基于MB90092型專(zhuān)用字符疊加電路的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

隨著監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的擴(kuò)展和探頭數(shù)量增多，在監(jiān)控端的圖像顯示系統(tǒng)中，經(jīng)常需要接收外部數(shù)據(jù)并把相關(guān)的信息實(shí)時(shí)地連同圖像顯示在監(jiān)控屏幕上，以便使用人員知道該圖像信息以何種方式來(lái)自何處及與之相關(guān)的信息，時(shí)間，地區(qū)徽標(biāo)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。但是對(duì)于監(jiān)控人員而言，監(jiān)控端遭到攻擊是一個(gè)值得擔(dān)心的問(wèn)題，因此，改善技術(shù)方案和增強(qiáng)安全性是對(duì)目前狀況提出的一種迫切要求。監(jiān)控人員希望所看到的是得到驗(yàn)證的真實(shí)圖像，無(wú)論時(shí)間、環(huán)境、探頭位置、角度和焦距都必須得到保證。在遠(yuǎn)程監(jiān)控場(chǎng)合，有關(guān)重要部門(mén)的監(jiān)控者往往對(duì)于接收?qǐng)D像的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性不完全放心，尤其是如果對(duì)高科技對(duì)象實(shí)時(shí)監(jiān)控，那么，當(dāng)監(jiān)控者因故臨時(shí)離開(kāi)監(jiān)控臺(tái)一段時(shí)間后，由于不知道被監(jiān)控方是否對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了攻擊，故而往往有確認(rèn)探頭工作正常和所見(jiàn)圖像真實(shí)性的要求。

筆者引入對(duì)抗的概念設(shè)計(jì)了一種具備安全性保障的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了在屏幕上疊加動(dòng)態(tài)偽隨機(jī)符號(hào)的方法防止系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)監(jiān)控頭被拆卸。一旦線路被拆動(dòng)，主監(jiān)控端給出的確認(rèn)標(biāo)識(shí)將不再顯示，從而檢測(cè)出被監(jiān)控方高科技人員隨意拆動(dòng)監(jiān)控頭系統(tǒng)的行為，有效防止了因信號(hào)傳輸線路被隨意改動(dòng)而導(dǎo)致偽圖像的引入，本系統(tǒng)能在一些要求高且監(jiān)控背景不具有環(huán)境特征的特殊場(chǎng)合應(yīng)用，例如在背景為藍(lán)天、白墻和曠野等特殊場(chǎng)合及一些重要部門(mén)。

2 圖像疊加的原理及設(shè)計(jì)思路

為了達(dá)到圖像疊加的目的，必須先了解圖像傳送的原理，目前電路技術(shù)中采用順序（輪流）傳送像素的方法。在發(fā)送端按照各個(gè)像素的行列位置逐個(gè)發(fā)送到接收端，在接收端的顯示屏幕上，各個(gè)像素也是一個(gè)一個(gè)顯現(xiàn)的。所以，如果想在接收端得到預(yù)期的影像，發(fā)送端與接收端必須同步。所謂疊加，就是保證經(jīng)視頻信號(hào)提取電路分理出的行和場(chǎng)信號(hào)與所需疊加的圖像信號(hào)符合同步要求的條件下，在視頻信號(hào)相應(yīng)的位置疊加圖標(biāo)信號(hào)的電平。

為了防止被監(jiān)控對(duì)象私自改動(dòng)線路和引入虛假圖像來(lái)迷惑監(jiān)控者，本設(shè)計(jì)引入了對(duì)抗的思路：一是設(shè)計(jì)的監(jiān)控頭附加電路采用偽隨機(jī)序列編碼顯示各種類(lèi)型的圖形或字符，而遠(yuǎn)程監(jiān)控中心也采用與之相對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)序列編碼來(lái)檢測(cè)各種類(lèi)型的圖形或字符，由于各探頭所使用的編碼均不相同，所以可防止非法調(diào)換監(jiān)控頭。二是采用硬件視頻信號(hào)檢測(cè)電路，能檢測(cè)出在運(yùn)行過(guò)程中傳輸線路與監(jiān)控頭設(shè)備可能發(fā)生的分離現(xiàn)象，從而采取相應(yīng)措施。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文介紹的圖像疊加應(yīng)用系統(tǒng)采用了3塊主要電路：89c52型單片機(jī)、mb90092型專(zhuān)用字符疊加電路和la7806型同步分離器。其中，mb90092對(duì)模擬視頻輸入信號(hào)進(jìn)行字符及圖形疊加并產(chǎn)生混合信號(hào)，89c52處理待顯字符圖標(biāo)及報(bào)警；la7806實(shí)現(xiàn)行信號(hào)和場(chǎng)信號(hào)的分離。

