攝像頭的工作原理

1、攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。具體而言（參見下圖），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，則輸出就是一段連續(xù)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏反映了該行圖像的灰度變化。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一個(gè)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，跳過一行后（因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的），開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的視頻信

2、號(hào)，接著又會(huì)出現(xiàn)一段場消隱區(qū)。該區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖，其中有個(gè)遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時(shí)間長于）其它的消隱脈沖，稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志。場同步脈沖標(biāo)志著新的一場的到來，不過，場消隱區(qū)恰好跨在上一場的結(jié)尾和下一場的開始部分，得等場消隱區(qū)過去，下一場的視頻信號(hào)才真正到來。攝像頭每秒掃描25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描50 場圖像。奇場時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時(shí)則只掃描偶數(shù)行。攝像頭有兩個(gè)重要的指標(biāo)：有效像素和分辨率。分辨率實(shí)際上就是每場行同步脈沖數(shù)，這是因?yàn)樾型矫}沖數(shù)越多，則對每場圖像掃描的行數(shù)也越多。事實(shí)上，分辨率反映的是攝像頭的縱向分辨能力。有效像素常寫成

3、兩數(shù)相乘的形式，如“320x240”，其中前一個(gè)數(shù)值表示單行視頻信號(hào)的精細(xì)程度，即行分辨能力；后一個(gè)數(shù)值為分辨率，因而有效像素=行分辨能力×分辨率。值得注意的是，通常產(chǎn)品說明上標(biāo)注的分辨率不是等于實(shí)際分辨率（即每場行同步脈沖數(shù)），而是等于每場行同步脈沖數(shù)加上消隱脈沖數(shù)之和。因此，產(chǎn)品說明上標(biāo)注的“分辨率”略大于實(shí)際分辨率。我們要知道實(shí)際的分辨率，就得實(shí)際測量一下。攝像頭工作原理.jpg摘要： 本文基于freescale 16位HCS12單片機(jī)的輸入捕捉功能設(shè)計(jì)一種視頻信號(hào)采集系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，將CMOS攝像頭的輸出信號(hào)二值化，利用單片機(jī)輸入捕捉功能實(shí)時(shí)對信號(hào)采樣、處理，提取出黑色導(dǎo)引

4、線的形狀特征。實(shí)驗(yàn)證明：系統(tǒng)能很好地滿足智能車對路徑識(shí)別性能和抗干擾能力的要求，實(shí)時(shí)性好，測量精度高，同時(shí)硬件和軟件的開銷都比較小。 關(guān)鍵詞： 圖像二值化；HCS12單片機(jī)；視頻圖像；比較器 引言 第二屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車競賽中，要求各參賽隊(duì)賽車在規(guī)定的賽道上行駛，速度快者勝出。由于跑道只有黑、白兩色，對圖像的灰度沒有要求，所以只需要反映反射光線的強(qiáng)弱。若用A/D進(jìn)行采樣，不僅軟件設(shè)計(jì)比較麻煩，而且測量的精度和響應(yīng)時(shí)間都不夠理想，抗干擾能力也較差。本文摒棄傳統(tǒng)的視頻信號(hào)采集方法，結(jié)合單片機(jī)的輸入捕捉功能，提出一種新的路徑識(shí)別方法，并在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用，實(shí)踐表明該方法不僅使系統(tǒng)具有

5、良好的性能，而且容易實(shí)現(xiàn)。 視頻信號(hào)的特征 使用CHD-918B面陣CMOS攝像頭，通過對內(nèi)部電路的改造，可以在V電壓環(huán)境下正常工作，輸出PAL 制式模擬視頻信號(hào)，如圖1所示。每秒掃描50場圖像，一場又有312.5行，每行圖像信號(hào)時(shí)間為64s，除去行同步頭，其中有效的圖像信號(hào)約為59.3s。所以，若選用S12的A/D轉(zhuǎn)換器采集，轉(zhuǎn)換耗時(shí)壓力大，圖像分辨率低。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想 設(shè)計(jì)是于白色跑道和黑色導(dǎo)引線對光反射能力不同的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)又結(jié)合單片機(jī)的輸入捕捉功能模塊來實(shí)現(xiàn)的。 根據(jù)競賽的實(shí)際情況和要求，只需要在白色背景的跑道中提取出黑色的導(dǎo)引線，而與圖像的灰度無關(guān)，通過分析攝像頭輸出信號(hào)的特點(diǎn)，利

6、用比較器將視頻信號(hào)二值化，進(jìn)而把黑色導(dǎo)引線與白色背景區(qū)分開來，如圖2所示。同時(shí)，由于導(dǎo)引線的寬度是恒定的，行掃描時(shí)間和同步頭時(shí)間也是定值，通過軟件簡單編程就可以濾除環(huán)境干擾，達(dá)到不錯(cuò)的濾波效果。 鑒于MC9S12DG128是HCS12系列單片機(jī)的一種，片內(nèi)設(shè)有增強(qiáng)型定時(shí)器(ECT)，具有輸入捕捉功能，可通過捕捉系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖來檢測導(dǎo)引線。這樣，計(jì)算單片機(jī)相應(yīng)階段內(nèi)輸入捕捉系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前的路徑信息。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖3所示。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 視頻信號(hào)同步分離：視頻信號(hào)分離電路主要采用視頻同步分離芯片1881，電路原理圖如圖所示。先將經(jīng)過預(yù)處理的視頻信號(hào)通過一個(gè)濾波電路接至LM1881的2腳，

