技术领域
[0001] 本
发明涉及视音频播控领域，具体涉及一种网络交互式高清字符叠加系统。
背景技术
[0002] 字符叠加器简称VDM，是英文Video Display Metafile的缩写，是指在视频
信号上叠加人类容易辨识的各类字符信息，并将这些字符信息和原有
视频信号中的内容一起显示在视频显示设备(如监视器、
硬盘刻录机等)上的
电子处理装置，广泛应用于交通监控、
电梯楼宇监控、收费系统监控等场合。
[0003] 在安防监控领域，3G/HD-SDI信号格式的高清视频应用越来越广泛，而且大多数应用环境都需要在SDI摄像机的信号上面叠加字符，用来表示当前摄像机的
位置、时间等信息。目前国内的绝大多数SDI摄像机中携带的字符叠加设备不能够灵活的对不同
分辨率的视频叠加字符，且只能产生ASCII码英文字符，一般不能叠加汉字字符，给使用者造成很大不便。
发明内容
[0004] 鉴于已有技术存在的
缺陷，本发明的目的是要提供一种网络交互式高清字符叠加系统，该字符叠加系统采用网络控制，可以灵活地对3G(3Gbps传输速率)、HD(高清晰度)、SD(标准清晰度)SDI信号进行字符叠加处理，而且整个系统在一台机器上面完成，增加了系统集成度，降低了故障发生的概率，同时避免了大量的
硬件投入，为工作环境节省空间，降低了成本。
[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术方案：
[0006] 网络交互式高清字符叠加系统，包括网络控
制模块、字符图像信号生成模块、字符图像信号叠加模块；其特征在于：
[0007] 所述的网络
控制模块用于为用户提供操作控制界面，采集用户通过所述操作控制界面提交的字符控制信息后进行解析，转换成字符图像信号生成模块能识别的字符设置信息后发送至字符图像信号生成模块；
[0008] 所述的字符图像信号生成模块根据接收到的字符设置信息，读取预设的字库文件中的相应字模，进行字形解析及填充处理，并根据字符图像信号叠加模块发送过来的待叠加视频信号的信号格式将字符逐条进行整合后生成一
帧字符图像发送至字符信号叠加模块；
[0009] 所述的字符信号叠加模块用于接收外部输入的视频信号并对输入的视频信号进行检测，解析出该视频信号的信号格式后发送至字符图像信号生成模块，并将该视频信号缓存至内存芯片中，在接收到来自字符图像信号产生模块的字符图像信号时，将所述字符图像信号叠加到所述视频信号后输出。
[0010] 所述的网络控制模块为嵌入式web
服务器，包括微处理芯片、网络驱动芯片以及RJ45
接口，所述的网络控制模块通过RJ45接口实现将系统通过网线连接至局域网或广域网；所述的微处理芯片是网络控制模块的核心器件，用于接收和解析相应的字符控制信息，所述的网络驱动芯片用于完成模块所需的电平转换处理。
[0011] 进一步的，所述的网络控制模块的微处理芯片能够提供两种字符设置方式：字符标准添加方式和字符自定义添加方式，所述两种设置方式通过在操作控制界面中建立标准添加表单和自定义添加表单两个表单的方式实现。
[0012] 所述的字符图像信号生成模块包括
微处理器、现场可编程
门阵列FPGA、TF卡、EEPROM以及同步随机
存储器SDRAM；所述微处理器用于接收网络控制模块发送来的字符设置信息后，读取预设字库文件中的相应字模并进行自行解析和填充处理并生成一帧字符图像；所述的现场可编程
逻辑门阵列FPGA用于控制将生成的字符图像从微处理器缓存至SDRAM并完成该字符图像的发送处理；所述的TF卡中预设相应的字库文件，所述字库文件包括点阵字库以及矢量字库，便于微处理器调用；所述的EEPROM用于存放系统运行过程中所需的参数，包括字符设置信息和板卡设置信息。
[0013] 进一步的，所述的字符图像信号生成模块根据接收到的字符设置信息，读取预设字库文件中的相应字模，进行字形解析及填充处理的过程包括：
[0014] ①字符图像信号生成模块根据由字符图像信号叠加模块发送过来的视频信号格式计算出对应的字符图像画布的大小，并根据字符图像画布的大小确定字符图像在同步随机存储器SDRAM中的缓存起止地址；
[0015] ②从第一条字符设置信息开始进行处理；
