摄像头资料

1 图像传感器工作原理 图像传感器即摄像头是组成机器视觉系统的非常重要的元器件。根据其原理不同分摄像头主要分为两种：CCD(Charge Coupled Device)摄像头，CMOS摄像头。CCD也称电耦合器件，其工作原理是：被摄物体反射光线到摄像头上，经过镜头聚焦到CCD感光芯片上，感光芯片根据光线的强弱积聚相应电荷，经周期性放电而产生表示图像的电信号。CMOS摄像头其实跟CCD差不多，也是将光转换成电信号的器件。它们的差异之处就是图像的扫描方式不同，CCD是采用连续扫描方式，即它只有等到最后一个像素扫描完成后才进行放大；CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷放大为电信号的转换器。所以CMOS的功耗比CCD要小。由于CMOS功耗小，较CCD要便宜，而且图像质量满足要求。 2 摄像头采样机制 摄像头主要由镜头，图像传感芯片和外围电路构成。图像传感芯片又是其 最重要的部分，摄像头的指标（如黑白或彩色，分辨率）就取决于图像传感芯 片的指标；该芯片要配以合适的外围电路才能工作，将它们制作在一块电路板 上，称为“单板”。若给单板配上镜头、外壳、引线和接头，这就构成了通常所 见的摄像头。 摄像头通常引出三个端子，一个为电源端，一个为地端，另一个就为视频 信号端（有的摄像头多出一个端子，那是音频信号端）。电源接多大要视具体的 单板而定，目前而言，一般有两种规格，6-9V，或9-12V。视频信号的电压一 般不位于0.5V-2V 之间。 摄像头的主要工作原理是：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，然后将此电压值通过视频信号端输出。具体而 言（参见图），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0.3V），并保持 一段时间。这样相当于，紧接着每行图像对应的电压信号之后会有一个电压“凹 槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。然后，跳过一行后（因 为摄像头是隔行扫描的方式），开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场 的视频信号，接着就会出现一段场消隐区。此区中有若干个复合消隐脉冲（简 称消隐脉冲），在这些消隐脉冲中，有个脉冲，它远宽于（即持续时间长于）其 他的消隐脉冲，该消隐脉冲又称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。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，得等场消隐区过去，下一场的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的奇数行，偶场时则只扫描偶数行。 3.视频采集系统软件设计 3.1中断采样系统软件概述 为了提高本系统的实时性，视频采集采用外部中断触发的方式采样图像数据。 图2：采样系统的程序图 Fig2: The flow chart of sampling system 3.2双数组交替存储算法设计 视频采样和处理并行执行算法其实就是利用采样行之间的3行视频信号的时间来进行图像处理和其它控制。这样就遇到一个问题:当这一行图像处理没有完成时下一行数据来了刷新了数组，导致处理与采样的混乱。为了解决这个问题本文采样双数组交替存储算法：即定义两个数组，分别为init_data1和init_data2，并分别为这两个数组定义图像已准备标志变量和数组锁定标志变量，这样我们根据这两个标志变量就可以进行有效的数组管理。数组管理程序流程图如图3所示： 图3：数组管理程序流程图 Fig3: the flow chart of array management procedures 数组管理程序使得数组1和数组2交替进行存储和处理工作。使得CPU利用率得到最大化，控制周期也缩短了。同时，在宏观上来看该视频采集系统的图像采集与处理是并行执行的，这种思想是来自操作系统的进程管理原理。在微观上，数组管理程序的运行原理是这样的：在采集过程中，当数组没有被锁定时，采样得到的图像数据就存储到该数组里，若采集完成那么就给变量DataReady赋值为1，即表示图像已经准备好；在处理过程中，当数组的DataReady标志为1，即表示该数组图像已经准备好，则先锁定该数组，然后处理该数组内的数据。如此就实现了所谓的采集与处理的并行执行 3.3场中断服务程序算法设计 场同步信号是场开始的标志，要实现图像采集必须要在场中断服务程序里进行相关变量的初始化。比如：场中断计数器清零，实际采样行计数器清零，行中断允许设置等。场中断服务程序流程图如图4所示： 图4：场中断服务程序流程图 Figure 4: the Flow chart of interrupt service of field 3.4行中断服务程序设计 行中断服务程序是本采集系统软件的重点，因为在这个服务程序中要完成对一行图像的采集工作，该算法执行的效率和时间将直接影响整个系统的效率。行同步信号接入PJ7口，通过对J口的中断设置使其响应同步信号的上升沿，即上升沿后将会出现有效的图像数据，然后开始采样。 但是通过把信号接入到示波器观察后得到，行同步信号后还有几个周期的非有效信号，故检测到上升沿后必须进行延时操作，这样开始采样的点就刚好落到了有效信号的开始点上。本系统是采用隔行采样的方式，每隔3行才采样1行，所以当采样完一行后才能对实际采样行计数器加一。行中断服务程序流程图如图5所示： 图5：行中断服务程序流程图 Figure 5: the flowchart of line interrupts service _1310168001.vsd � � � 场中断服务函数入口� 行中断读数器清零，实际采样行计数器清零� 判断哪个数组未被锁定� 数组1 数组2 TempData=1,即表示此时数组1空闲� TempData=2,即表示此时数组2空闲� 行中断允许 出口 _1331707780.vsd � � � 中断入口� 行中断？ 场中断？� 行中断服务函数� 清除行中断标志 场中断服务函数� 清除场中断标志 出口 场中断 行中断 _1310169945.vsd � � � 行中断服务函数入口� 行中断计数器大于4？� 否 该行是否为采样行? 是 否 延时，消除每行开始时的非有效数据� 哪个数组空闲？ 数组2 数组1 存储指针pi指向数组1，指针运算使pi指向该行 存储指针pi指向数组2，指针运算使pi指向该行 采样该行图像，存储到pi所指的行 清除转换完成标志；实际采样计数器加1 行中断计数器=480？ 否 是 行中断禁止 2 TempData=? 1 数组1准备完毕 数组2准备完毕 行中断计数器加1 出口 是 _1310166580.vsd � � � 数组管理入口� 哪个数组 准备好？� 其它 数组2 数组1 图像未准备好� 处理数组1中的数据 处理数组2中的数据 使数组1处于已锁定状态 使数组2处于已锁定状态 出口