3.1 硬件電路的設(shè)計(jì)及模塊

本視頻圖像疊加系統(tǒng)探頭部分附加的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要工作原理是89c52按照控制要求向mb90092發(fā)送控制命令，如顯示控制和vram寫(xiě)地址控制等，而探頭發(fā)出的視頻信號(hào)經(jīng)la7806分離出行和場(chǎng)同步信號(hào)后與原視頻信號(hào)一同輸入mb90092；mb90092根據(jù)單片機(jī)的指令讀取字庫(kù)mbm29f040中的字符并將圖像信號(hào)、疊加字符、符合消隱脈沖及復(fù)合同步脈沖按一定比例混合在一起，送出視頻輸出信號(hào)。由于線路被拆斷會(huì)導(dǎo)致視頻輸入/輸出信號(hào)的中斷，所以單片機(jī)還通過(guò)檢測(cè)la7806，其是否有場(chǎng)同步來(lái)判斷視頻輸入信號(hào)的有無(wú)，通過(guò)輸出視頻信號(hào)檢測(cè)電路來(lái)判斷視頻輸出信號(hào)的有無(wú)。對(duì)于異常情況，89c52將收到中斷請(qǐng)求，隨后向mb90092發(fā)出停止顯示字符命令，以便向中央監(jiān)控室報(bào)警。

3.1.1 視頻箝位電路

視頻箝位電路是視頻輸入信號(hào)預(yù)處理模塊。mb90092接收的復(fù)合視頻信號(hào)電平是2vp－p，而且需要有1v的直流偏置。因此，需要對(duì)攝像頭輸出的1vp－p視頻信號(hào)電平進(jìn)行箝位和放大。放大電路采用max457型視頻放大器，放大倍數(shù)為2。該電路選擇導(dǎo)通壓降相同二極管和三極管，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器r2使d1負(fù)相端的箝位電壓為1v，同時(shí)輸出端的視頻信號(hào)（vout）上疊加1v的直流偏置，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。

3.1.2 視頻信號(hào)同步分離電路

選用sanyo公司的la7806型同步處理器（詳細(xì)技術(shù)資料見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]）。它從視頻信號(hào)中分理出復(fù)合同步、復(fù)合消隱等信號(hào)并使這些信號(hào)能同步協(xié)調(diào)工作。有些設(shè)計(jì)人員使用national semiconductor公司的lm1881型行場(chǎng)分離器，該電路的集成度高，只需少量外圍電路就可有效地提取出視頻信號(hào)中的同步信號(hào)，但是在低信噪比（s/n）條件下，由于lm1881分離出的復(fù)合同步信號(hào)存在左右晃動(dòng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的工作受到影響。

3.1.3 字符疊加模塊

fujitsu公司的mb90092是用cmos工藝制成的osd可編程大規(guī)模集成電路，其功能框圖如圖2所示，具有視頻信號(hào)發(fā)生器、顯示存儲(chǔ)器（vram）和字形存儲(chǔ)器接口，只需少量外部元件就可具備字符和圖形顯示功能。mb90092可用于計(jì)算機(jī)控制的錄像機(jī)、vcd等視頻設(shè)備的屏幕字符顯示。該電路有視頻信號(hào)輸入/輸出功能，可作為一種通用的osd，完成視頻信號(hào)與字符的疊加顯示。可外接2m字節(jié)的rom，可在屏幕提供兩種疊加方法，分別稱(chēng)為主屏疊加和副屏疊加。二者可獨(dú)立或重疊出現(xiàn)在監(jiān)視器上。主屏顯示支持的字符顯示點(diǎn)陣為24×32，顯示容量為12行，每行24個(gè)字符或漢字，每個(gè)字符可以是不同的顏色。字體大小的控制方式有標(biāo)準(zhǔn)（24×32點(diǎn)陣）、雙倍寬、雙倍高、雙倍寬×雙倍高、4倍寬×4倍高。顯示位置控制可設(shè)置水平方向和垂直方向的起始位置，同時(shí)可設(shè)定行距。mb90092的內(nèi)部視頻信號(hào)發(fā)生器支持ntsc制式或pal制式、可選擇逐行或隔行掃描方式，并可提供y/c，復(fù)合視頻、r、g、b等多種方式輸出。副屏可以輔助主屏顯示附加信息，如windows的下拉菜單功能。同時(shí)，mb90092內(nèi)部可自行產(chǎn)生同步信號(hào)，無(wú)需外加視頻信號(hào)和同步信號(hào)，可直接輸出疊加字符信號(hào)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，mb90092只有3條通信線（cs，sclk，sin）與89c52進(jìn)行通信，由于89c52本身沒(méi)有串行外設(shè)接口，因此，在軟件設(shè)計(jì)中，利用89c52的普通i/0口模擬串行通信，利用軟件實(shí)現(xiàn)模擬spi方式進(jìn)行通信，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入/輸出及片選信號(hào)，但是mb90092沒(méi)有輸入到89c52的通信線，此模擬spi系統(tǒng)總線只需3條線即可實(shí)現(xiàn)。