[0016] ③首先由微处理器按照字符设置信息的字体设置信息读取相应的字库文件同时确定字库文件的文件格式，然后对字符设置信息的字符设置内容的第一个字符按照相应字库文件格式检索出该字符对应的字库文件内容即字模，并将对应内容读取至微处理器的ram中；
[0017] ④按照相应字库文件的存储格式对所读取的内容进行解析：鉴于在矢量字库文件中，一个字符的字型是按照笔画的顺序进行存储的，且每一笔画的关键点均是按照压缩
算法进行存储的，各个关键点依次连接构成的多边形就是笔画的外轮廓，因此微处理器在读取了第一个字符相应字库文件的对应内容后，根据所述第一个字符对应的压缩算法反向解析出该字符第一笔笔画的关键点的横纵坐标，由上述关键点依次连接构成该笔画的多边形，然后根据关键点横纵坐标信息，利用向量叉乘积和反三
角函数算法，计算出该笔画多边形的内角和并根据内角和确定多边形方向，再根据多边形方向确定应该对该多边形内的区域进行填充或是抠除；
[0018] ⑤微处理器的ram中预留一段空间(地址)作为字符叠加的操作区，该操作区的地址与上述字符图像画布的
像素依次对应，将第一笔笔画的关键点的横纵坐标地址对应的操作区的元素按照字符的
颜色设置信息写入相应的
亮度和
色度值后，并采用划线法对该多边形内的填充区域进行填充，同时按照字符的颜色设置信息在操作区中与该多边形内的填充区域所对应的地址中写入相应的颜色亮度、色度值，并在操作区中与该多边形内的对应抠除区中的对应地址写入0，按照上述过程处理完第一个字符的所有笔画后，继续处理下一个字符，直到处理完该条设置信息的所有字符内容；
[0019] ⑥按照该条字符设置信息的字符位置信息以及所述的字符图像的画布大小信息，计算出上述操作区中的所有字符内容在同步随机存储器SDRAM中对应的存储地址，由微处理器通过
现场可编程门阵列FPGA发送到SDRAM中的对应地址上；
[0020] ⑦继续按照③～⑥的顺序处理下一条字符，直至每条字符设置信息的字符都处理完，最终在同步随机存储器SDRAM中将要叠加到视频中的字符逐条进行整合后生成构成一帧字符图像；
[0021] ⑧将上述字符图像按照顺序通过LVDS接口发送至字符图像信号叠加模块。
[0022] 所述的字符图像信号叠加模块包括
单片机、现场可编程门阵列FPGA以及内存芯片；所述的单片机用于控制与字符图像信号生成模块的通信，所述的内存芯片用于缓存接收到的视频信号和字符图像信号；所述的现场可编程门阵列FPGA接收字符图像后将所述字符图像缓存至内存芯片，若有外部视频端口输入的视频信号发送过来，则FPGA将字符图像信号叠加到所述视频信号上发送出去。
[0023] 进一步的，所述的字符图像信号叠加模块通过继电器与视频信号输入端连接，用于实现支持视频信号掉电直通功能和系统参数掉电记忆功能，即系统正常供电时，视频信号通过继电器输入到字符图像信号叠加模块中进行处理而断电时继电器断开，输入的视频信号不经过字符图像信号叠加模块直接输出。
[0024] 所述的系统采用插板式结构即一块字符信号生成板卡通过母板插接配合连接多块字符信号叠加板卡，所述的网络控制模块和字符图像信号生成模块集成在字符信号生成板卡上，所述的字符图像信号叠加模块集成在字符信号叠加板卡上。
[0025] 本发明所述的网络交互式高清字符叠加系统，其核心的字符叠加机制为：使用微处理器配合高速存储模块，根据网络控制模块采集到的控制信息，由字符图像生成模块控制读取字库文件、解析字形并填充，然后将字符信息进行整合，生成一帧只包含字符信息的图像缓存至存储模块后发送到字符信号叠加模块，最后由字符信号叠加模块将字符图像信号叠加到采集到的视频信号中后输出以达到在视频信号中叠加字符的目的。
[0027] 1、字符信号叠加模块使用高速内存芯片对视频信号和字符图像信号进行缓存，可以对高达3Gbps传输速率的全高清数字视频信号进行字符叠加处理，并且向下兼容对HD和SD视频信号进行处理；
[0028] 2、硬件上采用插板式结构即一块字符信号生成板卡配合多块字符信号叠加板卡，通过母板进行连接，网络控制模块和字符图像信号生成模块集成在字符信号生成板卡上而字符图像信号叠加模块集成在字符信号叠加板卡上，两种板卡既相互独立又相互配合工作，可实现同时对多路SDI视频信号进行字符叠加，甚至使用这种插板式结构，通过更改字符信号叠加板卡的硬件设计可以实现对HDMI视频信号、DVI视频信号以及VGA视频信号等进行字符叠加；
