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，當掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉換成與灰度一一對應的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。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，該電壓信號的高低起伏反映了該行圖像的灰度變化。當掃描完一行，視頻信號端就輸出一個低于最低視頻信號電壓的電平（如0.3V），并保持一段時間。這樣相當于，緊接著每行圖像信號之后會有一個電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標志。然后，跳過一行后（因為攝像頭是隔行掃描的），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，接著又會出現(xiàn)一段場消隱區(qū)。該區(qū)中有若干個復合消隱脈沖，其中有個遠寬于（即持續(xù)時間長于）其它的消隱脈沖，稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標志。場同步脈沖標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。奇場時只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時則只掃描偶數(shù)行。攝像頭有兩個重要的指標：有效像素和分辨率。分辨率實際上就是每場行同步脈沖數(shù)，這是因為行同步脈沖數(shù)越多，則對每場圖像掃描的行數(shù)也越多。事實上，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”，其中前一個數(shù)值表示單行視頻信號的精細程度，即行分辨能力；后一個數(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，通常產品說明上標注的分辨率不是等于實際分辨率（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，產品說明上標注的“分辨率”略大于實際分辨率。我們要知道實際的分辨率，就得實際測量一下。攝像頭工作原理.jpg摘要： 本文基于freescale 16位HCS12單片機的輸入捕捉功能設計一種視頻信號采集系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，將CMOS攝像頭的輸出信號二值化，利用單片機輸入捕捉功能實時對信號采樣、處理，提取出黑色導引

4、線的形狀特征。實驗證明：系統(tǒng)能很好地滿足智能車對路徑識別性能和抗干擾能力的要求，實時性好，測量精度高，同時硬件和軟件的開銷都比較小。 關鍵詞： 圖像二值化；HCS12單片機；視頻圖像；比較器 引言 第二屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能車競賽中，要求各參賽隊賽車在規(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弱。若用A/D進行采樣，不僅軟件設計比較麻煩，而且測量的精度和響應時間都不夠理想，抗干擾能力也較差。本文摒棄傳統(tǒng)的視頻信號采集方法，結合單片機的輸入捕捉功能，提出一種新的路徑識別方法，并在實際系統(tǒng)中得到應用，實踐表明該方法不僅使系統(tǒng)具有

5、良好的性能，而且容易實現(xiàn)。 視頻信號的特征 使用CHD-918B面陣CMOS攝像頭，通過對內部電路的改造，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，如圖1所示。每秒掃描50場圖像，一場又有312.5行，每行圖像信號時間為64s，除去行同步頭，其中有效的圖像信號約為59.3s。所以，若選用S12的A/D轉換器采集，轉換耗時壓力大，圖像分辨率低。 系統(tǒng)設計思想 設計是于白色跑道和黑色導引線對光反射能力不同的設計思路，同時又結合單片機的輸入捕捉功能模塊來實現(xiàn)的。 根據(jù)競賽的實際情況和要求，只需要在白色背景的跑道中提取出黑色的導引線，而與圖像的灰度無關，通過分析攝像頭輸出信號的特點，利

6、用比較器將視頻信號二值化，進而把黑色導引線與白色背景區(qū)分開來，如圖2所示。同時，由于導引線的寬度是恒定的，行掃描時間和同步頭時間也是定值，通過軟件簡單編程就可以濾除環(huán)境干擾，達到不錯的濾波效果。 鑒于MC9S12DG128是HCS12系列單片機的一種，片內設有增強型定時器(ECT)，具有輸入捕捉功能，可通過捕捉系統(tǒng)時鐘脈沖來檢測導引線。這樣，計算單片機相應階段內輸入捕捉系統(tǒng)時鐘脈沖的個數(shù)就能反映當前的路徑信息。系統(tǒng)的實現(xiàn)如圖3所示。 系統(tǒng)實現(xiàn) 視頻信號同步分離：視頻信號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)過預處理的視頻信號通過一個濾波電路接至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，腳輸出場同步信號，在實際運用中，二者存在高頻干擾，所以必須加上低通濾波器。 選行電路：在一場視頻信號中共掃描312.5行，沒有必要每一行都進行采樣，只需要選擇性的采集特定行，計算出跑道的大致形狀，同時也為后續(xù)處理留出時間。該部分電路主要由一片二進制計數(shù)器74LS161實現(xiàn)，原理圖如圖5所示。對行使能信號控制行同步信號的開關，通過對撥碼開關的設置，可對行同步2、4、8、16分頻，選擇采集不同的行。本文在調試過程中設置成4分頻。 二值化電路 視頻信號的二值化主要由芯片MAX941完成，通過調節(jié)滑動變阻器的阻

8、值來改變閾值電壓。經(jīng)反復試驗本文將閾值定在2.55V。防止黑色導引線的邊界處出現(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。 時序關系：在上述幾個電路模塊中，使用了門電路、計數(shù)器、比較器，使原有的時序關系發(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，情況得到改善。最后得到的時序關系如圖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，d為二值化后的視頻信號，包含著路徑信息。 輸入捕捉：MC9S12DG128單片機的外部晶振為16MHz，由于輸入捕捉寄存器為16 位，其計數(shù)值最大為65535，需要對系統(tǒng)時鐘進行分頻處理

9、，設分配系數(shù)為a，其中 a=2-n，(n=0,1,27) (1) 則分頻后的系統(tǒng)時鐘可由(2)式得， f1=f0×a=16MHz×2-3=2MHz (2) 即最小單位為0.5s，對應的跑道采集精度，遠處的分辨率為0.4cm，近處的為0.2cm ，完全符合路徑識別的要求。輸入捕捉的觸發(fā)方式設置成任意沿捕捉，這樣可以簡化硬件電路的設計。以，僅僅需要計算幾個沿變化之間輸入捕捉系統(tǒng)時鐘脈沖的個數(shù)，就能精準的反映當前的路徑信。對應圖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算出跑道的曲率和斜率。由于黑色導引線

10、的寬度是一定的，每行有效圖像掃描時間都約為59.3s，根據(jù)這些信息就可以剔除明顯的壞點，增強系統(tǒng)得抗干擾能力。 軟件實現(xiàn)：為了節(jié)約系統(tǒng)時間，在編程中主要采用中斷處理，并且設置成上升沿觸發(fā)。在場中斷期間，先調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。當經(jīng)過分頻后的行同步頭到來時，開始捕捉圖像信號的4個任意沿，在相應兩個沿之間，所捕捉到的系統(tǒng)時鐘脈沖個數(shù)就反映了當前的路徑信息。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)隊列算法，保證了路徑信息的準確性。循環(huán)隊列的具體實現(xiàn)過程為：通過設置一個長度為L的隊列，每發(fā)生一次輸入捕捉中斷就進行一次入隊操作，由隊列“先進先出”的性質，即替換最先入隊數(shù)據(jù)，能夠保證將最新的刷新數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理并進行控制，提高了控制的實時性。該系統(tǒng)部分軟件流程圖如圖8所示。 結語 若采用片內A/D采集，在最高時鐘頻率2MHZ的情況下