基于智能車中攝像頭的圖像采集的研究

劉 明，王洪軍，李永科

（1．軍械工程學(xué)院 導(dǎo)彈工程系，河北 石家莊 050003；2．軍械工程學(xué)院 光學(xué)與電子工程系，河北 石家莊 050003）

智能車模塊中最關(guān)鍵的模塊是路徑識別模塊，和前瞻距離較小、只能獲取有限的點(diǎn)信息的光電傳感器相比，采用CCD攝像頭[1]作為尋線傳感器的智能車因前瞻距離遠(yuǎn)，能更遠(yuǎn)更早的感知賽道的變化而速度相對較高，受到大多數(shù)參賽隊伍的青睞，但是不可否認(rèn)，CCD攝像頭傳感器信號處理比較復(fù)雜，如何對攝像頭記錄的圖像進(jìn)行分割和識別，并快速處理不丟失數(shù)據(jù)是攝像頭方案的難點(diǎn)之一。

1 硬件及原理

1.1 攝像頭的主要工作原理

按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對應(yīng)關(guān)系的電壓值，如圖1所示，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。具體而言，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，該電壓信號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，視頻信號端就輸出一低于最低視頻信號電壓的電平（如0．3 V），并保持一段時間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像對應(yīng)的電壓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(biāo)志。然后，跳過一行后（因為攝像頭是隔行掃描的方式），開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的視頻信號，接著就會出現(xiàn)一段場消隱區(qū)。此區(qū)中有若干個復(fù)合消隱脈沖（簡稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有個脈沖，它遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時間長于）其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志[2-7]。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)尾部分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。

圖1 攝像頭信號采集Fig．1 Signal of CCD

由于攝像頭視頻信號行的持續(xù)時間，以及其在每場信號中的位置，行消隱脈沖的持續(xù)時間等重要參數(shù)將關(guān)系到圖像信號的有效實現(xiàn)，因此，我們用單片機(jī)對其進(jìn)行了測試，測試結(jié)果顯示：攝像頭掃描的每場中有320行信號，其中23行到310行是視頻信號，311行到下一場的第22行是場消隱信號。在視頻信號區(qū)，每行信號持續(xù)的時間相同，約62微秒，每行的行同步脈沖持續(xù)的時間也相同，約為4．7微秒。而在場消隱區(qū)，每行持續(xù)的時間會有變化。場消隱區(qū)的第320行的消隱脈沖的持續(xù)時間遠(yuǎn)長于其他消隱脈沖，為場同步脈沖。

1.2 視頻信號采集

在清楚了模擬攝像頭輸出信號格式及如何對信號進(jìn)行采樣的問題之后，下一步的問題是如何根據(jù)場、行同步信號來進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，即是如何“捕捉”場、行同步信號來作為采樣開始和結(jié)束的依據(jù)，這里有兩種可行的方法。1）直接通過單片機(jī)AD進(jìn)行提取。因為行同步脈沖、消隱脈沖或場同步脈沖信號的電平低于這些脈沖以外攝像頭信號的電在行中斷程序中采集視頻信號，當(dāng)即進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)存至圖像數(shù)組中，所以據(jù)此可設(shè)定一個信號電平閾值來判斷AD采樣到的信號是否為上述3類脈沖。2）給單片機(jī)配以合適的外圍芯片，此芯片要能夠提取出攝像頭信號的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖以供單片機(jī)作控制之用。

1.3 LM 1881

考慮到單片機(jī)的速度有限，而一些脈沖的間隔時間又較短，為了減輕其處理負(fù)擔(dān)，采用了第二種方法進(jìn)行信號提取。為此，選擇LM1881芯片作為視頻同步信號分離芯片，該芯片可輸出場、行同步信號，可由此芯片的輸出信號控制單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換開關(guān)。LM1881模塊如圖2所示。

圖2 LM1881模塊Fig．2 Module of LM1881

LM1881引腳說明：1-行同步信號 2-視頻信號 3-場同步信號 4-地 5-空 6-復(fù)位 7-奇偶場同步信號8-VCC

由LM1881分離后可得到視頻信號、行同步信號、場同步信號、奇偶場同步信號，其中視頻信號進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，行同步信號、場同步信號進(jìn)行AD開關(guān)控制。