[0029] 3、由于GA/T 751-2008，即视频图像文字标注规范中已对叠加到视频图像中的时间、地点等信息的字符字体、字符大小、字符位置等有相应的规范，同时为了方便用户更自由地添加规范以外的其他字符，本发明字符图像生成模块采用点阵字库与矢量字库相结合的方式，即GA/T 751-2008中已明确规范的内容在叠加时使用点阵字库，而GA/T 751-2008中未明确规范的内容采用矢量字库实现，两种字库结合既保证了叠加的字符符合规范中的要求，同时又能保证了用户使用的自主性；
[0030] 4、使用网络控制模块实现网络控制，为使用者提供简单实用便于操作的控制界面，用户通过常用的PC浏览器浏览网页的形式了解系统的功能、设置系统属性并对添加的字符进行设置；字符设置网页中为用户提供了字符标准添加和字符自定义添加两种字符设置方式：字符标准添加方式即系统按照GA/T 751-2008规范的要求，对添加字符的大小、位置和字体进行规范，用户只需关注所添加的字符内容，并在网页上为用户提供
所见即所得的设置方式；在字符标准设置方式的
基础上，用户可以进行字符自定义设置方式，即用户可以对规范要求内容以外的其他添加字符的字体、字符颜色、字符大小以及字符位置等进行设置，两种设置方式通过在网页中建立标准添加表单和自定义添加表单两个表单的方式实现：在自定义添加表单中，用户可以逐条对所添加字符的内容、所选用字体、字符大小和字符位置等进行选择和设置，而在标准添加表单中只包含字符内容设置的输入框而不包含字体、字符大小和字符位置的设置选项，标准设置中字符字体、字符大小和字符位置等
固化于系统内部，用户不能
修改，两种设置方式不相互冲突，可同时进行两种设置，也可以只采取一种方法进行设置；
[0031] 5、多字库支持和字库网络更新：系统支持字库文件通过网络更新，用户可通过
web界面查看系统所使用的字库文件，同时用户可以通过网络采用网页上传文件的形式把本地的微软字库更新到系统中供系统直接使用；
[0032] 6、支持视频信号掉电直通功能和系统参数掉电记忆功能，即系统正常供电时，视频信号通过继电器输入到视频信号叠加模块中进行处理而断电时继电器断开，输入的视频信号不经过视频信号叠加模块直接输出，字符设置等信息在每次设置时会自动保存在字符图像信号生成模块中的EEPROM中供系统再次上电时使用。
附图说明
[0033] 图1是本发明网络交互式高清字符叠加系统的结构图；
[0034] 图2是本发明
实施例网络控制模块中的微处理器芯片图；
[0035] 图3是本发明实施例字符图像生成模块中的用于
控制信号的FPGA芯片图；
[0036] 图4-1是本发明实施例字符图像信号叠加模块中的视频信号输入输出接口芯片图；
[0037] 图4-2是本发明实施例字符图像信号叠加模块中的用于处理信号的FPGA芯片图；
[0038] 图4-3是本发明实施例字符图像信号叠加模块中的DDR II芯片图；
[0039] 图4-4是本发明实施例字符图像信号叠加模块中的微
控制器芯片图；
[0040] 图5为本发明插板式结构示意图；
[0041] 图6为本发明字形填充处理的过程示意图。
[0042] 图中：A、解析出字符关键点坐标，B、连接多边形并判断多边形的旋向，C、采用划线法对该多边形内的填充区域进行填充，D、填充完成。
具体实施方式
[0043] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
[0044] 如图1所示，本发明网络交互式高清字符叠加系统包括网络控制模块、字符图像信号生成模块、字符图像信号叠加模块三个模块，三个模块的功能如下：
[0045] 如图2所示，所述的网络控制模块是通用的嵌入式web服务器，用于为用户提供网页操作控制界面，用户可以在控制界面(如通过常用的PC浏览器浏览网页的形式接入系统内嵌的web服务器即网络控制模块)中了解系统的功能、设置系统属性，并提交字符设置控制信息等信息；网络控制模块接收并解析用户通过网页发送的控制信息后，将其中的相应的字符设置信息发送给字符图像信号生成模块；本网络控制模块可采用Freescale公司的K60系列微处理器或者STMicroelectronics公司的STM32系列的M4微处理芯片配合网络驱动芯片和RJ45接口，其中M4微处理芯片用于接收和解析控制信息，网络驱动芯片用于完成电平转换；同时将MQX实时
