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(shí)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(duì)較高，受到大多數(shù)參賽隊(duì)伍的青睞，但是不可否認(rèn)，CCD攝像頭傳感器信號(hào)處理比較復(fù)雜，如何對(duì)攝像頭記錄的圖像進(jìn)行分割和識(shí)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(shí)，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(duì)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(hào)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(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一低于最低視頻信號(hào)電壓的電平（如0．3 V），并保持一段時(shí)間。這樣相當(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”，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?yàn)閿z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(chǎng)的視頻信號(hào)，接著就會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱區(qū)。此區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖（簡(jiǎn)稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有個(gè)脈沖，它遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于）其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場(chǎng)同步脈沖，它是掃描換場(chǎng)的標(biāo)志[2-7]。場(chǎng)同步脈沖標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來，不過，場(chǎng)消隱區(qū)恰好跨在上一場(chǎng)的結(jié)尾部分和下一場(chǎng)的開始部分，得等場(chǎng)消隱區(qū)過去，下一場(chǎng)的視頻信號(hào)才真正到來。

圖1 攝像頭信號(hào)采集Fig．1 Signal of CCD

由于攝像頭視頻信號(hào)行的持續(xù)時(shí)間，以及其在每場(chǎng)信號(hào)中的位置，行消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間等重要參數(shù)將關(guān)系到圖像信號(hào)的有效實(shí)現(xiàn)，因此，我們用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：攝像頭掃描的每場(chǎng)中有320行信號(hào)，其中23行到310行是視頻信號(hào)，311行到下一場(chǎng)的第22行是場(chǎng)消隱信號(hào)。在視頻信號(hào)區(qū)，每行信號(hào)持續(xù)的時(shí)間相同，約62微秒，每行的行同步脈沖持續(xù)的時(shí)間也相同，約為4．7微秒。而在場(chǎng)消隱區(qū)，每行持續(xù)的時(shí)間會(huì)有變化。場(chǎng)消隱區(qū)的第320行的消隱脈沖的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于其他消隱脈沖，為場(chǎng)同步脈沖。

1.2 視頻信號(hào)采集

在清楚了模擬攝像頭輸出信號(hào)格式及如何對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣的問題之后，下一步的問題是如何根據(jù)場(chǎng)、行同步信號(hào)來進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，即是如何“捕捉”場(chǎng)、行同步信號(hào)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?yàn)樾型矫}沖、消隱脈沖或場(chǎng)同步脈沖信號(hào)的電平低于這些脈沖以外攝像頭信號(hào)的電在行中斷程序中采集視頻信號(hào)，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(gè)信號(hào)電平閾值來判斷AD采樣到的信號(hào)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(hào)的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)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(shí)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(hào)提取。為此，選擇LM1881芯片作為視頻同步信號(hào)分離芯片，該芯片可輸出場(chǎng)、行同步信號(hào)，可由此芯片的輸出信號(hào)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(hào) 2-視頻信號(hào) 3-場(chǎng)同步信號(hào) 4-地 5-空 6-復(fù)位 7-奇偶場(chǎng)同步信號(hào)8-VCC

由LM1881分離后可得到視頻信號(hào)、行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、奇偶場(chǎng)同步信號(hào)，其中視頻信號(hào)進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)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(hào)；（b）為行同步信號(hào)，（c）為場(chǎng)同步信號(hào)，場(chǎng)同步信號(hào)控制對(duì)每一場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集，在一場(chǎng)信號(hào)到來后，打開行中斷，接受行同步信號(hào)，行中斷中對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行采樣；（d）為奇偶場(chǎng)信號(hào)，以便確定該場(chǎng)信號(hào)為奇場(chǎng)或偶場(chǎng)。

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

2 軟件實(shí)現(xiàn)部分

2.1 攝像頭初始化

攝像頭視頻信號(hào)行場(chǎng)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(hào)

PT1；場(chǎng)同步信號(hào)

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(gè)不同的時(shí)鐘，即外部晶振時(shí)鐘，鎖相環(huán)時(shí)鐘，總線時(shí)鐘和內(nèi)核時(shí)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(shí)鐘8 MHz，內(nèi)核時(shí)鐘為16MHz。通過將PLLSEL置位，可選擇總線時(shí)鐘從鎖相環(huán)時(shí)鐘獲得，而鎖相環(huán)時(shí)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(gè)，將無法對(duì)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(shí)間=Initial Sample Time+Programmed Sample Time+Resolution Period

=2+4+10=16AD Clock=0．8 μs

行圖像信號(hào)持續(xù)時(shí)間為62μs，其中行同步信號(hào)時(shí)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(gè)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(chǎng)的流程是這樣的：

第1步，LM1881分離出的場(chǎng)同步信號(hào)在T0口產(chǎn)生中斷。

第2步，LM1881分離出的行同步信號(hào)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(chǎng)中有320多個(gè)行，設(shè)置了一個(gè)行計(jì)數(shù)器，每次行中斷都將該計(jì)數(shù)器加一，當(dāng)該計(jì)數(shù)器的值與預(yù)存數(shù)組里的某個(gè)數(shù)相等時(shí)，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(jì)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(chǎng)中斷到，開始下一場(chǎng)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(duì)圖像采集的研究，能夠較易通過LM1881對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行分離，除了得到圖像信號(hào)，還包括行同步信號(hào)，行消隱信號(hào)，場(chǎng)同步信號(hào)，場(chǎng)消隱信號(hào)等，通入芯片的PT口進(jìn)行中斷和AD口轉(zhuǎn)換，從而完成對(duì)信號(hào)進(jìn)行分割和量化，得到我們想要的灰度值。接下來只要對(duì)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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