經(jīng)LM1881處理后的圖像信息如圖3所示。

上圖中（a）為原始的視頻信號；（b）為行同步信號，（c）為場同步信號，場同步信號控制對每一場信號進(jìn)行采集，在一場信號到來后，打開行中斷，接受行同步信號，行中斷中對像素點(diǎn)進(jìn)行采樣；（d）為奇偶場信號，以便確定該場信號為奇場或偶場。

圖3 處理后的圖像信息Fig．3 Picturemessage after processing

2 軟件實現(xiàn)部分

2.1 攝像頭初始化

攝像頭視頻信號行場同步接入S12單片機(jī)的T口中斷，引腳分配如下：

PT0：行同步信號

PT1；場同步信號

其初始化中斷代碼如下：

TIOS=0X00；

TCTL4=0X05；//PT0和PT1都是上升沿捕捉，

TFLG1=0X03；//清零 PT0 和 PT1

TIE=0X01；//允許 PT0中斷，禁止 PT1中斷

2.2 超頻設(shè)置

S12單片機(jī)中有4個不同的時鐘，即外部晶振時鐘，鎖相環(huán)時鐘，總線時鐘和內(nèi)核時鐘。目前電路采用的是16 MHz的外部晶振，默認(rèn)設(shè)置下，鎖相環(huán)設(shè)置為 32 MHz，總線時鐘8 MHz，內(nèi)核時鐘為16MHz。通過將PLLSEL置位，可選擇總線時鐘從鎖相環(huán)時鐘獲得，而鎖相環(huán)時鐘與外部晶振的關(guān)系由SYNR和REFDV兩寄存器決定。通過設(shè)置，將總線頻率超頻到 80MHz。

由于賽道黑線寬為25 mm，若采集的黑線點(diǎn)數(shù)少于3個，將無法對中線進(jìn)行確定，而頻率高有助于采集到更多的點(diǎn)數(shù)。

ATD0CTL4=0x01；

ATDClock=[BusClock*0．5]/[PRS+1]=0．05 μs

Programmed Sample Time=4AD Clock

AD轉(zhuǎn)換時間=Initial Sample Time+Programmed Sample Time+Resolution Period

=2+4+10=16AD Clock=0．8 μs

行圖像信號持續(xù)時間為62μs，其中行同步信號時間為4．7 μs，則采集的有效點(diǎn)數(shù)為：

這樣，在近處能采集到黑點(diǎn)數(shù)較多，在遠(yuǎn)處也能采集到3個黑點(diǎn)，有助于黑線的提取。

2.3 圖像采集

具體說來，采集一場的流程是這樣的：

第1步，LM1881分離出的場同步信號在T0口產(chǎn)生中斷。

第2步，LM1881分離出的行同步信號在T1口產(chǎn)生中斷，開啟行通道，允許中斷，開啟AD轉(zhuǎn)換。

第3步，由于一場中有320多個行，設(shè)置了一個行計數(shù)器，每次行中斷都將該計數(shù)器加一，當(dāng)該計數(shù)器的值與預(yù)存數(shù)組里的某個數(shù)相等時，表示該行應(yīng)該采集。我們一共采集40行信息。

第4步，一行采集完后將采集行計數(shù)器加1，關(guān)閉AD轉(zhuǎn)換。將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入灰度數(shù)組。

第5步，下一場中斷到，開始下一場的圖像信息。

圖像采集的流程如圖4所示。

圖4 圖像采集流程Fig．4 Flow path of picture signal collection

3 結(jié)束語

通過對圖像采集的研究，能夠較易通過LM1881對視頻信號進(jìn)行分離，除了得到圖像信號，還包括行同步信號，行消隱信號，場同步信號，場消隱信號等，通入芯片的PT口進(jìn)行中斷和AD口轉(zhuǎn)換，從而完成對信號進(jìn)行分割和量化，得到我們想要的灰度值。接下來只要對其進(jìn)行二值化處理，就完成了模數(shù)轉(zhuǎn)化，得到了想要的圖像。

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