攝像頭工作原理

1、6.1.1 攝像頭采樣機(jī)制攝像頭主要由鏡頭，圖像傳感芯片和外圍電路構(gòu)成。圖像傳感芯片又是其最重要的部分，攝像頭的指標(biāo)（如黑白或彩色，分辨率）就取決于圖像傳感芯片的指標(biāo)；該芯片要配以合適的外圍電路才能工作，將它們制作在一塊電路板上，稱為“單板”。若給單板配上鏡頭、外殼、引線和接頭，這就構(gòu)成了通常所見(jiàn)的攝像頭。攝像頭通常引出三個(gè)端子，一個(gè)為電源端，一個(gè)為地端，另一個(gè)就為視頻信號(hào)端（有的攝像頭多出一個(gè)端子，那是音頻信號(hào)端）。電源接多大要視具體的單板而定，目前而言，一般有兩種規(guī)格，6-9v ，或9-12v。視頻信號(hào)的電壓一般不位于0.5v-2v 之間。攝像頭的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描

2、的方式采樣圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓值，然后將此電壓值通過(guò)視頻信號(hào)端輸出。具體而言（參見(jiàn)圖6.1） ，攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的電壓視頻信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一低于最低視頻信號(hào)電壓的電平（如0.3v） ，并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖 ，它是掃描換行的標(biāo)志。然后，跳過(guò)一行后（因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的方式），開(kāi)始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場(chǎng)的視頻信號(hào)，接著就會(huì)

3、出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱區(qū) 。此區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖 （簡(jiǎn)稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有個(gè)脈沖，它遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于）其他的消隱脈沖， 該消隱脈沖又稱為場(chǎng)同步脈沖，它是掃描換場(chǎng)的標(biāo)志。場(chǎng)同步脈沖標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來(lái)，不過(guò)，場(chǎng)消隱區(qū)恰好跨在上一場(chǎng)的結(jié)尾部分和下一場(chǎng)的開(kāi)始部分，得等場(chǎng)消隱區(qū)過(guò)去，下一場(chǎng)的視頻信號(hào)才真正到來(lái)。攝像頭每秒掃描25 幅圖像， 每幅又分奇、偶兩場(chǎng)，先奇場(chǎng)后偶場(chǎng)，故每秒掃描50 場(chǎng)圖像。奇場(chǎng)時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場(chǎng)時(shí)則只掃描偶數(shù)行。圖 6.1 攝像頭視頻信號(hào)6.1.2 攝像頭相關(guān)參數(shù)說(shuō)明攝像頭產(chǎn)品說(shuō)明上通常會(huì)給出有效像素和分辨率，分辨率即為每場(chǎng)信號(hào)中真正為視頻信號(hào)的行的

4、數(shù)目。但產(chǎn)品說(shuō)明上通常不會(huì)具體介紹視頻信號(hào)行的持續(xù)時(shí)間、它們?cè)诿繄?chǎng)信號(hào)中的位置、行消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，而這些參數(shù)又關(guān)系到圖像采樣的有效實(shí)現(xiàn)。因此需要設(shè)計(jì)軟、硬件方法實(shí)際測(cè)量一下這些參數(shù)。接好攝像頭采樣電路，測(cè)量思路就是：當(dāng)奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)由低變高（或由變低）時(shí)，表明新的一場(chǎng)信號(hào)到來(lái)了，對(duì)該場(chǎng)中脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)，用攝像頭拍攝光源照射下的白色背景（如白板）。當(dāng)攝像頭掃描到視頻信號(hào)區(qū)時(shí)，因?yàn)榕臄z到到的是白色畫面，所以輸出的視頻信號(hào)電壓要高于掃描到場(chǎng)消隱區(qū)時(shí)的信號(hào)電壓 。在程序中設(shè)一個(gè)閾值對(duì)采樣到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，以知信號(hào)是否正處于視頻信號(hào)區(qū)，或是場(chǎng)消隱區(qū)。奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)到來(lái)時(shí)，信號(hào)仍處于

5、場(chǎng)消隱區(qū)，對(duì)脈沖開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)首次判斷得到信號(hào)進(jìn)入視頻信號(hào)區(qū)時(shí)，記錄下之前計(jì)得的脈沖數(shù)，設(shè)為n1，繼續(xù)計(jì)數(shù)，直到再次判得信號(hào)進(jìn)入場(chǎng)消隱區(qū)時(shí)，記錄下之前計(jì)得的脈沖數(shù)，設(shè)為n2。于是可知道，從每場(chǎng)開(kāi)始時(shí)（奇-偶場(chǎng)信號(hào)發(fā)生變化）對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，第n1 個(gè)到第（ n2-1）個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的那些行的信號(hào)是視頻信號(hào)，而第n2 個(gè)到下一場(chǎng)的第（n1-1）個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的那些行的信號(hào)是場(chǎng)消隱信號(hào)。程序流程圖如圖所示，程序見(jiàn)附錄二的e部分（電路，奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)，采樣等內(nèi)容將在下一節(jié)詳細(xì)介紹）。在上述過(guò)程中，用 freescale16位單片機(jī)的定時(shí)器模塊對(duì)單個(gè)脈沖的下降沿和上升沿間、兩相鄰脈沖上升沿間的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。將測(cè)得時(shí)間記錄下來(lái)，這樣就記錄下了每行信號(hào)和每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間。測(cè)得了每場(chǎng)中的視頻信號(hào)（或場(chǎng)消隱信號(hào)）對(duì)應(yīng)的脈沖序數(shù)，每行信號(hào)和每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間，這樣，對(duì)攝像頭采集機(jī)制的了解就比較完整了。實(shí)際測(cè)得賽車系統(tǒng)所用攝像頭（1/3 omnivision cmos ）的時(shí)序參數(shù)見(jiàn)表6.1。從測(cè)得的結(jié)果可知，該攝像頭掃描的每場(chǎng)中有320 行信號(hào)，其中第23 行到0 行是視頻信號(hào)，第 311 行到下一場(chǎng)的第22 行是場(chǎng)消隱信號(hào)。在視頻信號(hào)區(qū)，每行信號(hào)持續(xù)的時(shí)間相同，約為64us；每行的行同步脈沖持續(xù)的時(shí)間也相同，約為4.7us。而在場(chǎng)消隱區(qū)，每行持續(xù)的時(shí)間會(huì)有所