攝像頭智能車講稿解析課件

1、攝像頭尋跡智能車圖像采集與數(shù)據(jù)處理 智能車道路識(shí)別尋跡方案 攝像頭尋跡智能車結(jié)構(gòu)組成 攝像頭尋跡智能車功能模塊 圖像采集傳感器簡(jiǎn)介 模擬圖像采集傳感器 數(shù)字圖像采集傳感器OV7620智能車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成 賽道信息的識(shí)別是車輛控制的基礎(chǔ)，為了提高行駛穩(wěn)定性和優(yōu)化行車線路，很多設(shè)計(jì)都把重點(diǎn)放在了使傳感器感知更遠(yuǎn)距離、獲取更多信息上?，F(xiàn)有賽道路徑檢測(cè)識(shí)別方案大體有三種：電磁尋跡方案,光電尋跡方案,攝像頭尋跡方案。電磁傳感器循跡方案 電磁模型車采用電磁感應(yīng)線圈來(lái)判別跑道上的電磁引導(dǎo)線(導(dǎo)線電流100mA，頻率20KHz)。路徑識(shí)別模塊由若干個(gè)電感組成通過(guò)電磁傳感器檢測(cè)的磁場(chǎng)的大小來(lái)判斷車的行進(jìn)角度進(jìn)

2、行賽道預(yù)測(cè)并輸出電壓給MC9S12XS128采集處理,控制小車各模塊工作。光電傳感器循跡方案 光電模型車采用“線型檢測(cè)陣列”尋線方法，將多個(gè)光電管成直線排列在智能車前端，采用巡回檢測(cè)方式來(lái)尋找黑色導(dǎo)引線。利用單片機(jī)完成對(duì)光電管檢測(cè)信號(hào)的分析處理并實(shí)現(xiàn)電機(jī)和舵機(jī)控制脈沖的產(chǎn)生。圖像傳感器循跡方案 攝像頭模型車采用圖像傳感器直接“觀測(cè)” 賽道，進(jìn)行信息識(shí)別尋跡，其“面型檢測(cè)陣列”遠(yuǎn)多于“線型檢測(cè)陣列”所能檢測(cè)的信息，利用單片機(jī)進(jìn)行視頻信號(hào)采樣處理，可有效識(shí)別出導(dǎo)引線的位置，區(qū)分各種道路類型并提供足夠遠(yuǎn)的預(yù)判距離。電磁尋跡模型小車光電尋跡模型小車攝像頭尋跡模型小車光電尋跡與圖像尋跡檢測(cè)方案的比較路徑

3、識(shí)別方法優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)紅外光電管傳感器方案1電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單2檢測(cè)信息速度快3成本較低1道路參數(shù)檢測(cè)精度較低2檢測(cè)前瞻距離較短3耗電量大4占用MCU端口資源較多5容易受到外界光線影響攝像頭傳感器方案1檢測(cè)前瞻距離遠(yuǎn)2檢測(cè)范圍寬3檢測(cè)道路參數(shù)多4占用MCU端口資源少1電路相對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜2檢測(cè)信息更新速度慢3軟件處理數(shù)據(jù)較多攝像頭尋跡智能車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成智能車作為一個(gè)完全自主系統(tǒng)，首先要完成對(duì)路徑信息和速度信息的獲取然后通過(guò)對(duì)舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)行駛。整個(gè)系統(tǒng)以MC9S12XS128 單片機(jī)為核心，輔以電源管理模塊、路徑識(shí)別模塊、車速采集模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。攝像頭尋

4、跡智能車硬件模塊設(shè)計(jì) MC9S12XS128 最小系統(tǒng)電源管理模塊路徑識(shí)別模塊車速采集模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊硬件模塊設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)所謂單片機(jī)最小系統(tǒng)，是指在單片機(jī)外部增加盡可能少的元件電路，組成一個(gè)可以讓單片機(jī)獨(dú)立工作的系統(tǒng)。最小系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：供電電路：為單片機(jī)提供+5V 的電源。時(shí)鐘電路：為單片機(jī)提供一個(gè)外接的16MHz 的石英晶振。復(fù)位電路：通過(guò)一個(gè)復(fù)位芯片給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)。 BDM 下載電路：允許用戶向單片機(jī)下載和調(diào)試程序。硬件模塊設(shè)計(jì)電源管理 電源管理模塊為系統(tǒng)其他各個(gè)模塊提供所需的電源?？煽康碾娫丛O(shè)計(jì)是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，是智能車設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)中

