Một số giải pháp hiển thị các ký tự đồ họa trên màn hình trong các hệ quang điện tử

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 295 MỘT SỐ GIẢI PHÁP HIỂN THỊ CÁC KÝ TỰ ĐỒ HỌA TRÊN MÀN HÌNH TRONG CÁC HỆ QUANG ĐIỆN TỬ Đỗ Doanh Điện*, Bùi Minh Tuấn, Nguyễn Phú Giang, Trần Công Thìn, Bùi Xuân Hùng Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu trong hiển thị các ký tự đồ họa trên màn hình trong các hệ quang điện tử sử dụng ảnh nhiệt. Nhóm nghiên cứu đưa ra hai giải pháp: Thiết kế mạch OSD (On-Screen Display) để hiển thị các ký tự đồ họa dựa trên phân tích cơ chế tạo và hiển thị ký tự của chip xử lý video chuyên dụng và Kỹ thuật OSS (On-Screen Symbology) để xây dựng bộ ký tự đồ họa đối với các core ảnh nhiệt thế hệ mới. Kết quả thử nghiệm và áp dụng trong ống nhòm ảnh nhiệt cho thấy hai kỹ thuật đảm bảo các yêu cầu hiển thị cần thiết. Ưu điểm của kỹ thuật này cho phép chúng ta thay đổi linh hoạt, chủ động đối với các hình ảnh đồ họa, có thể áp dụng cho các hệ quang điện tử khác nhau. Từ khóa: Ký tự đồ họa; OSD; OSS; STM32F103; ATMEGA8. 1. MỞ ĐẦU Việc hiển thị các ký tự đồ họa đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật truyền hình, trò chơi điện tử, công nghệ thông tin, ...Trong lĩnh vực quân sự, các ký tự đồ họa trên các kính ngắm, kính quan sát có vai trò rất lớn. Ngoài chỉ thị dấu mục tiêu, dấu phần tử bắn, còn hiển thị các thông số về mục tiêu như cự ly, phương hướng, vị trí, tình trạng của thiết bị [4,5,7]. Đối với các hệ quang điện tử có sử dụng ảnh nhiệt, việc hiển thị các ký tự đồ họa không thể khắc trên mặt kính quang học hoặc sử dụng một màn hình hiển thị các ký tự đồ họa để ghép chồng với hình ảnh mà camera ảnh nhiệt đưa đến được do ống kính của camera ảnh nhiệt làm bằng vật liệu germanium [6]. Mặt khác các ký tự đồ họa phục vụ quan sát, trinh sát rất đa dạng và thay đổi theo từng tình huống thực tế do vậy các phương pháp trên có rất nhiều hạn chế. Kỹ thuật OSD là một kỹ thuật truyền thống được ứng dụng trên màn hình của tivi, các camera, màn hình quan sát mà các hãng sản xuất tích hợp sẵn trên sản phẩm của họ. Người dùng chỉ có thể khai thác, sử dụng mà không thể thêm, sửa đổi các ký tự theo yêu cầu của mình được. Đối với phương pháp OSS [2] đã được sử dụng trong các hệ quang điện tử của quân đội các nước như Mỹ, Pháp, Israel, ... Hiện nay việc nghiên cứu phát triển các hệ quang điện tử có sử dụng ảnh nhiệt ở nước ta đang bắt đầu, vì vậy nghiên cứu về OSD và OSS, chúng ta có thể làm chủ về kỹ thuật và công nghệ của các phương pháp này. Giá thành của sản phẩm giảm so với sản phẩm tương tự của nước ngoài, chủ động tạo được bộ font theo ý định và mục đích sử dụng, kích thước nhỏ gọn có thể tích hợp vào trong các hệ quan sát, trinh sát, ngắm bắn, ... Nội dung bài báo có hai phần chính: phần thứ nhất đề cập về việc hiển thị các ký tự đồ họa trong các hệ quang điện tử, phần thứ hai đề cập đến phương pháp OSD sử dụng chíp MAX7456 của hãng Maxim và kỹ thuật OSS đối với core Tau2 640 của hãng Flir, việc ứng dụng hiển thị dấu mục tiêu trong ống nhòm ảnh nhiệt. Kỹ thuật điều khiển - Điện tử Đ. D. Điện, , B. X. Hùng, “Một số giải pháp hiển thị trong các hệ quang điện tử.” 296 2. HIỂN THỊ CÁC KÝ TỰ ĐỒ HỌA TRONG CÁC HỆ QUANG ĐIỆN TỬ Trong các hệ quang điện tử như kính ngắm, thiết bị quan sát cho phép người sử dụng ngoài quan sát mục tiêu có thể biết thêm các thông tin về khoảng cách, kích thước, hướng của mục tiêu và các tham số cần thiết khác như thước ngắm, trạng thái của thiết bị. Để có được điều này, thông thường người ta có hai phương pháp đó là: các số liệu, ký tự đồ họa được vẽ lên một tấm phẳng được đặt trong thiết bị dùng trong các hệ quang điện tử cho vùng ánh sáng nhìn thấy hoặc là xử lý tín hiệu video dùng các kỹ thuật là OSD hoặc OSS đối với các hệ quang điện tử hiện đại. 2.1. Quan sát trực tiếp Người sử dụng thấy được các ký hiệu khi đặt mắt nhìn vào thị kính. Các ký hiệu này rất đa dạng. Đối với kính ngắm của một số loại vũ khí, tâm ngắm (reticle) là yêu cầu bắt buộc phải có. Từ lúc xuất hiện đến nay, đa số các loại tâm bắn tỉa đều có hình dạng cơ bản là dấu cộng (+) hay gọi là tâm chữ thập, được phát minh bởi Robert Hooke. Qua thời gian phát triển, các loại tâm chữ thập xuất hiện nhiều biến thể để phù hợp với công dụng sử dụng và đơn giản hóa quá trình ngắm mục tiêu. Hình 1. Các ký hiệu đồ họa của các loại tâm bắn tỉa [4]. Hình 2. Tâm ngắm (reticle) đặt trong ống kính [5]. Để tạo các hình ảnh đồ họa này, qua rất nhiều cải tiến nhà sản xuất đã nghiên cứu và dùng công nghệ quang khắc để khắc, vẽ lên một tấm kính phẳng, sau đó tấm phẳng này đặt trong thân ống kính. Vị trí đặt tấm phẳng có thể tại mặt phẳng Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 297 tiêu cự của thị kính (SFP) hoặc tại mặt phẳng tiêu cự của vật kính (FFP) [4, 5]. Với loại ký tự đồ họa cho tâm đo xa sẽ có các mức chỉ vạch hỗ trợ chuẩn đoán cự ly đến mục tiêu, các vạch này giúp người sử dụng tính toán, khấu trừ lực bắn và phán đoán tầm rơi của đạn khi tiếp cận mục tiêu. Mỗi vạch sẽ mang một giá trị khoảng cách nhất định tùy vào nhà sản xuất, các chỉ số này sẽ được kèm theo hướng dẫn sử dụng của từng sản phẩm. 2.2. Quan sát trên màn hình Việc hiển thị bằng các thiết bị điện tử công nghệ cao như màn hình OLED kích thước nhỏ gọn, nguồn tiêu thụ thấp, người quan sát nhìn thấy đối tượng, mục tiêu qua màn hình đồng thời vẫn nhận được các thông số, dấu chỉ thị mục tiêu trên màn hình này. Đối với các thiết bị quang điện tử có sử dụng ảnh nhiệt, người ta sử dụng các kỹ thuật OSD và OSS để hiển thị các tham số quan trọng. Hình ảnh từ camera ảnh nhiệt đưa đến được trộn với tín hiệu video có chứa các thông số cần hiển thị, lưới tọa độ, dấu mục tiêu. Hình 3. Kỹ thuật OSD trên IR Hunter Mark II [3]. Hình 4. Kỹ thuật OSS [2]. Hiện nay, ở nước ta đã có nhiều đơn vị nghiên cứu về camera ảnh nhiệt và các hệ quan sát, giám sát, ống nhòm, kính ngắm có sử dụng camera ảnh nhiệt nhưng việc đưa các ký tự đồ họa cũng như số liệu của mục tiêu, dấu chỉ thị mục tiêu trên nền tín hiệu video vẫn chưa thực hiện được. Bài báo này đề xuất hai phương pháp hiển thị các ký tự đồ họa bằng kỹ thuật OSD sử dụng chip MAX7456 của hãng Maxim và kỹ thuật OSS cho core Tau2 của hãng Flir. 3. PHƯƠNG PHÁP OSD VÀ OSS TẠO KÝ TỰ ĐỒ HỌA 3.1. Phương pháp OSD sử dụng chip MAX7456 Nội dung này chúng tôi trình bày thiết kế một mạch thực hiện chức năng OSD. MAX7456 có rất nhiều ứng dụng trong các hệ thống bảo vệ, an ninh, quân sự, các ứng dụng trong công nghiệp, công nghệ giải