mb90092與外部單片機(jī)的接口時(shí)序如圖3所示。首先，cs片選有效，在每個(gè)時(shí)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(gè)字節(jié)，然后cs和sclk分別為高電平，作為一個(gè)字節(jié)的結(jié)束，接著發(fā)送下個(gè)字節(jié)，在串行傳輸中，時(shí)鐘對(duì)收到的bit計(jì)數(shù)，通過(guò)強(qiáng)制cs為高電平，可以復(fù)位串行傳輸，通過(guò)強(qiáng)制cs從高電平到低電平，清除復(fù)位，使得隨后的8bit數(shù)據(jù)是一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。如果在8bit數(shù)據(jù)中間cs變?yōu)楦唠娖?，則這個(gè)數(shù)據(jù)無(wú)效。

3.1.4 漢字字庫(kù)模塊

漢字字庫(kù)模塊采用外掛的mbm29f040 型flash存儲(chǔ)器，其中，存儲(chǔ)所需疊加的字符每個(gè)都由24×32個(gè)點(diǎn)陣組成，即每一個(gè)字符由96個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)表示。根據(jù)電路與外部字符存儲(chǔ)器的地址接口關(guān)系及電路讀取點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的順序，事前將所需字符燒錄到外部存儲(chǔ)器中。這樣的外部字符存儲(chǔ)器給設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便。系統(tǒng)可以根據(jù)需要隨時(shí)更改字符點(diǎn)陣。

3.1.5 緩沖放大模塊

輸出緩沖放大采用max470型放大器，該電路內(nèi)含4個(gè)相同的視頻放大器。各個(gè)輸入端之間和各個(gè)輸出端之前均用地線或電源線隔開(kāi)，每塊視頻輸出插板需要2個(gè)max470。該電路的主要特點(diǎn)是帶寬為90mhz，增益為2v/v，微分增益為0.01％，微分相位為0.03°，轉(zhuǎn)換速率為300/μs，切換時(shí)間為20ns，輸入電容為5pf，輸出可設(shè)定為高阻態(tài)以減少功率消耗。

3.1.6 傳輸線路中斷檢測(cè)

線路檢測(cè)的目的有二：一是有沒(méi)有視頻輸入信號(hào)；二是視頻輸出信號(hào)是不是被切斷。其中，通過(guò)檢測(cè)是否有場(chǎng)同步判斷有無(wú)視頻輸入信號(hào)。視頻信號(hào)經(jīng)la7806同步分離后，把場(chǎng)同步信號(hào)接入89c52的p3.3作為外部中斷源。正常情況下，由mb90092輸出的視頻疊加混合信號(hào)（vout）存在相應(yīng)的電流和電壓。若傳輸線路被人切斷，線路電流也被切斷。為了保證工作可靠，在經(jīng)過(guò)一定的時(shí)延（使用施密特觸發(fā)器）后，如果進(jìn)行檢測(cè)的模擬線路還檢測(cè)出電流停止的情況，則可確認(rèn)線路被切斷，從而向單片機(jī)的外部中斷提出報(bào)警中斷請(qǐng)求。