5、除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化。5V穩(wěn)壓電路（單片機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像頭、編碼器）6V穩(wěn)壓電路（舵機(jī)）5V穩(wěn)壓電路（單片機(jī)、編碼器等）12V斬波升壓電路（模擬攝像頭等）硬件模塊設(shè)計(jì)車速采集常用的速度采集傳感器：1. 霍爾傳感器配合稀土磁鋼2. 光電式脈沖編碼器3. 測(cè)速發(fā)電機(jī)1霍爾式脈沖編碼器 下圖是三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多

6、少，就可以確定傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。2光電式脈沖編碼器 光電式脈沖編碼器可將機(jī)械位移、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出，是精密數(shù)控采用的檢測(cè)傳感器。光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式，此外還具有精度高、響應(yīng)快、可靠性高等特點(diǎn)。 光電編碼器采用光電方法，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為各種代碼形式的數(shù)字脈沖，如下圖所示。 3.測(cè)速發(fā)電機(jī)此種方法檢測(cè)速度準(zhǔn)確，但測(cè)速電機(jī)體積過(guò)大且價(jià)格昂貴，其安裝也不易，所以不常用這種方法。大多數(shù)車模選擇的是光電編碼器。硬件模塊設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 智能車優(yōu)劣評(píng)定的重要標(biāo)準(zhǔn)就是，直道、彎道應(yīng)采取不同的速度控制策略。直接用電池電源無(wú)法實(shí)現(xiàn)速度控制，因此需要用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。MC9S12單片

7、機(jī)集成有PWM輸出單元，可以用來(lái)控制大功率晶體管、全橋或半橋電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度控制。MC33886驅(qū)動(dòng)電路BTS7960驅(qū)動(dòng)電路H橋驅(qū)動(dòng)電路MC33886驅(qū)動(dòng)電路H橋驅(qū)動(dòng)電路BTS7960驅(qū)動(dòng)電路硬件模塊設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向舵機(jī)舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)舵盤、齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等。工作原理脈寬信號(hào)給定參考位置，舵機(jī)內(nèi)部電路通過(guò)反饋控制調(diào)節(jié)舵盤角位。舵盤角位由PWM控制信號(hào)的脈寬決定。 三線連接方式紅線：電源線+6V黑線：地線白線：PWM控制信號(hào) 舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)控制方法舵機(jī)轉(zhuǎn)角與PWM脈寬實(shí)測(cè)波形（0度）實(shí)測(cè)波形（15度）實(shí)測(cè)波形（-15度）實(shí)測(cè)波形（30度）硬件模塊設(shè)計(jì)路徑識(shí)別 路徑識(shí)別模塊

8、是智能車控制系統(tǒng)的輸入采集單元，其優(yōu)劣直接影響智能車的快速性和穩(wěn)定性。在攝像頭尋跡方案中，其路徑識(shí)別和道路信息是由攝像頭采集的。 攝像頭又稱作圖像傳感器，由鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路構(gòu)成。按圖像傳感芯片可分為CCD攝像頭和CMOS攝像頭；根據(jù)攝像頭輸出信號(hào)的形式又可分為數(shù)字?jǐn)z像頭和模擬攝像頭。 攝像頭優(yōu)缺點(diǎn)CCD模擬攝像頭CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭 優(yōu)點(diǎn)1)靈敏度高，適于高速運(yùn)行2)噪點(diǎn)低1)體積小，重量輕，功耗低2)內(nèi)部集成A/D，電路要求簡(jiǎn)單方便系統(tǒng)小型化3)平均成本低,便于推廣 缺點(diǎn)1)成本高2)功耗高，需12V供電1)靈敏度低，不適于高速運(yùn)行2)噪點(diǎn)高按感光器件類別來(lái)分，現(xiàn)在市場(chǎng)上攝像頭使用

