【CCD圖像檢測】2:黑白圖像檢測的硬件設計 -开发者知识库

【CCD圖像檢測】2:黑白圖像檢測的硬件設計 -开发者知识库,第1张

CCD圖像檢測<>

作者:一點一滴的Beer   指導教師:Chen Zheng  單位:WHU

 

二、黑白圖像檢測的硬件設計 

2.1 電源提供。 

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6 CCD12V電源電壓源 

   因為小車的電池電壓為7.2V,而CCD攝像頭的工作電壓為12V,故需要利用芯片搭建升壓電路,如圖6所示。

2.2 視頻信號行場同步信號分離。 

 

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7:視頻信號行場同步信號分離電路 

    視頻信號每場是是不同的行組成,如圖5所示,場與場之間,行與行之間都存在同步信號,單片機通過對這些同步信號的捕捉,來控制圖像采集的時序,保證圖像采集的正確性。視頻信號分離芯片LM1881能將視頻信號中的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖提取出來,並將它們轉換成數字信號交給單片機的I/O 口。視頻信號分離電路如圖7所示。

2.3 行視頻信號數字化。 

    由於模擬攝像頭采集的圖像信號為模擬信號,而計算機系統為離散的數字系統,故需要轉換為數字信號才能交付MCU處理。大賽組委會所推薦的芯片XS系列片內集成了8路AD口,同時還具有豐富的IO接口資源,而且大賽中小車賽道色彩構成的簡單性,使得視頻信號數字化方案變得多樣化。小車以模擬CCD攝像頭為傳感器,模擬式的采集先將一路視頻信號引用圖2電路,通過其可以將攝像頭輸出的復合視頻信號進行分離,得到獨立的同步信號和視頻模擬量信號,然后通過逐行采樣來完成整幅圖像的采集。下面主要介紹三種對行信號的數字化的方法。

2.3.1片內AD模塊。 

    由於XS128本身就含有8路AD,故只需引入一路視頻信號至任意一個AD口,然后軟件上,先對AD口進行相應的初始化,再在行同步中斷函數中執行以下代碼即可完成數字化:

for(i=0;i<column;i )

{

while(ATD0STAT0_SCF!=1);//AD轉換等待

*g_video--=ATD0DR0L;//寄存器讀取

}

    此方法的優點在於,不需要進行額外的外圍電路設計,直接引入視頻信號,利用XS128的片內資源進行AD轉換即可得到圖片灰度數據。XS128在超頻到64M的情況下,能每行采集96個點,如果對圖片橫向精度要求不高,選擇此方法最為簡單。但如果CCD看得比較遠,由於圖像的幾何畸變,會造成遠方的黑線最后AD結果只有一個黑點,這樣在黑線提取時造成了較高的誤判率,此時此方法就不再適用。

  

2.3.2基於TLC55108位並行AD 

    為了每行信號得到更高的采樣精度,在XS128還有多余的IO口前提下,我們可以考慮用片外A/D法。TCL5510為一款8位並行高速AD轉換芯片,如果采用獨立時鍾其AD速度能達到20MSPS,然后將數字信號通過8位數據總線並行輸出,直接引入到XS128的一組IO口上,在軟件設計上只需對此IO口進行讀取即可獲得數字信號。相應AD轉換電路如圖8。

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8:片外AD轉換電路 

    芯片對端口進行讀取時,為了防止讀取到AD轉換的跳變沿,故需要進行時鍾同步,XS128含有8路PWM輸出,通過對一路PWM進行翻轉輸出一定頻率的脈沖,即可模擬一個同步時鍾信號至片外AD模塊,較方便地解決了時鍾同步問題。在實際情況下,XS128超頻到80M時每行能采集240個點,從而遠方黑線消失的現象能得到很好的解決。

    除了采樣精度高,更重要的是此方法保存的是灰度信息,能極大程度上防止了圖像信息丟失,但是外圍電路比較復雜,而且占用了較多的IO口資源(需要XS128額外提供一組8位的IO口進行數字信號讀取)。

    如果采集的點比較多,對RAM資源不豐富的XS128來說是個災難。

 

2.3.3基於電壓比較器的硬件二值。 

    以上兩種方法最后得到的都是圖像的灰度數據,能夠比較逼真地反應CCD所見情景。但是由於大賽中,賽道僅由黑白兩色組成(如圖9),所以即使是灰度數據,我們最后處理時也一般要在軟件上進行二值化將圖像分割成黑白二色圖片。所以,我們可以考慮直接用硬件進行圖像二值化,將視頻信號轉換為一組方波信號,然后直接輸入到一位I/O口中,對這一位的端口進行讀取,高電平表示1,低電平表示0。

2.3.3.1硬件二值電路 

    在軟件上對灰度圖片進行黑白分割時,有兩種方法:

    固定閾值法,即高於此閾值電壓,即認為是1,否則是0,然后再通過軟件進行黑線邊緣檢測。

   直接通過邊沿跳變法來檢測黑線邊緣,即兩個相鄰點之間灰度值相差一定時,表示到了黑線邊緣。

   以上兩種方法都能通過電壓比較器電路實現。分別如圖10和圖11。

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9:智能車賽道色彩構成 

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10:固定參考電壓二值電路 

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11:邊沿檢測的二值電路 

采用固定參考電壓的二值電路設計起來比較簡單,對參考閾值電壓調結也比較方便-只需調結一個電位器阻值即可(為系統增加一個LCD,可直接在調結電位器后采集到的圖像),故具有一定的場地適應性。但在實際使用過程中,我們發現采用固定參考電壓的二值電路在CCD視野比較遠時,仍然會出現圖像無法分割的現象,此時該方法不再適用,故可以考慮采用邊沿檢測的二值電路。邊沿檢測二值電路中,將原始視頻信號和滯后處理的視頻信號輸入到電壓比較器兩端,在視頻信號跳變邊沿會在兩路輸入產生幅度差(如圖12),然后當幅度相差到一定程度(由滯回電路控制)時,電壓比較器輸出端便發生電平翻轉,最后以方波形式輸出視頻信號(如圖13,注:第一個低電平區為行同步區,第二個為黑線區)。

 

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圖12.原始視頻信號(綠色)

和滯后處理的視頻信號(黃色)

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圖13.原始視頻信號(綠色)

和輸出方波信號(黃色)

 

 

 

2.3.3.2電路中元件參數的整定。 

    首先我們對一般的RC電路的時間常數進行了解,如下面所陳述:

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14:普通的RC電路 

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   電容兩端的輸出電壓和電源電壓的關系如下:

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    電壓上升幅度和上升時間(滯后時間)對應關系如下:

最佳答案:

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