trí, ứng dụng điện tử cho người dùng như trong đồ chơi mô hình, trò chơi điện tử. Đối với chip OSD đơn sắc MAX7456, chíp có thể chuyển đổi video chuẩn NTSC hoặc PAL, có bộ nhớ EEPROM, dễ dàng hiển thị các thông tin như logo công ty, tùy chỉnh đồ họa, thời gian, ... với các ký tự tùy ý. Có 256 ký tự mà người dùng có thể lập trình được theo ý của mình, sau đó nạp lại cho chip[1]. Kỹ thuật điều khiển - Điện tử Đ. D. Điện, , B. X. Hùng, “Một số giải pháp hiển thị trong các hệ quang điện tử.” 298 3.1.1. Tạo bộ font ký tự đồ họa Chip MAX7456 có một bộ nhớ ký tự gồm 256x 64byte lưu trữ các ký tự hoặc hình ảnh đồ họa. Nội dung các ký tự do người dùng lập trình qua giao tiếp SPI. Mỗi ký tự bao gồm 12x18 pixel, ở đây mỗi pixel biểu diễn 2 bít dữ liệu có ba trạng thái: trắng, đen hoặc trong suốt. Do vậy mỗi ký tự sẽ có 54 byte dữ liệu. Bộ nhớ yêu cầu quá trình đọc và ghi toàn bộ một ký tự (54byte) cùng một lúc. Hình 5a mô tả dữ liệu của ký tự S, để tạo ký tự S ta phải thực hiện lưu 54 byte số liệu. Như trên hình 5a thì ký tự S sẽ gồm 54 byte: 0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0x55, 0x54, 0x00, 0x05, 0x52, 0xaa, 0xa1 0x4a, 0xaa, 0xa8, 0x2a, 0x00, a) b) Hình 5. Mô tả dữ liệu cho ký tự S (a), bộ font mặc định (b). 0x28, 0x29, 0x55,0x41, 0x29, 0x55, 0x55, 0x2a, 0x00, 0x15, 0x4a, 0xaa, 0x85, 0x52, 0xaa, 0xa1, 0x54, 0x00,0xa8, 0x55, 0x55, 0x28, 0xa1, 0x55, 0x28, 0x28, 0x00, 0xa8, 0x2a, 0xaa, 0xa1, 0x4a, 0xaa, 0x85, 0x50, 0x00, 0x15. Quá trình nạp có thể nạp một hoặc một số ký tự tùy theo người lập trình. Địa chỉ lưu cũng do người dùng xác định, để sau này có thể gọi ra. Nhà sản xuất đã nạp sẵn bộ font ký tự đồ họa vào bộ nhớ ký tự như trong hình 5b, nhưng đó là các ký tự cho các mục đích thông thường. Để sử dụng đối với mục đích quân sự, nhóm tác giả đã tạo ra bộ font ký tự mới phù hợp với lĩnh vực quan sát, trinh sát, bao gồm các ký tự tạo dấu chỉ thị mục tiêu, ký tự chỉ hướng quan sát, ký tự báo tình trạng nguồn của thiết bị,như ở Hình 6. , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Hình 6. Một số ký tự mà nhóm nghiên cứu tạo ra. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 299 3.1.2. Hiển thị và dịch chuyển các ký tự đồ họa lên màn hình Để hiển thị các ký tự đồ họa, tùy theo các yêu cầu thực tế, chúng ta phải truy cập vào địa chỉ bộ nhớ ký tự lấy ký tự cần hiển thị. Vị trí ký tự hiển thị được bố trí trên một ma trận phụ thuộc chuẩn tín hiệu chọn là PAL hoặc NTSC. Nếu là PAL thì ma trận này gồm 16 hàng, 30 cột, nếu là NTSC thì ma trận này gồm 13 hàng và 30 cột. Vì mỗi một ký hiệu được tạo bởi 12x18 điểm ảnh, nên số điểm ảnh của PAL là 360x288 điểm ảnh và NTSC là 360x234 điểm ảnh. Vị trí ký tự hiển thị được lưu trong bộ nhớ hiển thị. Sau khi đã tạo được bộ ký tự đồ họa và hiển thị các ký tự này trên màn hình quan sát, thì trong các kính ngắm hoặc hệ quang điện tử là cần phải dịch chuyển các ký tự này đến các vị trí mong muốn. Đối với các ký tự đồ họa không cần phải dịch chuyển có độ chính xác cao như tham số về nguồn, số liệu về vị trí tọa độ, góc, ... thì có thể dịch chuyển đến từng hàng và từng cột theo các hệ PAL hoặc NTSC thông qua địa chỉ từng vị trí này. Việc dịch chuyển này không cần thiết phải thông qua phím bấm mà chỉ đặt một lần từ phần mềm. Đối