9、的鏡頭大多為CCD和CMOS兩種。其中CCD（ChargeCoupledDevice，電荷耦合組件）是應(yīng)用在攝像、圖像掃描方面的高端技術(shù)組件，CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，附加金屬氧化物半導(dǎo)體組件）則大多應(yīng)用在一些低端視頻產(chǎn)品中。但是這樣的定位并不表示在具體的攝像頭使用時(shí)，兩者有很大區(qū)別。事實(shí)上經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，目前CCD和CMOS的實(shí)際效果的差距已經(jīng)大大的減小了。而CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多攝像頭生產(chǎn)廠商采用的都是CMOS鏡頭。按感光器件類別來(lái)分，現(xiàn)在市場(chǎng)上攝像頭使用的鏡頭大多為CCD和CMOS兩種。其中CCD（C

10、hargeCoupledDevice，電荷耦合組件）是應(yīng)用在攝像、圖像掃描方面的高端技術(shù)組件，CMOS（Complementary Metal-OxideSemiconductor，附加金屬氧化物半導(dǎo)體組件）則大多應(yīng)用在一些低端視頻產(chǎn)品中。但是這樣的定位并不表示在具體的攝像頭使用時(shí)，兩者有很大區(qū)別。事實(shí)上經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，目前CCD和CMOS的實(shí)際效果的差距已經(jīng)大大的減小了。而CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多攝像頭生產(chǎn)廠商采用的都是CMOS鏡頭。攝像頭分為數(shù)字?jǐn)z像頭和模擬攝像頭兩大類。模擬攝像頭可以將視頻采集設(shè)備產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而將其儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里。模擬攝像

11、頭捕捉到的視頻信號(hào)必須經(jīng)過(guò)特定的視頻捕捉卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模式，并加以壓縮后才可以轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)上運(yùn)用。數(shù)字?jǐn)z像頭可以直接捕捉影像，然后通過(guò)串、并口或者USB接口傳到計(jì)算機(jī)里。現(xiàn)在電腦市場(chǎng)上的攝像頭基本以數(shù)字?jǐn)z像頭為主，而數(shù)字?jǐn)z像頭中又以使用新型數(shù)據(jù)傳輸接口的USB數(shù)字?jǐn)z像頭為主，目前市場(chǎng)上可見(jiàn)的大部分都是這種產(chǎn)品。一、CCD1簡(jiǎn)述CCD（ChargeCoupledDevice），即“電荷耦合器件”，以百萬(wàn)像素為單位。數(shù)碼相機(jī)規(guī)格中的多少百萬(wàn)像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導(dǎo)體芯片，用于捕捉圖形，廣泛運(yùn)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)以及無(wú)膠片相機(jī)等設(shè)備。與膠卷的原理相似，光線穿過(guò)一個(gè)鏡頭

12、，將圖形信息投射到CCD上。但與膠卷不同的是，CCD既沒(méi)有能力記錄圖形數(shù)據(jù)，也沒(méi)有能力永久保存下來(lái)，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數(shù)據(jù)都會(huì)不停留地送入一個(gè)“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換器，一個(gè)信號(hào)處理器以及一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備（比如內(nèi)存芯片或內(nèi)存卡）。CCD有各式各樣的尺寸和形狀，最大的有22平方英寸。2CCD的成像原理 CCD成像的過(guò)程是這樣的：CCD表面被覆的硅半導(dǎo)體光敏元件捕獲光子后產(chǎn)生光生電子，這些電子先被積蓄在CCD下方的絕緣層中，然后由控制電路以串行的方式導(dǎo)出到模數(shù)電路中，再經(jīng)過(guò)DSP等成像電路形成圖像。fastscan和slow scan最大的區(qū)別就在于光生電子導(dǎo)出的速度和電路系統(tǒng)上不同。fastsc

13、an導(dǎo)出電子的頻率非?？欤员隳苓_(dá)到視頻級(jí)的刷新率，但這將導(dǎo)致電子丟失、噪聲增多、光生電子清空不徹底；而lowscan則相反，它的電路設(shè)計(jì)重在對(duì)光生電子積蓄的保護(hù)上，導(dǎo)出的頻率不高，但保證傳出過(guò)程中電子丟失和損耗降到極小，它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度極高，保證了信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程不失真，同時(shí)為了減低熱效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲，一般使用Cooling系統(tǒng)降溫。 看了上面的解釋我們可以知道專業(yè)級(jí)的科研用攝像頭為什么那么貴了，從CCD感光層的材料和面積開(kāi)始、到光生電子的積蓄、到電子的導(dǎo)出電路、傳輸電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像顯示電路、Cooling電路，每一步專業(yè)級(jí)科研攝像頭的工藝都和民用級(jí)的不同，成本都在幾十倍到幾

14、百倍以上。目的只有一個(gè)，專業(yè)級(jí)攝像頭能盡可能完整的采集到所有的光信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，民用級(jí)攝像頭或數(shù)碼相機(jī)只能反映50%以下的光信號(hào)。3評(píng)價(jià)CCD的基本指標(biāo) 主要包括信噪比、冷卻溫度、像素值等3.1信噪比（SNR） 信噪比真實(shí)體現(xiàn)攝像頭的檢測(cè)能力。所有的CCD攝像頭的廠家為提高攝像頭的性能，都盡力使信號(hào)（可達(dá)到滿井電子的數(shù)目）最大同時(shí)盡可能減少噪音。SNR=滿井電子/噪音電子=動(dòng)態(tài)范圍=最大灰階=2bit數(shù)3.2冷卻溫度 在相同滿井電子的CCD，降低CCD噪音，就能提高CCD的監(jiān)測(cè)能力，熱或者暗電流對(duì)于CCD都是噪音，噪音在CoolCCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。在曝光超過(guò)5-10

15、秒，CCD芯片就會(huì)發(fā)熱，沒(méi)有致冷設(shè)備的芯片，“熱”或者白的像素點(diǎn)就會(huì)遮蓋圖像，圖像到處可見(jiàn)雪花。-20C的攝像頭可以拍攝高達(dá)5分鐘的圖像，-40C的攝像頭拍攝時(shí)間可以超過(guò)1小時(shí)。 CCD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)字化的方法等都會(huì)影響噪音的產(chǎn)生。通過(guò)改善結(jié)構(gòu)、優(yōu)化方法，同樣能減少噪音的產(chǎn)生。二、CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），即“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)所需的大量資料。CMOS傳感器便于大規(guī)模生產(chǎn)，且速度快，成本較低，是數(shù)碼相機(jī)關(guān)鍵器件的發(fā)展方向之一。四、比較CCD與CMOS1970年是影像處理行業(yè)具有里程碑意

16、義的一年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了CCD。二十年后，人們利用這一技術(shù)制造了數(shù)字相機(jī)，將影像處理行業(yè)推進(jìn)到一個(gè)全新領(lǐng)域。數(shù)字相機(jī)無(wú)需膠卷和沖洗、可重復(fù)拍攝和即時(shí)調(diào)整；影像可無(wú)限次復(fù)制且不會(huì)降低質(zhì)量，方便永久保存，并可用于電子傳送和處理。它的誕生給影像處理業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。 從技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS有如下四個(gè)方面的不同：1.信息讀取方式CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號(hào)，信號(hào)讀取十分簡(jiǎn)單。2.速度CCD電荷耦合器需

17、在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。3.電源及耗電量CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)。4.成像質(zhì)量CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁

18、干擾較嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。5.此外，CCD與CMOS兩種傳感器在“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”和“外部結(jié)構(gòu)”上都是不同的:5.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)（傳感器本身的結(jié)構(gòu)）CCD的成像點(diǎn)為XY縱橫矩陣排列，每個(gè)成像點(diǎn)由一個(gè)光電二極管和其控制的一個(gè)鄰近電荷存儲(chǔ)區(qū)組成。光電二極管將光線（光量子）轉(zhuǎn)換為電荷（電子），聚集的電子數(shù)量與光線的強(qiáng)度成正比。在讀取這些電荷時(shí)，各行數(shù)據(jù)被移動(dòng)到垂直電荷傳輸方向的緩存器中。每行的電荷信息被連續(xù)讀出，再通過(guò)電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和放大器傳感。這種構(gòu)造產(chǎn)生

19、的圖像具有低噪音、高性能的特點(diǎn)。但是生產(chǎn)CCD需采用時(shí)鐘信號(hào)、偏壓技術(shù)，因此整個(gè)構(gòu)造復(fù)雜，增大了耗電量，也增加了成本。CMOS傳感器周圍的電子器件，如數(shù)字邏輯電路、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS傳感器的構(gòu)造如同一個(gè)存儲(chǔ)器，每個(gè)成像點(diǎn)包含一個(gè)光電二極管、一個(gè)電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元、一個(gè)重新設(shè)置和選擇晶體管，以及一個(gè)放大器，覆蓋在整個(gè)傳感器上的是金屬互連器（計(jì)時(shí)應(yīng)用和讀取信號(hào)）以及縱向排列的輸出信號(hào)互連器，它可以通過(guò)簡(jiǎn)單的XY尋址技術(shù)讀取信號(hào)。 5.2外部結(jié)構(gòu)（傳感器在產(chǎn)品上的應(yīng)用結(jié)構(gòu)）CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而

20、CMOS光電傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。CMOS光電傳感器的加工采用半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程，可以將數(shù)字相機(jī)的所有部件集成到一塊芯片上，如光敏元件、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器及控制器等，都可集成到一塊芯片上，還具有附加DRAM的優(yōu)點(diǎn)。只需要一個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)很多功能，因此采用CMOS芯片的光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體成本很低。五、什么是數(shù)字?jǐn)z像頭所有CCD芯片都屬于模擬元件，但當(dāng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)卻是數(shù)字信號(hào)。如果數(shù)據(jù)是在攝像頭、采集卡兩部分完成數(shù)字化的，這個(gè)攝像頭就是模擬攝像頭。而數(shù)字?jǐn)z像頭

21、則是在攝像頭內(nèi)部完成數(shù)字化的，這樣可以減少圖像的噪音。與模擬攝像頭相比，數(shù)字?jǐn)z像頭顯著提高了攝像頭的信噪比、增加了攝像頭的動(dòng)態(tài)范圍、最大化圖像灰度范圍?？茖W(xué)研究級(jí)的絕大多數(shù)的CCD/CMOS芯片都是由Kodak、Sony、SIT制造的。 六、CCD與COMS的分類CCD與CMOS按成像過(guò)程可以分為2大類：動(dòng)態(tài)（fastscan）和靜態(tài)（slowscan）；按應(yīng)用場(chǎng)合不同可以分為專業(yè)級(jí)和民用級(jí)。常見(jiàn)的視頻聊天攝像頭（如羅技）與各種數(shù)字相機(jī)使用的分別是民用級(jí)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)CCD/CMOS。1、CCD模擬攝像頭工作原理： 攝像頭以隔行掃描方式采樣圖像，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

22、轉(zhuǎn)換成與灰度對(duì)應(yīng)的電壓值并將此電壓值通過(guò)視頻信號(hào)端輸出。攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行就輸出一段連續(xù)的視頻信號(hào)，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。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0.3 V)并保持一段時(shí)間。即相當(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”叫做行同步脈沖，它是掃描換行標(biāo)志。然后掃描新一行，直到掃描完該場(chǎng)信號(hào)，接著會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱信號(hào)。這些消隱脈沖中有一個(gè)消隱脈沖遠(yuǎn)寬于其他的脈沖稱為場(chǎng)同步脈沖，標(biāo)志著新一場(chǎng)的到來(lái)。攝像頭每秒掃描25幀圖像，每幀分奇、偶兩場(chǎng)，故每秒掃描50場(chǎng)圖像。要能有效地采樣攝像頭視頻信號(hào)，首先要處理好的技術(shù)

