CN104486567B - 应用于小型无人机导航的miniOSD视频叠加显示方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于小型无人机导航的miniOSD视频叠加显示方法及电路，包括以下步骤：将飞行参数分为N类，将各类分别布局在OSD的某一层上，得到N个参数层；确定待显示的飞行参数所在的类，屏蔽上述N个参数层中不包含待显示的飞行参数的类对应的参数层，采用混叠方法，将待显示的飞行参数所在的类对应的参数层与原始图像层VIN叠加，生成最终的OSD图像VOUT。本发明有选择地显示飞行参数，可以最大程度减小硬件资源的占用和能耗，对局部飞行参数模块的增删很灵活。

Description

应用于小型无人机导航的miniOSD视频叠加显示方法及电路

技术领域

本发明涉及视频叠加显示领域，特别是一种应用于小型无人机导航的miniOSD视频叠加显示方法及电路。

背景技术

随着科技的进步，无人机在民用领域有着越来越广泛的应用，在很多实际应用的情况下，如城市航拍、农业植保，都需要无人机传输实时的监控图像到地面端，以便进行观测，但同时也需要操控人员对飞机的各项参数进行监控，以便当飞机状态不佳或发生故障时，能够迅速采取应急措施或切换回手动操控，最大程度上避免飞行事故的发生。但是分屏显示往往会给操控带来很大的不便，所以就需要将监控图像与飞行参数叠加在一起显示在一个屏幕上。

OSD-屏幕显示技术的关键原理是在图像上对文字进行叠加，让显示屏能为用户提供附加信息显示的功能，传统的OSD显示技术是将所有的要叠加在图像上的信息整合到一个层上再与视频图像叠加(如图1)。

这种显示方式存在以下缺陷：

1、显示的信息大部分都是固定的，对局部飞行参数模块的增删都很不灵活。

2、这种全部叠加上去的信息会占用大量的系统内存，消耗硬件资源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种应用于小型无人机导航的miniOSD视频叠加显示方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种应用于小型无人机导航的miniOSD视频叠加显示方法及电路，包括以下步骤：

1)将飞行参数分为N类，将各类分别布局在OSD的某一层上，得到N个参数层；N的取值范围为[0,10]；

2)确定待显示的飞行参数所在的类，屏蔽上述N个参数层中不包含待显示的飞行参数的类对应的参数层，采用混叠方法，将待显示的飞行参数所在的类对应的参数层与原始图像层VIN叠加，生成最终的OSD图像VOUT。

本发明提供了一种实现上述方法的电路，包括CPU主控单元、N个与门；所述CPU主控单元输出端与所述N个与门的其中一个输入端连接，所述CPU主控单元向所述N个与门输出高电平或低电平信号；所述N个与门的另一个输入端分别输入OSD的N个参数层信号，所述OSD的N个参数层分别对应N类飞行参数；所述N个与门的输出端各与一个乘法器连接；N个乘法器各与一个或门输入端连接；第一个或门的另一个输入端输入原始图像层VIN信号；第一个与门的输出端与第二个与门另一个输入端连接，第二个与门的输出端与第三个与门的另一个输出端连接，依此类推，第N-1个与门的输出端与N个与门的另一个输入端连接，第N个与门的输出端输出混叠后的视频信号，即最终的OSD图像VOUT。

VOUT＝VIN+P₀*A₀*OSD₀+P₁*A₁*OSD₁+P₂*A₂*OSD₂+…+P_n-1*A_n-1*OSD_n-1；其中，A₀，A₁，A₂…A_n-1∈(0,1)；P₀，P₁，P₂…P_n-1取值为0或1；OSD₀，OSD₁，OSD₂…OSD_n-1为OSD的参数层，n＝N。

小型无人机的装载能力和携带电量都有限，所以采用体积小，重量轻，节能的最小硬件系统miniOSD来完成这一工作。OSD与视频转换器、飞行控制板连接。

在OSD读取飞行参数到OSD各数据层的过程中，各个OSD数据层采用链表存储结构，各OSD数据层内采用数组存储结构。在增加或删除一类飞行参数时，只需对层进行增加或删除操作，方便灵活。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的方法有选择地显示飞行参数，可以最大程度减小硬件资源的占用和能耗，对局部飞行参数模块的增删很灵活。本发明的电路结构简单，实现方便。