với các ký tự đồ họa như dấu chỉ thị mục tiêu, cross hair, rifle reticle, tâm chữ thập, cần phải hiệu chỉnh theo từng loại kính ngắm, mục tiêu ngắm thì yêu cầu phải dịch chuyển được các các ký tự này theo từng pixel. Thông qua lập trình, để hiệu chỉnh lên, xuống, dịch trái, dịch phải bằng phím bấm, có thể dịch lên hoặc xuống từ 1 đến 16 pixel các ký tự, dịch trái hoặc sang phải từ 1 đến 32 pixel các ký tự này trên màn hình quan sát. Hình 7. Lưu đồ thuật toán dịch ký tự theo bước pixel. Kỹ thuật điều khiển - Điện tử Đ. D. Điện, , B. X. Hùng, “Một số giải pháp hiển thị trong các hệ quang điện tử.” 300 3.2. Phương pháp OSS trên Tau2 của Flir Đối với core ảnh nhiệt Tau2, đây là cảm biến ảnh nhiệt không làm lạnh quân sự phổ biến nhất hiện nay. Nhà sản xuất OEM Flir của Mỹ chỉ cung cấp các thông số cơ bản của một cảm biến như kích thước, chuẩn kết nối, đầu ra video, nguồn cấp...Để sử dụng cho một mục đích nào, mức độ áp dụng và thuật toán xử lý đối với tín hiệu như sửa lỗi bất đồng nhất (NUC), tăng cường chi tiết số (DDE), tạo biểu tượng trên màn hình (OSS), ... thì nhà sản xuất ứng dụng phải nghiên cứu cho phù hợp với mục đích của mình. 3.2.1. Các symbol Các symbol (biểu tượng) của Tau2 được quy định có hai dạng là các symbol của nhà sản xuất và symbol do người dùng định nghĩa. Các symbol của nhà sản xuất như Splash screen có kích thước 640x480 pixel, chỉ thị zoom 1x, 2x, 4x, logo, chỉ thị nhiệt độ...những symbol này được mặc định nạp vào core và hiển thị vào các thời điểm mà nhà sản xuất tính toán. Đối với các symbol cho người dùng định nghĩa, số lượng, phương thức hiển thị cũng hạn chế. Chỉ có bốn kiểu symbol là symbol dạng hình chữ nhật, hình chữ nhật được điền đầy, text và ảnh bitmap. Hình 8 thể hiện cho ta thấy gốc tọa độ (0,0) được Flir định nghĩa là góc trên bên trái, và tọa độ góc dưới bên phải là (639,479) với NTSC, là (639,511) với PAL. Trên hình này có hai symbol hiển thị là logo của hãng (FLIR) và FFC Imminent (hình vuông góc trên bên trái) Hình 8. Một số symbol của hãng Flir [2]. 3.2.2. Phương pháp điều khiển và hiển thị symbol trên core Tau2 Bằng việc thiết kế mạch giao tiếp với core Tau2, nhóm nghiên cứu đã xây dựng thuật toán để hiển thị các biểu tượng cần thiết. Đối với các ký tự số và chữ sử dụng trực tiếp kiểu symbol loại text, đối với các đồ họa phức tạp bằng sự kết hợp các ký tự theo hàm tọa độ. Để tạo đồ họa là crosshair như ở hình dưới. Nhóm thực hiện 9 symbol. Symbol 1 (thanh ngang bên trái) là vẽ hình chữ nhật có bề rộng bằng 1 pixel và chiều dài là 25 pixel có điểm bắt đầu có tọa độ (x,y) biểu diễn theo hàm f(x,y,...). Symbol 2 (thanh ngang bên phải) là hình chữ nhật có bề rộng bằng 1 pixel và chiều dài là 25 pixel có điểm bắt đầu có tọa độ (x+35,y) biểu diễn theo Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 301 hàm f(x+35,y,...). Symbol 3 (thanh đứng) là hình chữ nhật có bề dài là 25 pixel, bề rộng là 1 pixel biểu diễn theo hàm của f(x+30,y-35,...). tương tự cho các biểu tượng khác (hình 9). Mục đích của biểu diễn là là phục vụ việc dịch chuyển cụm đồ họa theo bước, tiện dụng cho người dùng. Hình 9. Đồ họa crosshair nhóm nghiên cứu thực hiện. 3.3. Mạch OSD và mạch giao tiếp core Tau2 cho ứng dụng hiển thị mục tiêu trong ống nhòm ảnh nhiệt Trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật OSD và OSS trong thực hiện nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã chế tạo 02 mẫu thiết bị ống nhòm ảnh nhiệt trên cơ sở sử dụng core ảnh nhiệt Tau 2 của hãng Flir, màn hình micro 0.44inch và các linh kiện có sẵn. Một mẫu sử dụng OSD và một mẫu OSS. Hình 10. Mạch mạch OSD và hình ảnh trên màn hình quan sát. Hình 11. Tạo thước ngắm bằng OSS trên Tau2. