视频与视频字符叠加实验仪的研制*

陈晶田 张 益 曾延安 高 鹏

华中科技大学 湖北武汉 430074

☆现代教育技术与装备☆

视频与视频字符叠加实验仪的研制*

陈晶田 张 益 曾延安 高 鹏

华中科技大学 湖北武汉 430074

介绍了视频与视频字符叠加实验仪的研制背景、组成、工作原理、主要电路的设计方法及应用情况。实验仪电路主要由三部分组成：信号分离电路、控制计数电路和切换开关电路。实验内容设计为开放式、研究性，因而通过本实验仪器，学生不仅可以巩固视频技术知识，了解该领域的最新研究和应用进展情况，而且在大规模可编程逻辑器件的应用和硬件描述语言方面的学习也将得到提高。教学实践表明学生通过该实验仪不但可以开阔视野，更有利于培养学生的创新意识和提高动手能力。

视频；字符叠加；实验仪

近年来，随着全球安全意识提升，视频监控市场不断增大。受“平安城市”、展会赛事、行业安防等因素拉动，中国视频监控市场也在快速增长。在监控系统中，如果在每路视频信号上叠加时间、地点等信息，则可以提示监视摄像发生的时间、位置等信息，这些信息同时也被记录在录像上，以方便用户的信息查询。这就是视频字符与时间叠加的应用。

视频字符叠加是在视频信号中混入字符信号，然后在屏幕的特定位置上使叠加的字符与相应的图像信号同步显示，即在视频图像上实时叠加字符图形，及时给出和增加原画面无法表达或无法明确表达的信息，使画面图文并茂，这项技术是应用电视技术领域中的一个重要内容，它在应用电视系统中发挥着极为重要的作用，视频叠加也是多媒体技术应用领域的内容之一。在视频信号中叠加字符是一项非常有意义的工作。

视频与视频字符叠加实验仪是一种用于学习视频与视频字符叠加技术的平台，在此平台上能够相对轻松地学习理解视频与视频字符叠加技术的相关知识，相对直观地了解复杂视频信号的构成原理、图像的传输过程和图像的还原等知识，进而能够自己设计出简单的视频字符叠加图形。寓教于乐，以此来激发学习兴趣，在锻炼动手能力的同时完成了实践的过程。此平台能够使学生在学习的过程中实现认知、实践、锻炼与创新的全过程训练，可以充分展示自己的创新能力，为学生的进一步学习和研究打下坚实的基础。

一、视频与视频字符叠加实验仪的组成原理

本实验仪的主要功能是在视频画面中叠加一个十字亮线。首先提取视频信号中行、场同步信号，然后对行、场同步信号进行计数，产生一个与行、场同步信号有稳定关系的控制信号，再用这个控制信号控制模拟开关，模拟开关就在两路输入信号(十字线与视频信号)间快速切换，由于人眼的视觉暂留，在显示屏幕上看起来就是一幅叠加了十字线的图像。原理框图如图1。

图1 实验仪的组成原理

1.信号分离电路

由于普通摄像头输出的是复合视频信号，因而首先必须进行信号的分离。

设计中选用LM1881作为视频信号的同步分离器，该分离器能够从幅度为0.5V到2V的标准负同步NTSC、PAL和SECA信号中提取定时信号，它的使用十分方便。原理图如图2所示。图中hs表示复合同步输出，vs表示场同步输出，ODDN/EVE表示奇偶场同步输出。

图2 LM1881构成的行场分离电路

2.控制计数电路

控制的功能是要计算出所要叠加图像的行、场位置值，实际上使用计数器就可以实现。本实验仪选用大规模可编程逻辑控制电路EPM7128SLC84来实现对信号的计数(如图3所示)。之所以选用大规模可编程逻辑控制器件主要是让学生在学习视频技术知识的同时，学会大规模可编程逻辑器件的使用方法。

图3 控制计数电路

3.切换开关电路与叠加的实现

切换开关电路选用模拟开关CD4053来完成(如图4所示)。

图4 切换开关电路

本实验仪可在监视器等屏幕上实现叠加十字线等字符，对需要叠加十字线的图像的行和列，通过EPM7128SLC84计数输出VideoSe来控制模拟开关CD4053，CD4053是二选一的模拟开关，当VideoSe为1的时候选择模拟开关Cursor脚输出，当VideoSe为0时选择VideoIN输出。由于VideoSe在0和1之间变化的速度很快，所以由计数器控制的CD4053的输出VideoOut接到显示器上时，在视觉上就会有原图像上被叠加上了十字线等字符的效果。为方便学生实验操作，实验装置的面板上将主要的信号都引出，最后结果在显示器上显示。实验仪的面板布局如图5。

图5 实验仪面板布局

图中按键模块面板上共有S1～S5五个按键，其中S1～S4主要是实现十字线的上、下、左、右移动，按键5用来选择输出的是原图像还是叠加了十字线后的图像。这5个按键的运用可以更加直观地表达视频符号叠加位置的可控制性，更有利于对相关视频原理的理解。

6个数码管分成两排显示，上面3个用于显示十字线的中心所在的行位置，下面3个用于显示十字线中心所在列位置。

视频与视频字符叠加实验仪实物如图6。监视器上显示的十字亮线为实验仪器叠加上去的。通过仪器面板上的按键可以控制其所要显示的位置。

图6 视频与视频字符叠加实验仪

二、视频与视频字符叠加实验仪的应用

此实验仪目前已经作为设计性实验项目投入到实验教学中，授课的对象主要是大四的本科生，学生学习后的普遍感受是贴近生活、很有趣。

更深的体会是通过这个实验仪器所搭建的平台能够比较深入地理解视频与视频字符叠加的原理知识，特别是通过学生亲自利用大规模可编程逻辑器件来实现十字线以外的字符叠加，切实感受到了大规模可编程逻辑器件功能的强大，同时更熟悉了硬件的描述语言。

[1]视频监控智能化趋势走强，应用方案谁主沉浮[J].电子工程专辑，2009，10：37～40

[2]孙泓波，顾红，苏为民.视频字符叠加技术的发展及四种实现方案[J].电子技术应用， 2000，11：44～46

[3]田雁，曹剑中，刘波，等.视频监控系统中双路视频字符叠加器设计与实现[J].光子报，2004，5：634～637

[4]常大定，曾延安，张南洋生.光电信息技术基础实验[M].湖北：华中科技大学出版社，2008

[5]谈新权，邓天平.视频技术基础[M].湖北：华中科技大学出版社，2008

Development of a teaching instrument for superposition of video signs with video frequency

Chen Jingtian, Zhang Yi, Zeng Yan’an, Gao Peng
Huazhong university of science & technology, Wuhan, 430074, China

The research background, structure, work principle and design methods of the main circuits of a newly developed teaching instrument for superposition of video signs with video frequency are introduced. The circuit of the instrument is composed of three parts: the signal separation circuit, the counter circuit and the switch circuit. The experiment is designed to be opening and investigative so that through this instrument the students can not only solidify the basic knowledge of video frequency, learn about the most frontier research and its application in related arena, but also improve their understanding about the application of large scale programmable logic elements and the descriptive language for the hardware. Teaching experiences with this instrument demonstrate that the students can broaden their envision and enhance their operation capability via this instrument.

video frequency; superposition of sign; experiment instrument

2009-12-30

陈晶田，工程师。

*本文获华中科技大学实验技术研究基金支持。