23、問(wèn)題就是能提取出攝像頭信號(hào)中的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖。否則，單片機(jī)將無(wú)法識(shí)別所接收到的視頻信號(hào)處在哪一場(chǎng)，也無(wú)法識(shí)別是在該場(chǎng)中的場(chǎng)消隱區(qū)還是視頻信號(hào)區(qū)，更無(wú)法識(shí)別是在視頻信號(hào)區(qū)的第幾行。 要處理好行同步脈沖和場(chǎng)同步脈沖提取的問(wèn)題，有以下兩種可供參考的方法。方法一：直接采用A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行提取。當(dāng)攝像頭信號(hào)為行同步脈沖、消隱脈沖或場(chǎng)同步脈沖時(shí)，攝像頭信號(hào)電平就會(huì)低于這些脈沖模式之外時(shí)的攝像頭信號(hào)電平。據(jù)此，可設(shè)一個(gè)信號(hào)電平閾值來(lái)判斷A/D轉(zhuǎn)換采樣到的攝像頭信號(hào)是否為行同步脈沖、消隱脈沖或場(chǎng)同步脈沖。方法二：就是給單片機(jī)配以合適的外圍芯片，此芯片要能夠自己提取出攝像頭信號(hào)的行同步脈沖、消隱

24、脈沖和場(chǎng)同步脈沖，以供單片機(jī)控制之用。 倘若采用第一種方法，則無(wú)需配以外部芯片，在硬件上就可以較為簡(jiǎn)便。然而，此方法在智能車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中存在兩大局限性。其一，S12的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間還不夠短，在不超頻的情況下，該單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間最短為7 s，而行同步脈沖一般只有4.7 s左右的持續(xù)時(shí)間，大多數(shù)消隱脈沖更只有3.5 s的持續(xù)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間都小于7 s，所以A/D轉(zhuǎn)換很有可能漏檢行同步脈沖或消隱脈沖。一旦漏檢一兩個(gè)脈沖，就會(huì)使攝像頭視頻采樣的效果大打折扣。其二，在智能車控制系統(tǒng)中，S12除負(fù)責(zé)攝像頭視頻采樣方面的處理之外，還要負(fù)責(zé)黑色引導(dǎo)線的提取、方向速度控制等方面的處理，但畢竟MC9S1

25、2DG128 的處理能力還是有限的，若采用此方法，會(huì)使得在視頻采樣上花費(fèi)較多的S12處理資源，這樣攝像頭視頻采樣本身的效率較低。此外，黑色引導(dǎo)線的提取、方向速度控制等方面的設(shè)計(jì)也會(huì)局限于所剩余的單片機(jī)處理資源。倘若采用第二種方法，則需要配以專門的外圍芯片。雖然硬件上相對(duì)要繁瑣一些，但在資源的合理配置上則大大提高。目前，LM1881視頻同步信號(hào)分離芯片就是一款合適的芯片，它提取攝像頭信號(hào)的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖，并將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字式電平直接輸給單片機(jī)的I/O口作為控制信號(hào)。其硬件連接圖如圖7.3所示。 系統(tǒng)框圖攝像頭視頻信號(hào)端接LM1881的視頻信號(hào)輸入端，同時(shí)也接入S12的一個(gè)A/D

