[摘 要] 本文詳細(xì)介紹了一種基于CCD傳感器的二值化圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并著重介紹了該系統(tǒng)在比賽中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞] CCD AVR單片機(jī) 圖像采集處理 二值化 視頻信號(hào)

一、引言

CCD是 charge coupled device 的簡(jiǎn)寫，即電荷耦合器件，是利用微電子技術(shù)的金屬-氧化物- 半導(dǎo)體工藝發(fā)展而成的一種半導(dǎo)體功能器件，主要用于信號(hào)處理和攝像。

CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器由于其高精度、高分辨率、性能穩(wěn)定、功耗低以及具有自掃描功能等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域，成為現(xiàn)代光電子學(xué)和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)中最活躍的新興領(lǐng)域之一。本文將主要介紹通過(guò)AVR單片機(jī)采集CCD圖像二值化數(shù)據(jù)的方法，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理來(lái)讓移動(dòng)智能體沿規(guī)劃路徑游走，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳到PC上，進(jìn)行一定的二進(jìn)制圖象顯示。

二、CCD信號(hào)分離電路

1.CCD的原理

CCD電荷耦合器件的主體是緊密排列的金屬氧化物半導(dǎo)體電容器構(gòu)成的金屬氧化物陣列，通常用單晶硅作襯底制成硅電荷耦合器件。硅電荷耦合器件主要用于可見(jiàn)光成像，特殊品種的可用于紅外成象和紫外光成像。CCD 的組成主要是由一類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及位于最底下的電子線路矩陣所組成。每一個(gè)CCD元件由上百萬(wàn)個(gè) MOS電容所構(gòu)成。來(lái)自影像的光線穿過(guò)這些馬賽克色塊會(huì)讓感光點(diǎn)的二氧化矽材料釋放出電子〈負(fù)電〉和電洞〈正電〉。經(jīng)由外部加入時(shí)鐘電壓（晶震），這些電子和電洞會(huì)被轉(zhuǎn)移到不同極性的另一個(gè)矽層暫存起來(lái)。電子數(shù)的多少和曝光過(guò)程光點(diǎn)所接收的光量成正比。在一個(gè)影像最明亮的部位，可能有超過(guò)10萬(wàn)個(gè)電子被積存起來(lái)。

2.CCD信號(hào)分離電路

本文介紹的移動(dòng)智能體主要是針對(duì)特定比賽而設(shè)計(jì)的一款移動(dòng)智能體。根據(jù)比賽規(guī)則，移動(dòng)智能體能夠?qū)诎變煞N顏色進(jìn)行分辨，并在規(guī)劃好的路徑移動(dòng)。首先對(duì)CCD采集的圖像，將場(chǎng)同步信號(hào)與行同步信號(hào)分離，得到圖像信號(hào)，再進(jìn)行二值化處理。選用工作于2V —36V電壓范圍內(nèi)，輸出標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平的兩路比較電路LM393做比較器。通過(guò)兩塊LM393比較器將視頻信號(hào)的場(chǎng)、行信號(hào)分離出來(lái)（電路如圖1所示）。視頻信號(hào)經(jīng)1K電阻送入比較器A中，得到復(fù)合同步信號(hào)，再經(jīng)過(guò)積分電路將其整理，送入比較電路B中，取出信號(hào)高脈沖部分進(jìn)行比較，得到場(chǎng)同步信號(hào)。同時(shí)，A輸出的信號(hào)送入 C中，經(jīng)過(guò)比較判斷后得到行信號(hào)。整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單可靠，信號(hào)穩(wěn)定，在積分電路電阻為500Ω的場(chǎng)信號(hào)可調(diào)范圍為10us～40us，場(chǎng)同步頭時(shí)間為25us，不會(huì)因?yàn)槎秳?dòng)而造成場(chǎng)信號(hào)的錯(cuò)誤。 行同步時(shí)間為4us，效果較好。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.采集控制電路設(shè)計(jì)

采用AVR8515/8535單片機(jī)來(lái)采集信號(hào)數(shù)據(jù)。將CCD驅(qū)動(dòng)電路分離的場(chǎng)、行信號(hào)分別與AVR8515/8535單片機(jī)的INT0、INT1引腳相連，將得到的“采樣電視信號(hào)”與單片機(jī)的模擬比較器ACSR的AIN0引腳相連，同時(shí)AIN1引腳與一微調(diào)電位器相連。

