視頻瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中“+”字分劃線疊加的設(shè)計

李 銳，張伯虎

（武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安710086）

隨著國內(nèi)安全形勢的日益嚴(yán)峻，武警部隊擔(dān)負(fù)的任務(wù)越來越重，未來特種、反恐作戰(zhàn)成為主要的作戰(zhàn)形式，利用墻角、掩體隱蔽自己打擊目標(biāo)成為特種、反恐怖作戰(zhàn)中急需解決的問題。本文研究瞄系統(tǒng)中的“+”字疊加模塊，采用電子化疊加瞄準(zhǔn)“+”字線，有效克服機(jī)械松動或錯位現(xiàn)象，降低了震動對射擊精度的影響。通過字符發(fā)生器產(chǎn)生字符信息，后經(jīng)字符疊加器將“+”字瞄準(zhǔn)指示線與原始視頻疊加，并在顯示視場范圍內(nèi)通過按鍵控制“+”字線的位置調(diào)節(jié)。與現(xiàn)有輕武器相結(jié)合，有效提高了瞄準(zhǔn)和射擊精度，使射手能在全隱蔽的狀態(tài)下對目標(biāo)進(jìn)行快速瞄準(zhǔn)射擊。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.1 “+”字線分劃的計算方法

本文設(shè)計的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的“+”字分劃適合人慣性瞄準(zhǔn)。由于瞄準(zhǔn)“+”字線是經(jīng)電子化疊加后與目標(biāo)圖像同時顯示，因此可以將瞄準(zhǔn)“+”字線與目標(biāo)物體視為CCD靶面上的一個成像整體。只需瞄準(zhǔn)目標(biāo)對應(yīng)的分劃點(diǎn)即可。

瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是針對部隊配發(fā)的槍械，彈道固定，彈著點(diǎn)數(shù)據(jù)可參考95式射表得到。該系統(tǒng)設(shè)定的“+”字線中心為100 m瞄準(zhǔn)基線，對300 m和500 m射擊距離進(jìn)行分劃。利用彈道剛性原理可得300 m與500 m處彈道下降位置。利用光學(xué)成像原理得出彈著點(diǎn)與分劃的對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。 其中，f′為物鏡焦距，A′和 B′到光軸的距離分別等于A和B到光軸的距離h3和h5，則有：

圖1 “+”字分劃原理圖

1.2 視頻字符疊加技術(shù)與原理

“+”字線疊加利用了視頻字符疊加技術(shù)，以一定的透明度顯示指定的“+”字線瞄準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)視頻時序下完成這些信息數(shù)據(jù)的二維嵌入。待疊加的“+”字線分劃可被認(rèn)為是由許多像素點(diǎn)組成的“+”字形字符點(diǎn)矩陣。

視頻掃描時的同步和定時信號是顯示過程中最為重要的因素，數(shù)字信號處理電路中必須有像素點(diǎn)時鐘信號，由它控制順序傳輸和讀取數(shù)字視頻信號，像素點(diǎn)時鐘的個數(shù)與顯示器一行內(nèi)像素點(diǎn)的個數(shù)相等。以水平軸表示像素點(diǎn)時鐘信號，垂直軸表示行同步信號，建立像素點(diǎn)疊加時間軸，點(diǎn)時鐘應(yīng)在行掃描正程時間52 μs內(nèi)掃描800個像素，即：

為確保疊加時間軸的坐標(biāo)原點(diǎn)為顯示器上的(0，0)點(diǎn)，必須利用場同步信號進(jìn)行定位。同時，該定位信號也作為行位置計數(shù)器的觸發(fā)信號，進(jìn)行行同步計數(shù)，行位置計數(shù)器控制像素點(diǎn)在顯示器上疊加的垂直位置。

瞄準(zhǔn)“+”字線疊加是像素點(diǎn)以場疊加的方式進(jìn)行矩陣化疊加?！?”字線各像素點(diǎn)顯示位置與行、場掃描有同樣的映射關(guān)系。主要區(qū)別為：需要在場消隱期對字符存儲器開辟滿場的疊加數(shù)據(jù)空間，將“+”字線點(diǎn)矩陣根據(jù)顯示存儲器的存儲地址按標(biāo)準(zhǔn)視頻時序存入字符存儲器的相應(yīng)地址空間，在下一場正程掃描時，將字符存儲器中的數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換后按內(nèi)部時鐘節(jié)拍輸出，輸出的序列疊加信號由高電平脈沖組成，可直接接至模擬開關(guān)的選通邏輯控制端進(jìn)行信號切換，疊加生成新的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號輸出。其中，字符在水平和垂直方向上的大小取決于像素點(diǎn)在這兩個方向上的延伸程度，即由行位置計數(shù)器重復(fù)計數(shù)的次數(shù)和列位置延時器與各行同步脈沖間的最大延時差決定。

