基于智能车中摄像头的图像采集的研究_刘明

文献标识码： A
文 章 编 号 ：16search of image collection of CCD based on smart car
LIU Ming1， WANG Hong-jun2， LI Yong-ke2 （1. Missile Engineering Department， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China； 2. Department of Optics and Electronics Engineering， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）
TIOS = 0X00；
TCTL4=0X05；//PT0 和 PT1 都是上升沿捕捉，
TFLG1=0X03；//清零 PT0 和 PT1
TIE = 0X01；//允许 PT0 中断，禁止 PT1 中断
2.2 超频设置
S12 单片机中有 4 个不同的时钟 ，即外部晶振时钟 ，锁相
环时钟，总线时钟和内核时钟。 目前电路采用的是 16 MHz 的
按一定的分辨率， 以隔行扫描的方式采样图像上的点，
当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度
转换成与灰度成一一对应关系的电压值，如图 1 所示，然后
将此电压值通过视频信号端输出。 具体而言，摄像头连续地
扫描图像上的一行，就输出一段连续的电压视频信号，该电
压信号的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况。 当扫
这样，在近处能采集到黑点数较多，在远处也能采集到 3
个黑点，有助于黑线的提取。
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《电子设计工程》2012 年第 17 期
2.3 图像采集 具体说来，采集一场的流程是这样的： 第 1 步，LM1881 分离出的场同步信号在 T0 口产生中断。 第 2 步 ，LM1881 分 离 出 的 行 同 步 信 号 在 T1 口 产 生 中
断，开启行通道，允许中断，开启 AD 转换。 第 3 步 ，由 于 一 场 中 有 320 多 个 行 ，设 置 了 一 个 行 计 数
器，每次行中断都将该计数器加一，当该计数器的值与预存 数组里的某个数相等时，表示该行应该采集。 我们一共采集 40 行信息。
第 4 步，一行采集完后将采集行计数器加 1，关闭 AD 转 换。 将得到的数据转存入灰度数组。
在清楚了模拟摄像头输出信号格式及如何对信号进行 采样的问题之后，下一步的问题是如何根据场、行同步信号 来 进 行 AD 转 换 ，即 是 如 何 “捕 捉 ”场 、行 同 步 信 号 来 作 为 采 样开始和结束的依据，这里有两种可行的方法。 1）直接通过 单片机 AD 进行提取 。 因 为 行同 步 脉 冲 、消 隐 脉 冲或 场 同 步 脉冲信号的电平低于这些脉冲以外摄像头信号的电在行中 断程序中采集视频信号，当即进行 AD 转换，并转存至图像数 组中，所以据此可 设 定一 个 信 号电 平 阈 值来 判 断 AD 采样 到 的信号是否为上述 3 类脉冲。 2）给单片机配以合适的外围芯 片，此芯片要能够提取出摄像头信号的行同步脉冲、消隐脉 冲和场同步脉冲以供单片机作控制之用。 1.3 LM1881
远更早的感知赛道的变化而速度相对较高，受到大多数参赛 直到扫描完该场的视频信号， 接着就会出现一段场消隐区。
队伍的青睐， 但是不可否认，CCD 摄像头传感器信号处理比 此区中有若干个复合消隐脉冲 （简称消隐脉 冲 ），在这 些 消 隐
较复杂，如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，并快速 脉冲中，有个脉冲，它远宽于（即持续时间长于）其他的消隐
去噪声处理，然后对信号进行滤波，提取黑线的中心位置，获取路径参数信息。 一帧图像处理结束，根据图像的前视距
离最近的黑线中心位置的偏移量和黑线斜率判断当前赛道信息，并结合预测算法，控制舵机的转向。 使得小车能够保
证稳定性的前提下，高速行驶。
关键词： 智能车； 摄像头； 图像采集
中图分类号： TP249
描完一行，视频信号端就输出一低于最低视频信号电压的电
平 （如 0.3 V），并保 持 一 段时 间 。 这 样 相 当 于 ，紧 接 着 每 行 图
收 稿 日 期 ：2012-05-25
稿 件 编 号 ：201205186
图 1 摄像头信号采集 Fig. 1 Signal of CCD
作者简介：刘 明（1990—），男，湖南常德人。 研究方向：导弹工程。
摘要： 摄像头作为视觉信息采集工具被广泛运用到各种智能系统中。 文中以全国大学生"飞思卡尔"杯智能车竞赛为
背景。 首先，通过选择 CCD 传感器进行路径识别，提取 CCD 的视频同步信号，控制单片机的 A/D 进行采集。 由于复合
视频信号中含有大量无效信息，采用外围芯片将视频信号分离，然后处理。 对采集回来的视频数据进行二值化分割，
第 5 步，下一场中断到，开始下一场的图像信息。 图像采集的流程如图 4 所示。
3 结束语
通过对图像采集的研究， 能够较易 通 过 LM1881 对 视 频 信号进行分离，除了得到图像信号，还包括行同步信号，行消 隐 信 号 ，场 同 步 信 号 ，场 消 隐 信 号 等 ，通 入 芯 片 的 PT 口 进 行 中断和 AD 口转换，从而完成对信号进行分割和量化，得到我 们想要的灰度值。 接下来只要对其进行二值化处理，就完成 了模数转化，得到了想要的图像。 参考文献： [1] 申 立 琴 ，马 彩 文 ，田 新 锋 ，等. 基 于 网 络 技 术 的CCD图 像 采
图 2 LM1881 模块 Fig. 2 Module of LM1881 LM1881 引脚 说 明 ：1－行 同 步 信 号 2－视 频 信 号 3－场 同 步信号 4－地 5－空 6－复位 7－奇偶场同步信号 8－VCC 由 LM1881 分离后可得到视频信号、行同步信号 、场同步 信号、奇偶场同步信号，其中视频信号进入 AD 转换模块转换 成数字信号，行同步信号、场同步信号进行 AD 开关控制。 经 LM1881 处理后的图像信息如图 3 所示。 上图 中 （a）为 原始 的 视 频信 号 ；（b）为 行同 步 信 号，（c）为 场同步信号，场同步信号控制对每一场信号进行采集，在一 场信号到来后，打开行中断，接受行同步信号，行中断中对像 素点进行采样；（d）为奇偶场信号，以便确定 该 场 信号 为 奇 场