移動(dòng)智能體的行走機(jī)構(gòu)由二輪驅(qū)動(dòng)小車組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面，可以采用的方式有兩種：PWM調(diào)速方式和調(diào)壓調(diào)速驅(qū)動(dòng)方式。這里采用調(diào)壓調(diào)速方式，控制信號(hào)通過(guò)單片機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換，接驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，用一個(gè)阻值為20K和10K的規(guī)則電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換器。為控制兩路電機(jī)，將單片機(jī)的C口分為兩路四位二進(jìn)制輸入電阻網(wǎng)絡(luò)，單模擬量輸出的方式進(jìn)行。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(1)采樣軟件設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)的視頻行信號(hào)周期為64us，但其中的83﹪才為有效時(shí)間，即約50us有效行信號(hào)，AVR8515/8535單片機(jī)中每一條單周期指令的時(shí)間為0.125us，在程序中采一個(gè)點(diǎn)需要5個(gè)指令周期，那么采樣點(diǎn)數(shù)為：

50us ÷ (0.125us×5) = 80個(gè)點(diǎn)

同時(shí)，在響應(yīng)場(chǎng)、行同步信號(hào)后，為跳過(guò)其消隱信號(hào)，程序中使用了在視頻信號(hào)來(lái)的第5us開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，例如，采集到白色，將數(shù)據(jù)處理成1，采集到黑色，將數(shù)據(jù)處理成0。為存儲(chǔ)方便，一個(gè)字節(jié)可以表示8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。因此，每一行能夠采集的數(shù)據(jù)量最大為64個(gè)點(diǎn)（數(shù)據(jù)）。本文使用的SS2000B型黑白攝像頭，其標(biāo)稱分辨率為350線，其中有300線為有效行。因此，利用黑白攝像頭，通過(guò)AVR8515/8535單片機(jī)來(lái)采集數(shù)據(jù)能夠采集的最大點(diǎn)數(shù)為300×64的數(shù)據(jù)。

(2)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

移動(dòng)智能體尋線的控制，可以采用PWM方式調(diào)速和用D/A轉(zhuǎn)換通過(guò)調(diào)節(jié)電壓調(diào)速，來(lái)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)智能體的行走機(jī)構(gòu)。由于攝像頭每掃描一次的時(shí)間為20ms，采用PWM方式時(shí)，需要對(duì)產(chǎn)生的PWM信號(hào)進(jìn)行一段時(shí)間規(guī)劃，這樣就影響了系統(tǒng)處理的速度，可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。在采用調(diào)壓調(diào)速方式時(shí)，只需要將速度的四位二進(jìn)制信號(hào)送進(jìn)D/A電阻網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后，便可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，所以調(diào)壓方式的處理時(shí)間就近似為一場(chǎng)數(shù)據(jù)的掃描時(shí)間20ms，能夠滿足較高速度的要求。

四、結(jié)論

視覺(jué)的最大優(yōu)點(diǎn)是與被觀測(cè)的對(duì)象無(wú)接觸，因此對(duì)觀測(cè)與被觀測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，十分安全可靠，這是其他感覺(jué)方式無(wú)法比擬的。另外，視覺(jué)方式所能檢測(cè)的對(duì)象十分廣泛，可以說(shuō)是對(duì)對(duì)象不加選擇的。本文論述利用CCD的二值化技術(shù)來(lái)進(jìn)行圖像（如比賽場(chǎng)地）的識(shí)別，可以說(shuō)是在圖像處理領(lǐng)域內(nèi)做了一些嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1]王慶有:《CCD應(yīng)用技術(shù)》.天津:天津大學(xué)出版社，2000年版

[2]裴昌幸劉乃安:《電視原理與現(xiàn)代電視系統(tǒng)》.陜西:西安電子科技大學(xué)出版社，1997年版

[3]耿德根宋建國(guó)馬潮葉勇建:《AVR高速嵌入式單片機(jī)原理與應(yīng)用》.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001年版