瞄準(zhǔn)“+”字線字符數(shù)據(jù)在字符存儲器中的存放采用“屏幕存儲映射”方式。這里的“屏幕”并不是指顯示器，而是由顯示存儲器映射出的虛擬存儲空間。一個顯示存儲單元對應(yīng)顯示器的一個像素點(diǎn)。因此，瞄準(zhǔn)“+”字線在顯示器上顯示的行列位置取決于它在字符存儲器中的存儲位置。

1.3 “+”字線字符疊加硬件設(shè)計

“+”字線疊加模塊由CCD視頻圖像采集器、單片機(jī)、視頻字符疊加芯片、按鍵及相關(guān)電路組成。PC將待疊加字符信息和操作指令實(shí)時發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)通過軟件模擬的SPI接口控制視頻字符疊加芯片進(jìn)行“+”字線的疊加，并由單片機(jī)檢測按鍵狀態(tài)，通過SPI接口控制視頻字符疊加器實(shí)現(xiàn)“+”字線疊加位置的調(diào)整[1]。實(shí)現(xiàn)字符疊加的電路結(jié)構(gòu)一般包括視頻箝位電路、同步分離電路、視頻疊加時鐘電路和疊加字符信息處理電路等，它將存儲在ROM中的字符信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭莎B加在視頻信號上的信息。

芯片選用MAX7456，它集成了外同步視頻驅(qū)動、視頻信號分離、字符存儲與視頻切換等功能，可方便地以任意字符、尺寸顯示疊加信息[2]，其功能實(shí)現(xiàn)簡單，體積小。

1.3.1 MAX7456硬件電路

圖2 MAX7456硬件電路圖

MAX7456硬件電路如圖2所示，MAX7456芯片的引腳CLKIN與XFB之間連接27 MHz晶體振蕩器作為時鐘輸入信號，用于視頻定時發(fā)生器產(chǎn)生時序信息；視頻信號則通過RC濾波電路接入VIN引腳，由VOUT引腳輸出。

1.3.2 基于AT89C2051單片機(jī)的疊加控制電路

模塊采用AT89C2051單片機(jī)作為核心控制元件，工作時鐘頻率為0～20 MHz。由于單片機(jī)不支持SPI串行接口，因此需要利用其I/O端口，通過軟件模擬SPI總線。引腳 P1.2、P1.3、P1.4和 P1.5用來模擬實(shí)現(xiàn) SPI總線接口功能[3]。

(1)AT892051與MAX7456芯片的硬件連接。由單片機(jī)連接控制MAX7456芯片，完成“+”字分劃的疊加和位置調(diào)整。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示，將它的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5引腳分別與 MAX7456 SPI接口的引腳SDOUT、SCLK、SDIN、CS對應(yīng)連接， 進(jìn)行 MAX7456芯片的配置和寄存器的讀寫。

圖3 AT89C2051最小系統(tǒng)電路圖

單片機(jī)的P3.2～P3.5及P3.7分別連接5個按鍵，對應(yīng)為“+”字瞄準(zhǔn)線的上、下、左、右移動按鍵和位置確認(rèn)按鍵。

(2)電平轉(zhuǎn)換電路。PC串口通信使用RS-232協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[4]，因與單片機(jī)使用的電平種類不一致，無法直接進(jìn)行串口通信，故選用MAX323芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。該芯片采用專有低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0 V～5.5 V電源供電時，實(shí)現(xiàn)了RS-232性能。外圍器件僅需4個0.1 μF小尺寸電荷泵電容，能夠確保在 120 kb/s數(shù)據(jù)速率下維持RS-232輸出電平，同時具有2路接收器和2路驅(qū)動器[5]，電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。電路連接如圖4所示，PC通過 TX1發(fā)送信息輸入MAX3232的R1_IN完成電平轉(zhuǎn)換，由R1_OUT輸出送入AT89C2051的RXD，即可實(shí)現(xiàn)與PC的串口通信并完成程序下載。