处理不丢失数据是摄像头方案的难点之一。
脉 冲 ，该 消 隐 脉 冲 又 称 为 场 同 步 脉 冲 ，它 是 扫 描 换 场 的 标 志 [2-7]。
1 硬件及原理
场同步脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好跨 在上一场的结尾部分和下一场的开始部分，得等场消隐区过
1.1 摄像头的主要工作原理
去，下一场的视频信号才真正到来。
智能车模块中最关键的模块是路径识别模块和前瞻距离较小只能获取有限的点信息的光电传感器相比采用ccd摄像头作为寻线传感器的智能车因前瞻距离远能更远更早的感知赛道的变化而速度相对较高受到大多数参赛队伍的青睐但是不可否认ccd摄像头传感器信号处理比较复杂如何对摄像头记录的图像进行分割和识别并快速处理不丢失数据是摄像头方案的难点之一
图 3 处理后的图像信息 Fig. 3 Picture message after processing
或偶场。
2 软件实现部分
2.1 摄像头初始化
摄像头视频信号行场同步接入 S12 单 片 机的 T 口 中 断 ，
引脚分配如下：
PT0：行 同 步 信 号
PT1；场 同 步 信 号
其初始化中断代码如下：
考虑到单片机的速度有限，而一些脉冲的间隔时间又较 短 ，为 了 减 轻 其 处 理 负 担 ，采 用 了 第 二 种 方 法 进 行 信 号 提 取 。 为 此 ，选 择 LM1881 芯 片 作 为 视 频 同 步 信 号 分 离 芯 片 ，该 芯 片可输出场、行同步信号，可由此芯片的输出信号控制单片 机的 AD 转换开关。 LM1881 模块如图 2 所示。
第 20 卷 第 17 期 Vol.20 No.17
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2012 年 9 月 Sep. 2012
基于智能车中摄像头的图像采集的研究
刘 明 1， 王洪军 2， 李永科 2 （1. 军械工程学院 导弹工程系，河北 石家庄 050003； 2. 军械工程学院 光学与电子工程系， 河北 石家庄 050003）
智能车模块中最关键的模块是路径识别模块，和前瞻距 像对应的电压信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做
离较小、 只能获取有限的点信息的光电传感器相比， 采用 行同步脉冲，它是扫描换行的标志。 然后，跳过一行后（因为
CCD 摄 像 头[1]作 为 寻 线 传 感 器 的 智 能 车 因 前 瞻 距 离 远 ，能 更 摄 像 头 是 隔 行 扫 描 的 方 式 ），开 始 扫 描 新 的 一 行 ，如 此 下 去 ，
由 于 赛 道 黑 线 宽 为 25 mm， 若 采 集 的 黑 线 点 数 少 于 3
个，将无法对中线进行确定，而频率高有助于采集到更多的
点数。
ATD0CTL4=0x01；
ATDClock=[BusClock*0.5]/[PRS+1]=0.05 μs
Programmed Sample Time=4AD Clock
Abstract: CCD sensors to identify the path is chosed， distill synchronize signal of CCD video and control the A/D collection of singlechip. The binarization of collected video signal is the first step， then， remove yawp signal and distill center of black line. Tiller's swerve is controlled by the judgement of the path information according to the offset of the center of black line of the nearest for-view image and the slope of the black line ， combined with forecast algorithm.So that the smartcar can run with high speed under the premise of stabilization. Key words: smartcar； CCD； image collection
外 部 晶 振 ， 默 认 设 置 下 ， 锁 相 环 设 置 为 32 MHz， 总 线 时 钟
8 MHz，内核时钟为 16 MHz。 通过将 PLLSEL 置位，可选择总
线时钟从锁相环时钟获得，而锁相环时钟与外部晶振的关系
由 SYNR 和 REFDV 两寄存器决定。 通过设置，将总线频率超
频到 80 MHz。
AD 转 换 时 间 =Initial Sample Time + Programmed Sample
Time + Resolution Period
=2+4+10=16AD Clock=0.8 μs
行图像信号持续时间为 62 μs， 其中行同步信号 时 间 为
4.7 μs，则采集的有效点数为：
N=（62-4.7×2）/0.8=65
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刘 明， 等 基于智能车中摄像头的图像采集的研究
由于摄像头视频信号行的持续时间，以及其在每场信号 中的位置，行消隐脉冲的持续时间等重要参数将关系到图像 信 号 的 有 效 实 现 ，因 此 ，我 们 用 单 片 机 对 其 进 行 了 测 试 ，测 试 结果显示 ：摄像头扫描的每场中有 320 行 信 号 ，其 中 23 行 到 310 行 是 视 频 信 号 ，311 行 到 下 一 场 的 第 22 行 是 场 消 隐 信 号。 在视频信号区，每行信号持续的时间相同，约 62 微秒，每 行的行同步脉冲持续的时间也相同，约为 4.7 微秒。 而在场消 隐区，每行持续的时间会有变化。 场 消 隐 区的 第 320 行 的消 隐脉冲的持续时间远长于其他消隐脉冲，为场同步脉冲。 1.2 视频信号采集