模拟矩阵哪种好？

[回答]模拟信号:模拟着信息(如声音信息、图像信息等等)变化而变化的信号称之为模拟信号。数字信号:将信息(如声音信息、图像信息等等)用数字编码而形成的...

电梯楼层字符叠加器是用来干嘛的?怎么个用法?

恩易电梯楼层字符叠加器主要是在视频监控画面上以文字形式叠加显示电梯的上行、下行、所在楼层等信息的。有了恩易电梯楼层字符叠加器在电梯出现故障后可以在...

电梯楼层字符叠加器的安装方法谁知道?_住范儿家装官网

由于OM808电梯楼层字符叠加器设计的独特性,只需将该设备的光电传感器安装在电梯轿厢顶部平层块两侧,主机放置在轿厢顶部即可,无需进行任何调试安装...

海康字符叠加怎么设置?

海康字符叠加可以通过以下步骤进行设置:1.打开海康威视设备的web页面,在设置界面中选择“字符叠加”的选项;2.进入字符叠加页面后,选择需要叠加的通道和叠加...

为什么PDF中编辑的字体重叠?

2、选中那些位置出现错乱的文本,发现文本编辑框的行高特别的高,这就是字符重叠的罪魁祸首。3、选中位置错乱的文本行中的所有文本,从右键菜单中选择“属性”...

word两字符怎么重叠?

底色那些色块可以插入形状,来插入方块,填充颜色就行了(可以只做两个),然后上面的图案,如果是文字就插入文本框,把文字放在文本框里,文本框的边框和填充都...

cad快看打开图之后说明部分标注部分字符重叠怎么办​-答疑解...

[回答]在CAD里面拉开就行了

电梯楼层信号叠加器是干什么的-安居客房产问答

电梯楼层字符叠加器,用于电梯监控,在显示电梯内视频图像的同时,使用字符显示电梯当前楼层,电梯运行状态,电梯目标楼层等。电梯楼层字符叠加器,用于...