摄像头的工作原理.doc

摄像头得工作原理就是:按一定得分辨率,以隔行扫描得方式采集图像上得点，当扫描到某点时,就通过图像传感芯片将该点处图像得灰度转换成与灰度一一对应得电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出.具体而言(参见下图),摄像头连续地扫描图像上得一行,则输出就就是一段连续得电压信号，该电压信号得高低起伏反映了该行图像得灰度变化。当扫描完一行,视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压得电平(如0、3V）,并保持一段时间。这样相当于,紧接着每行图像信号之后会有一个电压“凹槽”,此“凹槽”叫做行同步脉冲，它就是扫描换行得标志。然后,跳过一行后(因为摄像头就是隔行扫描得）,开始扫描新得一行,如此下去，直到扫描完该场得视频信号，接着又会出现一段场消隐区。该区中有若干个复合消隐脉冲，其中有个远宽于(即持续时间长于）其它得消隐脉冲,称为场同步脉冲，它就是扫描换场得标志。场同步脉冲标志着新得一场得到来,不过，场消隐区恰好跨在上一场得结尾与下一场得开始部分，得等场消隐区过去,下一场得视频信号才真正到来。摄像头每秒扫描２5　幅图像，每幅又分奇、偶两场,先奇场后偶场，故每秒扫描5０ 场图像。奇场时只扫描图像中得奇数行,偶场时则只扫描偶数行。
摄像头有两个重要得指标：有效像素与分辨率。分辨率实际上就就是每场行同步脉冲数,这就是因为行同步脉冲数越多,则对每场图像扫描得行数也越多.事实上,分辨率反映得就是摄像头得纵向分辨能力。有效像素常写成两数相乘得形式，如“320ｘ24０”,其中前一个数值表示单行视频信号得精细程度，即行分辨能力;后一个数值为分辨率,因而有效像素＝行分辨能力×分辨率。
值得注意得就是，通常产品说明上标注得分辨率不就是等于实际分辨率(即每场行同步脉冲数），而就是等于每场行同步脉冲数加上消隐脉冲数之与。因此，产品说明上标注得“分辨率”略大于实际分辨率。我们要知道实际得分辨率，就得实际测量一下。
ﻫﻫ摄像头工作原理、ｊpgﻫ
摘要： 本文基于ｆreｅscalｅ 16位HCS12单片机得输入捕捉功能设计一种视频信号采集系统。在该系统中，将ＣＭOＳ摄像头得输出信号二值化，利用单片机输入捕捉功能实时对信号采样、处理，提取出黑色导引线得形状特征。实验证明:系统能很好地满足智能车对路径识别性能与抗干扰能力得要求，实时性好，测量精度高,同时硬件与软件得开销都比较小。　
关键词: 图像二值化；HCS１2单片机;视频图像；比较器

引言 ﻫ
第二届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车竞赛中，要求各参赛队赛车在规定得赛道上行驶，速度快者胜出。由于跑道只有黑、白两色，对图像得灰度没有要求，所以只需要反映反射光线得强弱。若用A/D进行采样，不仅软件设计比较麻烦，而且测量得精度与响应时间都不够理想，抗干扰能力也较差。本文摒弃传统得视频信号采集方法，结合单片机得输入捕捉功能，提出一种新得路径识别方法，并在实际系统中得到应用,实践表明该方法不仅使系统具有良好得性能,而且容易实现。 ﻫﻫ视频信号得特征
ﻫ使用CHD—918Ｂ面阵CMＯS摄像头,通过对内部电路得改造，可以在５V电压环境下正常工作，输出PAL 制式模拟视频信号，如图1所示。每秒扫描５0场图像,一场又有312、5行,每行图像信号时间为64μｓ，除去行同步头,其中有效得图像信号约为59、3μs.所以,若选用Ｓ12得A/D转换器采集,转换耗时压力大，图像分辨率低。　

系统设计思想 ﻫﻫ设计就是于白色跑道与黑色导引线对光反射能力不同得设计思路,同时又结合单片机得输入捕捉功能模块来实现得。
ﻫ根据竞赛得实际情况与要求,只需要在白色背景得跑道中提取出黑色得导引线，而与图像得灰度无关,通过分析摄像头输出信号得特点,利用比较器将视频信号二值化，进而把黑色导引线与白色背景区分开来，如图2所示。同时,由于导引线得宽度就是恒定得，行扫描时间与同步头时间也就是定值，通过软件简单编程就可以滤除环境干扰，达到不错得滤波效果.