附图说明

图1为现有的OSD叠加示意图；

图2为本发明OSD叠加示意图；

图3为本发明一实施例各图形设定示意图；

图4为本发明的电路结构示意图；

图5为本发明OSD与外部设备连接示意图；

图6为本发明插入OSD图层原理图；

图7为本发明删减OSD图层原理图；

图8为本发明显示存储单元的固定位置示意图；

图9为本发明OSD存储结构示意图；

图10为本发明一实施例像素点分布示意图。

具体实施方式

本发明采用分模块分层的飞行参数叠加显示设计方案：

1)将飞行参数分为N类，将各类分别布局在OSD的某一层上，得到N个参数层；

2)确定待显示的飞行参数所在的类，屏蔽上述N个参数层中不包含待显示的飞行参数的类对应的参数层，采用混叠方法，将待显示的飞行参数所在的类对应的参数层与原始图像层VIN叠加，生成最终的OSD图像VOUT。

如图3，在生成的叠加图像中，这四个参数模块就被分别显示在了视频图像的四个角上，当操控人员只需要GPS参数而不需要其他信息时，可将OSD第1层、OSD第2层、OSD第4层屏蔽掉，只保留OSD第3层与原始图像层叠加，生成只带有GPS参数显示的视频流到屏幕。当需要其他一种或多种飞行参数时，同理。

为了实现这种叠加方案，采用经过改进的ALPHA混叠算法，将门控时钟电路应用于飞行参数的模块化获取中。假设输入的视频信号为VIN，有N个OSD图层OSD₀，OSD₁，OSD₂…OSD_n-1，对应的混色因子ALPHA值分别为A₀，A₁，A₂…A_n-1((0,1)),控制时钟门电路参数分别为P₀，P₁，P₂…P_n-1(0或1)，在读取每一帧的图像时，CPU先采集每一路的门控时钟信号，与混色因子相乘后再做OSD图层的因子，混叠后的输出视频信号为VOUT，表达式如下，见下式：

VOUT＝VIN+P₀*A₀*OSD₀+P₁*A₁*OSD₁+P₂*A₂*OSD₂+……+P_n-1*A_n-1*OSD_n-1

其中，A₀，A₁，A₂…A_n-1∈(0,1)。

为了实现这种算法，硬件架构见图4。

OSD与其他硬件部分的连接如图5。

如图5，左端通过一个5针串口与飞控板进行通信，其中TX发送请求到飞控，RX接收无人机的飞行参数，5V和GND端来给miniOSD进行供电。右端为一个6针串口，下端三针连接模拟摄像头，通过一根数据线获取监控图像，上端三针连接发射机，将由OSD整合的图像通过发射机传回到地面站的显示屏上。

关于OSD的存储结构设计如下：

在OSD读取飞行参数数据到各层的过程中，各个OSD数据层采用链表存储结构。链表是一种物理存储上非连续，非顺序的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接而成，并且它能动态地进行存储分配。动态性体现为：链表中的元素个数可以根据需要增加和减少；元素的位置可以变化，即可以从某个位置删除，然后插入到新的地方。我们将各层的飞行参数通过链表结构存储起来，当不需要某一层的数据时，将它的前一层的尾指针指向它的后一层的头指针，这样就可以很方便地删除这一OSD显示层，而不需要重新分配各层的存储结构。由于各OSD图像层之间没有严格的顺序之分，当需要增加一个OSD层时，可以直接在链表的头节点或尾节点处开辟一个新的存贮空间，再将数据写入，指针指向相应的头或尾即可，更为方便。