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày giải pháp hiển thị các ký tự đồ họa trên màn hình trong một hệ thống quang điện tử có ảnh nhiệt sử dụng kỹ thuật OSD bằng MAX7456. và kỹ thuật OSS trên core Tau2 của hãng Flir. Nhóm đã xây dựng bộ ký tự đặc Kỹ thuật điều khiển - Điện tử Đ. D. Điện, , B. X. Hùng, “Một số giải pháp hiển thị trong các hệ quang điện tử.” 302 trưng riêng cho lĩnh vực trinh sát, hiển thị các giá trị về phương hướng, dung lượng nguồn nuôi, vị trí (kinh độ, vĩ độ) và dấu chỉ thị mục tiêu (rifle reticle). Khác với phương pháp truyền thống sử các ký tự đồ họa được khắc sẵn trên tấm phẳng, phương pháp OSD và OSS giúp cho việc quan sát dễ dàng hơn trong các điều kiện tác chiến khắc nghiệt, sương mù, khói, đêm tối. Các ký tự đồ họa có thể thay đổi dễ dàng ở các vị trí hiển thị khác nhau, thay đổi được cả các ký tự đồ họa phù hợp với mục đích của người dùng. Phương pháp OSD tiêu tốn nguồn nhiều hơn và độ phân giải của ký tự kém hơn so với phương pháp OSS. Tuy nhiên OSD có thể hiển thị ký tự đồ họa tùy biến, số lượng ký tự hiển thị nhiều hơn. Kết quả nghiên cứu thu được là cơ sở thiết kế các thiết bị quang điện tử như ống nhòm ảnh nhiệt, hệ trinh sát đa sen sơ trong quân đội. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. David Fry, “C-Code Software Routines for Using the SPI Interface on the MAX7456 On-Screen Display”, Application note 4184 (2008). [2]. “Tau and Quark Symbols Description”, Application Note (2016). [3]. https://pr-infrared.com/wp-content/uploads/IRHUNTER BROCHURE 2014 [4]. https://en.wikipedia.org/wiki/Reticle. [5]. [6]. windows ar dlc coated/ [7]. https://www.flir.asia/discover/ots/outdoor/the-perfect-reticle/. ABSTRACT SOLUTIONS OF DISPLAYING GRAPHIC CHARACTERS ON THE SCREEN IN OPTOELECTRONIC SYSTEMS This paper presents some results of the research on displaying graphical characters on the screen in optical systems using thermal imaging technology. In this paper, we propose two solutions: Designing an On-Screen Display (OSD) circuit for displaying graphical characters based on the analysis of character generation schemes by dedicated video processing chips, and by using OSS techniques (On-Screen Symbology) to build graphic character sets for new generation thermal image cores. Test results and their application in thermal imaging binoculars show that both techniques satisfy the required display requirements. The advantages of the techniques allow us to flexibly change the dynamics of graphics, which can be applied to different optoelectronic systems. Keywords: Graphic characters; OSD; OSS; STM32F103; ATMEGA8. Nhận bài ngày 02 tháng 01 năm 2019 Hoàn thiện ngày 08 tháng 3 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 3 năm 2019 Địa chỉ: Viện Điện tử / Viện KH-CN quân sự. * Email: evn.vdt@gmail.com.