操作系统植入微处理器，应用MQX操作系统
框架下的TCP/IP协议栈构建。
[0046] 所述的字符设置信息包括字符内容、字符字体、字符大小、字符位置和字符颜色等信息。
[0047] 如图3所示，所述的字符图像信号生成模块根据网络控制模块解析的字符设置信息，读取TF卡中相应字库文件中的字模，解析字形并进行字形填充，然后根据字符图像信号叠加模块发送过来的外部视频信号的信号格式进行逐条字符整合，生成一帧字符图像发送至字符信号叠加模块；本字符图像信号生成模块可采用飞思卡尔K60系列、STMicroelectronics公司的STM32系列微处理器结合Altera公司CycloneⅢ系列FPGA、Xilinx公司的Spartan系列FPGA、SDRAM颗粒、TF卡、EEPROM等构建，其中微处理器用于完成字库文件读取，字形解析和填充并发送到SDRAM，FPGA用于控制SDRAM的读写和字符图像的发送，TF卡用于储存字库文件，EEPROM用于存储系统必要的参数供再次上电时使用。
[0048] 如图4-1---图4-4所示，字符图像信号叠加模块用于将接收端的SDI视频信号通过均衡芯片进行均衡处理，将均衡后的串行
数字信号转换为并行视频信号，解析出该视频信号的格式后发送给字符图像信号生成模块，同时将并行视频信号缓存至模块的DDRII内存颗粒中，然后根据并行视频信号把接收到的字符图像信号叠加进来最后输出。本字符图像信号叠加模块可采用三星公司的KS32系列、新唐公司的Cortex M0系列单片机、Altera公司CycloneⅢ系列FPGA、Xilinx公司的Spartan系列FPGA和DDRII内存颗粒等构建，其中单片机用于控制与字符图像信号生成模块的通信，DDRII内存颗粒用于缓存视频信号和字符图像信号，FPGA用于完成视频信号和字符图像信号的接收和叠加。
[0049] 如图1所示，所述的字符图像信号叠加模块通过继电器与视频信号输入端连接，用于实现支持视频信号掉电直通功能和系统参数掉电记忆功能，即系统正常供电时，视频信号通过继电器输入到字符图像信号叠加模块中进行处理而断电时继电器断开，输入的视频信号不经过字符图像信号叠加模块直接输出。
[0050] 如图5所示，所述的系统采用插板式结构即一块字符信号生成板卡通过母板插接配合连接多块字符信号叠加板卡，所述的网络控制模块和字符图像信号生成模块集成在字符信号生成板卡上，所述的字符图像信号叠加模块集成在字符信号叠加板卡上，两种板卡既相互独立又相互配合工作，可实现同时对多路SDI视频信号进行字符叠加，甚至使用这种插板式结构，通过更改字符信号叠加板卡的硬件设计可以实现对HDMI视频信号、DVI视频信号以及VGA视频信号等进行字符叠加。
[0051] 本发明网络交互式高清字符叠加系统的工作原理包括如下步骤：
[0052] 首先用户将系统正常连接，主要包括视频处理部分和网络接口部分：视频处理部分需将视频
输入信号通过继电器连接至字符信号叠加模块的视频输入端，并将系统的视频输出端与应用环境(如电视、播放器等设备)；网络接口部分需将系统通过RJ45接口连接至局域网或广域网并进行网络参数(IP地址、子网掩码、默认网关等)设置，系统正常连接后可正常工作：
[0053] 1)同轴
电缆输入的串行视频信号进入系统后，由字符信号叠加模块的视频信号接收端的均衡芯片对其进行均衡处理，然后将均衡后的串行视频信号
串并转换为并行视频信号，对并行视频信号进行采集缓存至字符信号叠加模块的DDRII内存颗粒中，同时计算出该视频信号的信号制式、信号格式、信号刷新率等参数后发送到字符图像信号生成模块(3)备用，当DDRII内存颗粒中缓存的数据每满1帧时，开始对这帧视频数据开始处理；