在每个OSD图层中，由于其待显示的数据大小，存储顺序都是固定的，所以采用事先分配好的数组进行静态存储，这种层间链表，层内数组的存储模式可以最大限度地节约系统内存，也可以降低芯片成本。插入OSD图层如图6。删减OSD图层见图7。

miniOSD采用MAX7456的内核，它是一款单通道屏幕显示发生器，通过消除外部摄像驱动、同步信号分离器，以及摄像开关来减小系统的消耗，具有256个用户可编程的单色字节，可以用任意的字体和尺寸显示如公司图标，自定义图形，时间与日期等。

对于单个OSD图层的，MAX7456包含两种方式的存储：显示内存(SRAM)和非易失性角色内存(NVM)。在SRAM中存储了480个角色地址指向NVM，SRAM利用SPI串行接口为用用户提供很好的编程接口，每一个SRAM的地址都于屏幕上的一个固定位置相关联，如图8。

屏幕上的每一个点包含两个字节，第一个字节包含这个存储点在存储单元中的地址，第二个字节包含这个存储点的状态信息，如图9。

非易失性角色内存(NVM)存储待展示的文字或图形，每个元素包含12水平*18竖直像素点，每个像素点由两个字节构成：

00＝黑色，不透明

01＝透明

10＝白色，不透明

11＝透明

因此，每个元素共有12*18＝216个像素点，一个8-bit位可以描述4个像素点。因此每个元素需要216/4＝54byte的数据。

2-bit像素值定义：

当要显示出一个字符“H”时，各像素点分布如图10所示。

实例:

参数配置：miniOSD通过串口转USB模块与PC机相连，通过串口(本次为COM3)与上位机通信，打开配置软件，初始状态时各个OSD层没有叠加在图像上，只有视频呈现出来。左侧的列表提供了可以叠加在视频图像上的OSD显示层，共29个勾选项。

当把想要显示的OSD层勾选上时，经与原图像叠加后，各个飞行参数及飞机状态信息以白色文字的形式叠加在了图像上。并且飞机的飞行姿态可以由一个横向的轴形象地表现出来，当无人机姿态偏置时，屏幕上的横向白线也会随着倾斜，便于操控着感知无人机的机身姿态，以做出更好的控制决断。

Claims (4)

1.一种实现小型无人机导航的miniOSD视频叠加显示的电路，其特征在于，包括CPU主控单元、N个与门；所述CPU主控单元输出端与所述N个与门的一个输入端连接，所述CPU主控单元向所述N个与门输出高电平或低电平信号；所述N个与门的另一个输入端分别输入OSD的N个参数层信号，所述OSD的N个参数层分别对应N类飞行参数；所述N个与门的输出端各与一个乘法器连接；N个乘法器各与一个或门输入端连接；第一个或门的另一个输入端输入原始图像层VIN信号；第一个或门的输出端与第二个或门另一个输入端连接，第二个或门的输出端与第三个或门的另一个输出端连接，依此类推，第N-1个或门的输出端与第N个或门的另一个输入端连接，第N个或门的输出端输出混叠后的视频信号，即最终的OSD图像VOUT；将飞行参数分为N类，将各类分别布局在OSD的某一层上，得到N个参数层；N的取值范围为[0,10]；确定待显示的飞行参数所在的类，屏蔽上述N个参数层中不包含待显示的飞行参数的类对应的参数层，采用混叠方法，将待显示的飞行参数所在的类对应的参数层与原始图像层VIN叠加，生成最终的OSD图像VOUT。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，VOUT＝VIN+P₀*A₀*OSD₀+P₁*A₁*OSD₁+P₂*A₂*OSD₂+…+P_n-1*A_n-1*OSD_n-1；其中，A₀，A₁，A₂…A_n-1∈(0,1)；P₀，P₁，P₂…P_n-1取值为0或1；OSD₀，OSD₁，OSD₂…OSD_n-1为OSD的参数层，n＝N。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述OSD与视频发射端、飞行控制板、摄像头连接。

4.根据权利要求1～3之一所述的电路，其特征在于，在OSD读取飞行参数到OSD各数据层的过程中，各个OSD数据层采用链表存储结构，各OSD数据层内采用数组存储结构。