本設(shè)計(jì)方案是設(shè)置單片機(jī)中的某一單元。由于單片機(jī)中的rom單元為flash memory，不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，單片機(jī)在運(yùn)行中每給mb90092發(fā)送一次字符前都要檢測(cè)該單元，若發(fā)現(xiàn)該單元置位，將永久性拒絕繼續(xù)發(fā)送疊加字符，因此無(wú)論線路是否恢復(fù)正常，監(jiān)控者在此后任意時(shí)間內(nèi)都能發(fā)現(xiàn)線路變動(dòng)的情況。

3.2 圖像疊加系統(tǒng)的軟件

本項(xiàng)目需要在原始視頻信號(hào)上疊加圖像信息以滿(mǎn)足監(jiān)控需要和檢測(cè)偷換視頻監(jiān)控頭的作假行為。因此，單片機(jī)要控制疊加輸出的字符圖像，還要按照偽隨機(jī)序列的安排給出所選字符及其顏色、位置和背景等信息。給出待疊加顯示的字符指令的同時(shí)給出字符的顏色、位置、背景等指令。通過(guò)指針對(duì)于各條指令入口地址的偽隨機(jī)變動(dòng)，每一指令選取地址的序列形成一個(gè)看似無(wú)序的偽隨機(jī)序列，這樣可以更有效地防止被監(jiān)控方識(shí)破標(biāo)識(shí)而發(fā)生的造假。

軟件流程先對(duì)程序初始化，再?gòu)膍bm29f040中調(diào)取字幕種類(lèi)和顯示位置數(shù)據(jù)填充mb90092，結(jié)合輸入的原視頻及其同步分離信號(hào)混合輸出。輸出從信號(hào)中檢測(cè)的異常情況引起中斷，導(dǎo)致單片機(jī)外部中斷的變化，清除顯示字符疊加標(biāo)志，程序停止發(fā)送字符。

4 遠(yuǎn)程檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

為了使中央控制室的監(jiān)控人員能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)要對(duì)相應(yīng)的情況進(jìn)行報(bào)警。線路被切斷的情況在一節(jié)已經(jīng)介紹，本節(jié)介紹的遠(yuǎn)程檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要檢測(cè)探頭被非法更換的情況。這種情況可以通過(guò)人工檢測(cè)或計(jì)算機(jī)檢測(cè)，人工檢測(cè)僅僅可以看出字符與字符顯示間比較大的差異，肉眼難以分辨的顯示具體位置、外形相近的圖標(biāo)等還必須依靠遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。筆者所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)處于中央監(jiān)控室內(nèi)以配合常規(guī)中央監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)截取各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控頭圖像并對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常并報(bào)警。

遠(yuǎn)程檢測(cè)報(bào)警分為4個(gè)步驟：

（1）利用原中央監(jiān)控系統(tǒng)提供的功能截取探頭圖像；

（2）對(duì)該圖像進(jìn)行處理，分割出疊加的徽標(biāo)；

（3）對(duì)徽標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，得到有關(guān)參數(shù)；

（4）與相應(yīng)的偽隨機(jī)序列進(jìn)行查配。

其流程如圖4所示。

中央監(jiān)控系統(tǒng)裝有監(jiān)控軟件，該軟件包含網(wǎng)絡(luò)通訊程序、軟解碼程序和錄像程序。網(wǎng)絡(luò)通訊程序與被監(jiān)控端探頭連接，提供實(shí)時(shí)監(jiān)控，接收實(shí)時(shí)視頻疊加圖像。錄像程序支持在實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)把實(shí)時(shí)監(jiān)控的分離視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)流分別記錄到硬盤(pán)上，提供錄像資料的管理和檢索。檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)利用中央監(jiān)控系統(tǒng)提供的部分功能。

報(bào)警系統(tǒng)程序可依據(jù)被監(jiān)控端圖像疊加過(guò)程中對(duì)于圖標(biāo)顯示的地址，選擇的字符及其特性都要做出對(duì)應(yīng)的畫(huà)面截取、分割及偽隨機(jī)序列查配，得到的分離結(jié)果與監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的疊加處理是完全一一對(duì)應(yīng)的逆過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)加載了漢字字庫(kù)模塊，編輯功能更強(qiáng)，反攻擊性更高、效果更明顯。硬件設(shè)計(jì)中結(jié)合了單片機(jī)微處理器控制的軟件程序，達(dá)到了防調(diào)換視頻設(shè)備的效果，可確保監(jiān)控圖像的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。