基于攝像頭的路徑信息采集系統(tǒng)的簡易設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：?本文基于freescale 16位HCS12單片機的輸入捕捉功能設(shè)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(guān)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(shè)計比較麻煩，而且測量的精度和響應(yīng)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(jié)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(yīng)用，實踐表明該方法不僅使系統(tǒng)具有良好的性能，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(nèi)部電路的改造，可以在５V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64μs，除去行同步頭，其中有效的圖像信號約為59.3μs。所以，若選用S12的A/D轉(zhuǎn)換器采集，轉(zhuǎn)換耗時壓力大，圖像分辨率低。

系統(tǒng)設(shè)計思想

設(shè)計是于白色跑道和黑色導引線對光反射能力不同的設(shè)計思路，同時又結(jié)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(guān)，通過分析攝像頭輸出信號的特點，利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(nèi)設(shè)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(yīng)階段內(nèi)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４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，為了濾除雜波，匹配阻抗，C4選取0.1μF，C2取510pF，R2取620Ω。１腳輸出行同步信號，３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(guān)，通過對撥碼開關(guān)的設(shè)置，可對行同步2、4、8、16分頻，選擇采集不同的行。本文在調(diào)試過程中設(shè)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(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值來改變閾值電壓。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(guān)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(guān)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(guān)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，設(shè)分配系數(shù)為a，其中

a=2-n，(n=0,1,2…7)??????????? (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0.5μs，對應(yīng)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(shè)置成任意沿捕捉，這樣可以簡化硬件電路的設(shè)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(yīng)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。由于黑色導引線的寬度是一定的，每行有效圖像掃描時間都約為59.3μs，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(shè)置成上升沿觸發(fā)。在場中斷期間，先調(diào)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(yīng)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(shè)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(zhì)，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(jié)語

若采用片內(nèi)A/D采集，在最高時鐘頻率2MHZ的情況下，進行一次10位精度A/D轉(zhuǎn)換的時間為7μs。這樣，采集的圖像每行只有8個像素，圖像分辨率過低。如果采用超頻的手段來補償，又會降低系統(tǒng)的可靠性。而本文采集的圖像數(shù)據(jù)分辨率為128×64,每行有128個像素，并且分辨率留有進一步提高的余留量，軟件的編寫也比較簡單。但是該方法目前還不能區(qū)分圖像的灰度，是以后需要改進之處。

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