26、轉(zhuǎn)換器口（選用PAD1）。LM1881的行同步信號(hào)端（引腳1）接入S12的一個(gè)外部中斷IRQ口。LM1881的奇-偶場(chǎng)同步信號(hào)輸出端接S12的普通I/O口即可（選用PORTM0）。 關(guān)于賽道檢測(cè)方式賽道路徑幾何特點(diǎn) 由直線和圓弧組成；賽道路徑檢測(cè)內(nèi)容 確定路徑中心位置； 確定路徑方向； 確定路徑曲率； 需要在賽道垂直方向上 35點(diǎn)便可確定道路參數(shù)；賽道路徑檢測(cè)方法攝像頭檢測(cè)道路效果圖:攝像頭獲取的道路圖某行圖片的灰度值掃描 攝像頭接線視頻采樣效果基于面陣賽道參數(shù)檢測(cè)方法使用面陣檢測(cè)路徑參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)：分辨率高：識(shí)別路徑參數(shù)多：中心位置、方向、曲率；占用端口資源少：轉(zhuǎn)換；一路中斷輸入；一路口輸入；通

27、過(guò)算法減少外部環(huán)境影響；用攝像頭的缺點(diǎn)CCD相對(duì)昂貴；占用RAM比較多；道路檢測(cè)速率受到限制； 50Hz檢測(cè)有一定的延時(shí)（1/50）秒；附注電路較多：12V, LM1881等；基于CCD路徑檢測(cè)方法難點(diǎn)及解決方法12of18采集速率；圖像的分辨率 : 水平高，垂直低；存儲(chǔ)空間；DG128 8KRAM處理速度；圖像采集，處理，控制等等；電源電壓；12V工作電源 表2.1 常見(jiàn)1/3 OmniVision CMOS攝像頭的時(shí)序參數(shù)CCD攝像頭視頻信號(hào)用S12采集圖像采集速率：S12 AD 轉(zhuǎn)換速率10bit : 7us視頻信號(hào)一行時(shí)間：64us;(有效圖像時(shí)間56)一行有效采集像素： 300線/幀

28、矛盾采集速率 路徑檢測(cè)需要圖像特點(diǎn)： 水平分辨率: 高； 垂直分辨率：低；3-5點(diǎn)矛盾：如何解決？解決采集速率- 解決方法 攝像頭水平旋轉(zhuǎn)90度； 水平分辨率 垂直分辨率附加手段采集速率- 解決方法 采用CPU 內(nèi)部總線超頻； 48規(guī)則沒(méi)有限制CPU超頻初步計(jì)算采集速率- 解決方法 * 攝像頭旋轉(zhuǎn)90度； * CPU超頻； 可以得到 300 48 分辨率圖像；可以滿足道路檢測(cè)需要； 實(shí)際需要可以使用降低的圖像分辨率： 72 24 即可； 資源需求存儲(chǔ)空間必須存儲(chǔ)正幅圖像；這是由于將垂直分辨率轉(zhuǎn)換為水平分辨率的原因；存儲(chǔ)空間： 每個(gè)像素存儲(chǔ)1字節(jié)； 72 * 24 圖像需要 1728字節(jié)； DG

29、128 RAM空間為8K字節(jié)；可以滿足存儲(chǔ)需要。 同時(shí)還可以開(kāi)辟雙圖像存儲(chǔ)區(qū)，采集、處理同時(shí)進(jìn)行； 占用資源分析處理速度： 采集時(shí)間： 圖像采集采用終端采集的方式；節(jié)省CPU處理事件； 72 * 24 分辨率下：只對(duì)于其中的1/4行進(jìn)行圖像采集。CPU花費(fèi)在圖像采集上的時(shí)間少于 總時(shí)間1/4。其余的時(shí)間用于圖像處理、控制等運(yùn)算； 圖像處理處理速度 優(yōu)化圖像路徑參數(shù)檢測(cè)算法，算法時(shí)間小于 20ms。 圖像：黑白色，檢測(cè)中心算法簡(jiǎn)單； 可以適當(dāng)增加些動(dòng)態(tài)亮度補(bǔ)償算法；滿足路徑參數(shù)檢測(cè)速度要求； 工作電源CCD工作電源 12V; 使用PWM 斬波升壓電路得到12V電源；這不違反比賽規(guī)則； 禁止使用DC-DC升壓電路為驅(qū)動(dòng)電機(jī) 以及舵機(jī)提供動(dòng)力； 連接CPUCPU最小系統(tǒng)連接CPU