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图像采集与处理在智能车系统中的应用分析
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2017-12-07
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智能小车系统主要由路径识别、速度采集、转向控制及车速控制等功能模块组成。路径识别功能采用CMOS摄像头，将其模拟量的视频信号进行视频解码后，经过二值化处理并转化为18×90pix的图像数据后送入MCU进行处理;转向控制采用基于模糊控制算法进行调节;而车速控制采用的是经典PID算法，通过对赛道不同形状的判断结果，设定不同的给定速度。该系统以50Hz的频率通过不断地采集实时路况信息和速度，实现对整个系统的闭环控制，如图1所示。
智能小车的图像采集与存储
图像采集模块设计
CMOS摄像头正常供电后，便可输出原始图像的信号波形，它是PAL制式的模拟信号，包含行同步、行消隐、场同步、场消隐等信号如图2所示。但该形式的信号并不能被CPU直接使用，需要加入视频解码芯片如SAA7111，它的功能是将摄像头输出的模拟信号转化为数字信号，同时产生各种同步信号，CPU利用此同步信号将图像的数字信号存储在一个外部FIFO芯片AL422中，这便构成了基本的路径检测模块，如图3所示。
图像数据存储
SAA7111是飞利浦公司一款增强型视频输入处理器芯片，常应用在嵌入式视频应用的高度集成的电路中。工作时，模拟视频图像从SAA7111的4个输入端口中的一个端口输入，经模拟处理后，一路通过缓冲器从模拟输出端输出用于监视，另一路经A/D后产生数字色度信号、亮度信号，分别进行亮度信号处理、色度信号处理。亮度信号处理的结果，一路送到色度信号处理器进行综合处理，产生Y、U、V信号，经格式化后从VPO输出，输出的信号格式有422YUV或CCIR-656（8位）等;另一路进入同步分离器，经数字PLL，产生相应的行、场同步信号HS、VS及像素时钟信号LLC和LLC2等信号，这些信号是实现视频数据采集的依据。SAA7111输出的每帧图像大小可设为720×286，其数据量相对于单片机的处理速度来说是比较大的，较为理想的图像大小是18×45，压缩后的数据量仅为原始图像的0.394%。为了使图像的数据得到有效压缩，可以采用将图像的数字信号存入FIFO中，经过一定的分频处理后便能压缩图像大小，系统所采用的FIFO芯片是AL422B。
为了实现图像数字信号的分频处理，可以分为两种实现方式，其一是软件分频，另一种是硬件分频。对于软件分频来说，系统不需要额外的分频电路，而是单片机利用解码芯片SAA7111输出的控制信号，对读时钟进行分频后再执行实际的读操作，这种方式的缺点是分频工作需要占用单片机资源，影响系统的实时性等性能;对于硬件分频来说，需要加入专门的分频处理电路，在不需要单片机控制的条件下实现图像的压缩，从而在根本上减少了单片机处理的数据量并缩短读取图像的时间。因此该系统采用了硬件分频的方式，具体信号的分频模式如图4所示，CREF代表像素时钟，分频后得到的是AL422B的写时钟WCK，HREF代表行参考信号，分频后得到的信号作为AL422B的写允许信号。
智能小车的图像采集与存储
图像采集模块设计
CMOS摄像头正常供电后，便可输出原始图像的信号波形，它是PAL制式的模拟信号，包含行同步、行消隐、场同步、场消隐等信号如图2所示。但该形式的信号并不能被CPU直接使用，需要加入视频解码芯片如SAA7111，它的功能是将摄像头输出的模拟信号转化为数字信号，同时产生各种同步信号，CPU利用此同步信号将图像的数字信号存储在一个外部FIFO芯片AL422中，这便构成了基本的路径检测模块，如图3所示。
图像数据存储
SAA7111是飞利浦公司一款增强型视频输入处理器芯片，常应用在嵌入式视频应用的高度集成的电路中。工作时，模拟视频图像从SAA7111的4个输入端口中的一个端口输入，经模拟处理后，一路通过缓冲器从模拟输出端输出用于监视，另一路经A/D后产生数字色度信号、亮度信号，分别进行亮度信号处理、色度信号处理。亮度信号处理的结果，一路送到色度信号处理器进行综合处理，产生Y、U、V信号，经格式化后从VPO输出，输出的信号格式有422YUV或CCIR-656（8位）等;另一路进入同步分离器，经数字PLL，产生相应的行、场同步信号HS、VS及像素时钟信号LLC和LLC2等信号，这些信号是实现视频数据采集的依据。SAA7111输出的每帧图像大小可设为720×286，其数据量相对于单片机的处理速度来说是比较大的，较为理想的图像大小是18×45，压缩后的数据量仅为原始图像的0.394%。为了使图像的数据得到有效压缩，可以采用将图像的数字信号存入FIFO中，经过一定的分频处理后便能压缩图像大小，系统所采用的FIFO芯片是AL422B。
为了实现图像数字信号的分频处理，可以分为两种实现方式，其一是软件分频，另一种是硬件分频。对于软件分频来说，系统不需要额外的分频电路，而是单片机利用解码芯片SAA7111输出的控制信号，对读时钟进行分频后再执行实际的读操作，这种方式的缺点是分频工作需要占用单片机资源，影响系统的实时性等性能;对于硬件分频来说，需要加入专门的分频处理电路，在不需要单片机控制的条件下实现图像的压缩，从而在根本上减少了单片机处理的数据量并缩短读取图像的时间。因此该系统采用了硬件分频的方式，具体信号的分频模式如图4所示，CREF代表像素时钟，分频后得到的是AL422B的写时钟WCK，HREF代表行参考信号，分频后得到的信号作为AL422B的写允许信号。
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