视频瞄准系统中“+”字分划线叠加的设计

李 锐，张伯虎

（武警工程大学 信息工程系，陕西 西安710086）

随着国内安全形势的日益严峻，武警部队担负的任务越来越重，未来特种、反恐作战成为主要的作战形式，利用墙角、掩体隐蔽自己打击目标成为特种、反恐怖作战中急需解决的问题。本文研究瞄系统中的“+”字叠加模块，采用电子化叠加瞄准“+”字线，有效克服机械松动或错位现象，降低了震动对射击精度的影响。通过字符发生器产生字符信息，后经字符叠加器将“+”字瞄准指示线与原始视频叠加，并在显示视场范围内通过按键控制“+”字线的位置调节。与现有轻武器相结合，有效提高了瞄准和射击精度，使射手能在全隐蔽的状态下对目标进行快速瞄准射击。

1 系统实现

1.1 “+”字线分划的计算方法

本文设计的瞄准系统的“+”字分划适合人惯性瞄准。由于瞄准“+”字线是经电子化叠加后与目标图像同时显示，因此可以将瞄准“+”字线与目标物体视为CCD靶面上的一个成像整体。只需瞄准目标对应的分划点即可。

瞄准系统是针对部队配发的枪械，弹道固定，弹着点数据可参考95式射表得到。该系统设定的“+”字线中心为100 m瞄准基线，对300 m和500 m射击距离进行分划。利用弹道刚性原理可得300 m与500 m处弹道下降位置。利用光学成像原理得出弹着点与分划的对应关系，如图1所示。 其中，f′为物镜焦距，A′和 B′到光轴的距离分别等于A和B到光轴的距离h3和h5，则有：

图1 “+”字分划原理图

1.2 视频字符叠加技术与原理

“+”字线叠加利用了视频字符叠加技术，以一定的透明度显示指定的“+”字线瞄准，在标准视频时序下完成这些信息数据的二维嵌入。待叠加的“+”字线分划可被认为是由许多像素点组成的“+”字形字符点矩阵。

视频扫描时的同步和定时信号是显示过程中最为重要的因素，数字信号处理电路中必须有像素点时钟信号，由它控制顺序传输和读取数字视频信号，像素点时钟的个数与显示器一行内像素点的个数相等。以水平轴表示像素点时钟信号，垂直轴表示行同步信号，建立像素点叠加时间轴，点时钟应在行扫描正程时间52 μs内扫描800个像素，即：

为确保叠加时间轴的坐标原点为显示器上的(0，0)点，必须利用场同步信号进行定位。同时，该定位信号也作为行位置计数器的触发信号，进行行同步计数，行位置计数器控制像素点在显示器上叠加的垂直位置。

瞄准“+”字线叠加是像素点以场叠加的方式进行矩阵化叠加。“+”字线各像素点显示位置与行、场扫描有同样的映射关系。主要区别为：需要在场消隐期对字符存储器开辟满场的叠加数据空间，将“+”字线点矩阵根据显示存储器的存储地址按标准视频时序存入字符存储器的相应地址空间，在下一场正程扫描时，将字符存储器中的数据串/并转换后按内部时钟节拍输出，输出的序列叠加信号由高电平脉冲组成，可直接接至模拟开关的选通逻辑控制端进行信号切换，叠加生成新的标准视频信号输出。其中，字符在水平和垂直方向上的大小取决于像素点在这两个方向上的延伸程度，即由行位置计数器重复计数的次数和列位置延时器与各行同步脉冲间的最大延时差决定。

瞄准“+”字线字符数据在字符存储器中的存放采用“屏幕存储映射”方式。这里的“屏幕”并不是指显示器，而是由显示存储器映射出的虚拟存储空间。一个显示存储单元对应显示器的一个像素点。因此，瞄准“+”字线在显示器上显示的行列位置取决于它在字符存储器中的存储位置。

1.3 “+”字线字符叠加硬件设计

“+”字线叠加模块由CCD视频图像采集器、单片机、视频字符叠加芯片、按键及相关电路组成。PC将待叠加字符信息和操作指令实时发送至单片机，单片机通过软件模拟的SPI接口控制视频字符叠加芯片进行“+”字线的叠加，并由单片机检测按键状态，通过SPI接口控制视频字符叠加器实现“+”字线叠加位置的调整[1]。实现字符叠加的电路结构一般包括视频箝位电路、同步分离电路、视频叠加时钟电路和叠加字符信息处理电路等，它将存储在ROM中的字符信息转变为可叠加在视频信号上的信息。

芯片选用MAX7456，它集成了外同步视频驱动、视频信号分离、字符存储与视频切换等功能，可方便地以任意字符、尺寸显示叠加信息[2]，其功能实现简单，体积小。

1.3.1 MAX7456硬件电路

图2 MAX7456硬件电路图

MAX7456硬件电路如图2所示，MAX7456芯片的引脚CLKIN与XFB之间连接27 MHz晶体振荡器作为时钟输入信号，用于视频定时发生器产生时序信息；视频信号则通过RC滤波电路接入VIN引脚，由VOUT引脚输出。