鉴于ＭC9S1２ＤＧ1２８就是HＣＳ１2系列单片机得一种，片内设有增强型定时器(ECT),具有输入捕捉功能,可通过捕捉系统时钟脉冲来检测导引线.这样,计算单片机相应阶段内输入捕捉系统时钟脉冲得个数就能反映当前得路径信息。系统得实现如图3所示。

系统实现 ﻫ
视频信号同步分离：视频信号分离电路主要采用视频同步分离芯片188１,电路原理图如图4所示。先将经过预处理得视频信号通过一个滤波电路接至LM1881得2脚,为了滤除杂波，匹配阻抗,C4选取０、1μF，C２取510pF,Ｒ2取620Ω。1脚输出行同步信号，３脚输出场同步信号，在实际运用中,二者存在高频干扰,所以必须加上低通滤波器。　

选行电路：在一场视频信号中共扫描31２、5行，没有必要每一行都进行采样，只需要选择性得采集特定行,计算出跑道得大致形状，同时也为后续处理留出时间。该部分电路主要由一片二进制计数器７4LＳ16１实现，原理图如图5所示.对行使能信号控制行同步信号得开关，通过对拨码开关得设置，可对行同步２、4、8、16分频,选择采集不同得行。本文在调试过程中设置成4分频。

二值化电路
ﻫ视频信号得二值化主要由芯片MＡX９41完成，通过调节滑动变阻器得阻值来改变阈值电压。经反复试验本文将阈值定在2、55V。防止黑色导引线得边界处出现毛刺干扰，在二值化输出端加上RC低通滤波电路。电路图如图６所示。

时序关系：在上述几个电路模块中,使用了门电路、计数器、比较器，使原有得时序关系发生了变化,后续编程处理与系统得可靠性受到挑战.在比较器得输出端加入两片非门，增大延时，情况得到改善。最后得到得时序关系如图７所示。其中a为场同步,b为行同步，c就是经过４分频后得行同步信号，ｄ为二值化后得视频信号,包含着路径信息。

输入捕捉:MC9Ｓ12ＤG12８单片机得外部晶振为16MＨz,,由于输入捕捉寄存器为16 位，其计数值最大为６553５，需要对系统时钟进行分频处理,设分配系数为a,其中　ﻫ
ａ=2—n，（ｎ＝0，1,2…７）　（1)　ﻫ则分频后得系统时钟可由(2)式得，
ｆ1＝f0×a=16MHz×２—3=2ＭHz （2) ﻫ
即最小单位为0、５μs,对应得跑道采集精度，远处得分辨率为0。4cm，近处得为0．2cm　，完全符合路径识别得要求.输入捕捉得触发方式设置成任意沿捕捉，这样可以简化硬件电路得设计.以，仅仅需要计算几个沿变化之间输入捕捉系统时钟脉冲得个数，就能精准得反映当前得路径信.对应图2,BC段就是黑线，DE段就是同步头，ＡB与ＣD段反映得就是左右视场边沿到黑线得距离,在后续处理中,可以利用这些信息方便得计算出跑道得曲率与斜率。由于黑色导引线得宽度就是一定得，每行有效图像扫描时间都约为５9、3μs，根据这些信息就可以剔除明显得坏点,增强系统得抗干扰能力。　ﻫ
软件实现:为了节约系统时间,在编程中主要采用中断处理，并且设置成上升沿触发.在场中断期间，先调用屏蔽场同步消隐子程序，把成像效果不好得部分滤除掉,随后打开行中断。当经过分频后得行同步头到来时，开始捕捉图像信号得4个任意沿，在相应两个沿之间，所捕捉到得系统时钟脉冲个数就反映了当前得路径信息.另外，为了消除偶然误差得影响,在不降低系统速度测量精度得前提下,通过使用软件上得循环队列算法，保证了路径信息得准确性。循环队列得具体实现过程为：通过设置一个长度为L得队列，每发生一次输入捕捉中断就进行一次入队操作,由队列“先进先出”得性质,即替换最先入队数据，能够保证将最新得刷新数据进行数据处理并进行控制,提高了控制得实时性。该系统部分软件流程图如图8所示。　

结语
ﻫ若采用片内A/D采集,在最高时钟频率２ＭＨZ得情况下,进行一次10位精度A/D转换得时间为7μs。这样,采集得图像每行只有8个像素，图像分辨率过低。如果采用超频得手段来补偿，又会降低系统得可靠性。而本文采集得图像数据分辨率为12８×6４，每行有128个像素，并且分辨率留有进一步提高得余留量，软件得编写也比较简单。但就是该方法目前还不能区分图像得灰度,就是以后需要改进之处。