[0054] 2)用户使用与系统正常网络连接的电脑中的浏览器，在地址栏输入系统相应的设置的IP地址(如192.168.5.169)打开本系统的网页操作控制界面，网页操作控制界面包括系统说明、系统网络参数设置(IP地址、MAC地址、默认网关、子网掩码等)、系统时间设置、系统工作状态查询、系统升级和恢复、叠加字符设置等页面信息，用户可以打开各个页面并在各页面中进行相应字符叠加控制操作；
[0055] 3)在叠加字符设置页面中用户可逐条对待叠加到相应视频中的字符内容、字符字体、字符大小、字符位置和字符颜色等控制信息进行设置并提交到网络控制模块；
[0056] 4)字符控制信息通过网口(RJ45接口)发送到网络控制模块，经网络控制模块解析后传递到字符图像信号生成模块，字符图像信号生成模块字符图像信号生成模块根据控制信息，逐条对待设置的字符进行处理，对于点阵字库文件来说，无需进行特别的处理，而对于矢量字库文件来说，字符生成过程需要进行字形解析和字形填充，实际上也是把矢量字库中的字形转换成点阵的过程，下面以使用矢量字库为例进行说明，主要过程如下：
[0057] ①字符图像信号生成模块根据由字符图像信号叠加模块发送过来的视频信号的信号格式计算出字符图像画布的大小，并根据字符图像画布的大小确定其在SDRAM中的缓存起止地址，若视频信号的信号格式为PAL，则画布大小为720*576像素；
[0058] ②从网络控制模块发送来的第一条字符设置控制信息开始进行处理；
[0059] ③首先由微处理器按照字符设置信息的字体设置信息读取预设的字库文件中的对应字库文件的文件格式，然后对字符设置信息的字符设置内容的第一个字符按照相应字库文件格式检索出该字符对应的字库文件内容，并将对应内容读取至微处理器的ram中；
[0060] ④按照相应字库文件的存储格式对所读取的内容进行解析：在矢量字库文件中，一个字符的字型是按照笔画的顺序进行存储的，对每一笔画的关键点都是按照压缩算法进行存储的，各个关键点依次连接构成的多边形就是笔画的外轮廓，因此微处理器在读取了第一个字符相应字库文件的对应内容后，根据所述第一个字符的对应的压缩算法反向解析出该字符第一笔笔画的关键点的横纵坐标，由上述关键点依次连接构成该笔画的多边形，然后根据关键点横纵坐标信息，利用向量叉乘积和反三角函数的算法，计算出该笔画多边形的内角和并根据内角和确定多边形方向，再根据多边形方向确定应该对该多边形内的区域进行填充或是抠除，如图6所述，按照内角和确定多边形方向并对一字笔画进行字形解析和多边形内的区域进行填充。
[0061] ⑤微处理器的ram中预留一段空间(地址)作为字符叠加的操作区，该操作区的地址与上述字符图像画布的像素依次对应，将与第一笔笔画的关键点的横纵坐标地址对应的操作区元素按照字符的颜色设置信息写入相应的亮度和色度值后，并采用划线法对该多边形内的填充区域进行填充，同时按照字符的颜色设置信息在操作区中与该多边形内的填充区域所对应的地址中写入相应的颜色亮度、色度值，并在操作区中与该多边形内的对应抠除区中的对应地址写入0，按照上述过程处理完第一个字符的所有笔画后，继续处理下一个字符，直到处理完该条设置信息的所有字符内容；
[0062] ⑥按照该条字符设置信息的字符位置信息以及所述的字符图像的画布大小信息，计算出上述操作区中的所有字符内容在同步随机存储器SDRAM中对应的存储地址，由微处理器通过现场可编程门阵列FPGA发送到SDRAM中的对应地址上；
[0063] ⑦继续按照③～⑥的顺序处理下一条字符，直至每条字符设置信息的字符都处理完，最终在同步随机存储器SDRAM中将要叠加到视频中的字符逐条进行整合后生成构成一帧字符图像；
[0064] ⑧将上述字符图像按照顺序通过LVDS接口发送至字符图像信号叠加模块。
[0065] 所述的字符图像信号叠加模块中的FPGA接收到字符图像信号时，按协议将其内容解析并缓存至DDRII内存颗粒中，当新的一帧视频数据进行发送时，字符信号叠加模块将读取缓存在DDRII中的字符图像数据，如果相应像素点的字符图像数据不为0时，字符信号叠加模块将字符图像的相应像素点内容发送出去，若相应像素点的字符图像数据为0，字符信号数据叠加模块将不做任何修改把之前缓存的视频数据相应像素点数据发送出去，这样就达到了字符叠加的目的。
[0066] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