1.3.2 基于AT89C2051单片机的叠加控制电路

模块采用AT89C2051单片机作为核心控制元件，工作时钟频率为0～20 MHz。由于单片机不支持SPI串行接口，因此需要利用其I/O端口，通过软件模拟SPI总线。引脚 P1.2、P1.3、P1.4和 P1.5用来模拟实现 SPI总线接口功能[3]。

(1)AT892051与MAX7456芯片的硬件连接。由单片机连接控制MAX7456芯片，完成“+”字分划的叠加和位置调整。单片机最小系统如图3所示，将它的P1.2、P1.3、P1.4、P1.5引脚分别与 MAX7456 SPI接口的引脚SDOUT、SCLK、SDIN、CS对应连接， 进行 MAX7456芯片的配置和寄存器的读写。

图3 AT89C2051最小系统电路图

单片机的P3.2～P3.5及P3.7分别连接5个按键，对应为“+”字瞄准线的上、下、左、右移动按键和位置确认按键。

(2)电平转换电路。PC串口通信使用RS-232协议标准[4]，因与单片机使用的电平种类不一致，无法直接进行串口通信，故选用MAX323芯片进行电平转换。该芯片采用专有低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0 V～5.5 V电源供电时，实现了RS-232性能。外围器件仅需4个0.1 μF小尺寸电荷泵电容，能够确保在 120 kb/s数据速率下维持RS-232输出电平，同时具有2路接收器和2路驱动器[5]，电路结构简单，易于实现。电路连接如图4所示，PC通过 TX1发送信息输入MAX3232的R1_IN完成电平转换，由R1_OUT输出送入AT89C2051的RXD，即可实现与PC的串口通信并完成程序下载。

图4 电平转换电路连接图

(3)视频保护电路。视频保护电路可防止外部电压异常而损坏电路板，每个视频输入和输出信号分别通过一个二极管正向接到电压端通过另一个二极管反向接到地端。当端口电压过高时，正向二极管导通，电流通过正向二极管释放；当端口电压为负时，反向二极管导通，电流通过反向二极管释放。这样，内部电路就不会因为外部异常电压而损坏。

2 “十”字线叠加软件设计

软件部分主要由PC软件和单片机程序构成，两者一起完成字符的叠加和字符位置的移动。PC软件主要完成对MAX7456字符信息的添加或更改、“+”字线位置的移动以及对模块的管理。单片机程序是系统软件的重点，主要实现字符串显示以及“+”字线的方位移动等功能。

“+”字符叠加显示流程和控制方位移动的流程如图5所示。由单片机检测按键状态，当无检测信号输入时，返回检测；当有信号输入时，进入中断处理程序。通过SPI接口对“+”字线进行相应方位的移动操作，同时将当前位置存储到Flash中，确保下次启动时仍处于前一次关闭系统时的位置。

3 实验

实验验证观瞄效果、水平瞄准精度。实验程序如下：

(1)瞄准实验

①视频瞄准系统通过皮卡导轨固定于自动步枪上，在瞄准镜后设计有两英寸的显示屏，指挥平台上也有显示系统，将它放置在实验台上。

②通过瞄准镜上的控制按钮使“+”字分划线居于屏幕显示的中间。

③对屏幕中视频“+”字分划线的叠加效果进行观察。

实验结果证明，从瞄准镜可清晰观察到瞄准目标图像，有 100 m、300 m、500 m三个瞄准点，同时可调整分划位置，达到了校正目的，瞄准精度能满足要求。

(2)射击实验

组织两名战士进行步枪100 m实弹射击，先使用未安装瞄准系统的步枪进行两组射击，每组4发子弹；休息一段时间后，将步枪安装瞄准系统，再次进行两组射击，每组4发子弹。射击完毕后对比射击成绩如表1所示。

表1 实弹射击成绩表

对比结果是，甲战士总成绩提高12环，平均成绩提高2.5环；乙战士总成绩提高5环，平均成绩提高1.25环。安装瞄准镜后射击成绩明显提高。

研究了视频瞄准系统中“+”字分划的叠加，实现功能拐弯射击，使持枪者在全隐蔽状态下瞄准目标进行射击。该瞄准镜的电子分划有3个距离瞄准点，分划位置可调整，瞄准距离达到100 m～500 m，提高了射击精度。

图5 “+”字线的叠加和移动软件流程

[1]张志华，吴建学.基于MAX7456的视频字符叠加系统设计[C].2009通信理论与技术新发展——第十四届全国青年通信学术会议论文集，北京，2009：468-472.

[2]卞爱琴，张金艺，何建波.视频字符叠加芯片及应用闭[J].电视技术，2003(05)：74-76.

[3]MAX7456 single channel monochrome on screen display with integrated EEPROM[EB/OL](2008-08-12)[2012-01-12].http：//datasheets.Maxim-ic.com/en/ds/MAX7456.pdf.

[4]李慧玲.MB90092芯片在成像测井字符叠加中的应用[J].兰州工业高等专科学校学报，2012(01)：12-14.

[5]田雁，曹剑中.视频监控系统中双路视频字符叠加器设计与实现闭[J].光子学报，2004，16(33)：634-637.