7、為了濾除雜波，匹配阻抗，C4選取0.1F，C2取510pF，R2取620。腳輸出行同步信號(hào)，腳輸出場同步信號(hào)，在實(shí)際運(yùn)用中，二者存在高頻干擾，所以必須加上低通濾波器。 選行電路：在一場視頻信號(hào)中共掃描312.5行，沒有必要每一行都進(jìn)行采樣，只需要選擇性的采集特定行，計(jì)算出跑道的大致形狀，同時(shí)也為后續(xù)處理留出時(shí)間。該部分電路主要由一片二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161實(shí)現(xiàn)，原理圖如圖5所示。對行使能信號(hào)控制行同步信號(hào)的開關(guān)，通過對撥碼開關(guān)的設(shè)置，可對行同步2、4、8、16分頻，選擇采集不同的行。本文在調(diào)試過程中設(shè)置成4分頻。 二值化電路 視頻信號(hào)的二值化主要由芯片MAX941完成，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻

8、值來改變閾值電壓。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)本文將閾值定在2.55V。防止黑色導(dǎo)引線的邊界處出現(xiàn)毛刺干擾，在二值化輸出端加上RC低通濾波電路。電路圖如圖6所示。 時(shí)序關(guān)系：在上述幾個(gè)電路模塊中，使用了門電路、計(jì)數(shù)器、比較器，使原有的時(shí)序關(guān)系發(fā)生了變化，后續(xù)編程處理和系統(tǒng)的可靠性受到挑戰(zhàn)。在比較器的輸出端加入兩片非門，增大延時(shí)，情況得到改善。最后得到的時(shí)序關(guān)系如圖7所示。其中a為場同步，b為行同步，c是經(jīng)過4分頻后的行同步信號(hào)，d為二值化后的視頻信號(hào)，包含著路徑信息。 輸入捕捉：MC9S12DG128單片機(jī)的外部晶振為16MHz，由于輸入捕捉寄存器為16 位，其計(jì)數(shù)值最大為65535，需要對系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻處理

9、，設(shè)分配系數(shù)為a，其中 a=2-n，(n=0,1,27) (1) 則分頻后的系統(tǒng)時(shí)鐘可由(2)式得， f1=f0×a=16MHz×2-3=2MHz (2) 即最小單位為0.5s，對應(yīng)的跑道采集精度，遠(yuǎn)處的分辨率為0.4cm，近處的為0.2cm ，完全符合路徑識(shí)別的要求。輸入捕捉的觸發(fā)方式設(shè)置成任意沿捕捉，這樣可以簡化硬件電路的設(shè)計(jì)。以，僅僅需要計(jì)算幾個(gè)沿變化之間輸入捕捉系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，就能精準(zhǔn)的反映當(dāng)前的路徑信。對應(yīng)圖2，BC段是黑線，DE段是同步頭，AB與CD段反映的是左右視場邊沿到黑線的距離，在后續(xù)處理中，可以利用這些信息方便的計(jì)算出跑道的曲率和斜率。由于黑色導(dǎo)引線

10、的寬度是一定的，每行有效圖像掃描時(shí)間都約為59.3s，根據(jù)這些信息就可以剔除明顯的壞點(diǎn)，增強(qiáng)系統(tǒng)得抗干擾能力。 軟件實(shí)現(xiàn)：為了節(jié)約系統(tǒng)時(shí)間，在編程中主要采用中斷處理，并且設(shè)置成上升沿觸發(fā)。在場中斷期間，先調(diào)用屏蔽場同步消隱子程序，把成像效果不好的部分濾除掉，隨后打開行中斷。當(dāng)經(jīng)過分頻后的行同步頭到來時(shí)，開始捕捉圖像信號(hào)的4個(gè)任意沿，在相應(yīng)兩個(gè)沿之間，所捕捉到的系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)就反映了當(dāng)前的路徑信息。另外，為了消除偶然誤差的影響，在不降低系統(tǒng)速度測量精度的前提下，通過使用軟件上的循環(huán)隊(duì)列算法，保證了路徑信息的準(zhǔn)確性。循環(huán)隊(duì)列的具體實(shí)現(xiàn)過程為：通過設(shè)置一個(gè)長度為L的隊(duì)列，每發(fā)生一次輸入捕捉中斷就進(jìn)行一次入隊(duì)操作，由隊(duì)列“先進(jìn)先出”的性質(zhì)，即替換最先入隊(duì)數(shù)據(jù)，能夠保證將最新的刷新數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行控制，提高了控制的實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)部分軟件流程圖如圖8所示。 結(jié)語 若采用片內(nèi)A/D采集，在最高時(shí)鐘頻率2MHZ的情況下