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路連接圖

(3)視頻保護(hù)電路。視頻保護(hù)電路可防止外部電壓異常而損壞電路板，每個視頻輸入和輸出信號分別通過一個二極管正向接到電壓端通過另一個二極管反向接到地端。當(dāng)端口電壓過高時，正向二極管導(dǎo)通，電流通過正向二極管釋放；當(dāng)端口電壓為負(fù)時，反向二極管導(dǎo)通，電流通過反向二極管釋放。這樣，內(nèi)部電路就不會因?yàn)橥獠慨惓ｋ妷憾鴵p壞。

2 “十”字線疊加軟件設(shè)計

軟件部分主要由PC軟件和單片機(jī)程序構(gòu)成，兩者一起完成字符的疊加和字符位置的移動。PC軟件主要完成對MAX7456字符信息的添加或更改、“+”字線位置的移動以及對模塊的管理。單片機(jī)程序是系統(tǒng)軟件的重點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)字符串顯示以及“+”字線的方位移動等功能。

“+”字符疊加顯示流程和控制方位移動的流程如圖5所示。由單片機(jī)檢測按鍵狀態(tài)，當(dāng)無檢測信號輸入時，返回檢測；當(dāng)有信號輸入時，進(jìn)入中斷處理程序。通過SPI接口對“+”字線進(jìn)行相應(yīng)方位的移動操作，同時將當(dāng)前位置存儲到Flash中，確保下次啟動時仍處于前一次關(guān)閉系統(tǒng)時的位置。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證觀瞄效果、水平瞄準(zhǔn)精度。實(shí)驗(yàn)程序如下：

(1)瞄準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

①視頻瞄準(zhǔn)系統(tǒng)通過皮卡導(dǎo)軌固定于自動步槍上，在瞄準(zhǔn)鏡后設(shè)計有兩英寸的顯示屏，指揮平臺上也有顯示系統(tǒng)，將它放置在實(shí)驗(yàn)臺上。

②通過瞄準(zhǔn)鏡上的控制按鈕使“+”字分劃線居于屏幕顯示的中間。

③對屏幕中視頻“+”字分劃線的疊加效果進(jìn)行觀察。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，從瞄準(zhǔn)鏡可清晰觀察到瞄準(zhǔn)目標(biāo)圖像，有 100 m、300 m、500 m三個瞄準(zhǔn)點(diǎn)，同時可調(diào)整分劃位置，達(dá)到了校正目的，瞄準(zhǔn)精度能滿足要求。

(2)射擊實(shí)驗(yàn)

組織兩名戰(zhàn)士進(jìn)行步槍100 m實(shí)彈射擊，先使用未安裝瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的步槍進(jìn)行兩組射擊，每組4發(fā)子彈；休息一段時間后，將步槍安裝瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，再次進(jìn)行兩組射擊，每組4發(fā)子彈。射擊完畢后對比射擊成績?nèi)绫?所示。

表1 實(shí)彈射擊成績表

對比結(jié)果是，甲戰(zhàn)士總成績提高12環(huán)，平均成績提高2.5環(huán)；乙戰(zhàn)士總成績提高5環(huán)，平均成績提高1.25環(huán)。安裝瞄準(zhǔn)鏡后射擊成績明顯提高。

研究了視頻瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中“+”字分劃的疊加，實(shí)現(xiàn)功能拐彎射擊，使持槍者在全隱蔽狀態(tài)下瞄準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行射擊。該瞄準(zhǔn)鏡的電子分劃有3個距離瞄準(zhǔn)點(diǎn)，分劃位置可調(diào)整，瞄準(zhǔn)距離達(dá)到100 m～500 m，提高了射擊精度。

圖5 “+”字線的疊加和移動軟件流程

[1]張志華，吳建學(xué).基于MAX7456的視頻字符疊加系統(tǒng)設(shè)計[C].2009通信理論與技術(shù)新發(fā)展——第十四屆全國青年通信學(xué)術(shù)會議論文集，北京，2009：468-472.

[2]卞愛琴，張金藝，何建波.視頻字符疊加芯片及應(yīng)用閉[J].電視技術(shù)，2003(05)：74-76.

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[4]李慧玲.MB90092芯片在成像測井字符疊加中的應(yīng)用[J].蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2012(01)：12-14.

[5]田雁，曹劍中.視頻監(jiān)控系統(tǒng)中雙路視頻字符疊加器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)閉[J].光子學(xué)報，2004，16(33)：634-637.