智能车比赛中关于单片机图像采集方法的分析和展望

ID:105323 · 发表于 2016-2-22 23:22

回顾

　　智能车比赛至今已近开展了将近4年，取得了不小的成绩，期间关于摄像头图像采集的方法各式各样，百花齐放，我今天就来做个小小的总结吧：）
　　在第一届比赛中，摄像头还是个稀奇的东西，当时比赛清一色光电管，很少有见到采用视频的。
清华的卓晴老师写了一篇《基于面阵CCD的赛道参数检测方法》应该是这方面的启蒙之作。在这一届比赛中，上交的《速度之星》给大家留下了深刻的印象，也使第二届比赛决赛阶段产生了摄像头方案一统江山的局面。

　　在第二届比赛中，大量的采用摄像头小车出现，因为那上交的那份极其详细全面的技术报告，绝大多数队伍都使用了模拟摄像头+LM1881==>MCU A/D的方案，超频成为了那个时侯的流行。
　　在第二届的决赛阶段，个人了解有两个学校提出了不同的技术方案，其一是华南理工的模拟摄像头+SAA7113视频解码+AL422B视频FIFO方案。另一种，就是九九（就是我）采用的OV7620数字摄像头+FIFO方案。这两个车在第二届比赛中都取得了较好的成绩，经受了实战的考验。
　　第三届比赛，进行了摄像头和光电管分组，在这一届比赛中，OV系列CMOS数字摄像头被大量的使用，但FIFO似乎用的不多，一般都是直接将 CMOS的Y口进单片机，连续采样，MCU速度越快，图像分辨率越高。其中，又出现了一个另类的技术方案，也在这里提一下，就是“某学校”的一MM，采用价格不菲的条码扫描振镜，进行赛道检测。在试车时，我在现场非常激动，以为我一直推崇的多摄像头方案终于有人做了！后来才明白，原来是这个高科技！利用激光和振镜扫描的原理，使这个小车在赛道分辨率和前瞻距离上，都远超光电管，接近摄像头；而利用规则的漏洞，他们属于光电管组~很不错！
　　在第三届比赛中，还有一个亮点，就是上海大学的发烧友玩家做的“白骑士”，其终于提出CCD摄像头，“在运动条件下拍摄的图像画质明显高于CMOS摄像头”这一观点，并用实际表现证明了这一点。
　　根据多年制作和指导小车比赛的经验，也确实能够证明CCD在同样光线条件下，更佳的感光度，更少的图像噪声。目前智能车速度已经接近5m/s，在这个速度条件下，图像的清晰度已经是制约赛车进行　　赛道识别的最大问题，大量的模糊图像很容易使图像算法得到错误的结果。
　　所以，在今年第四届比赛中，我预计将有大量队伍专用CCD摄像头，以满足小车在高速运动时图像模糊的致命弱点。

分析

下面，我简单分析下目前各视频采集方案的优劣：
1. 模拟摄像头（CCD和模拟CMOS）+ LM1881 ==》 MCU A/D
这个方案应该说是最经典的方案，
优点：成本低（LM1881只要10元，摄像头我这只要45元）；方案实现简单（只需根据几个同步信号，开启AD连续采集即可）；
缺点：需要A/D速度支持，以获得高分辨率。A/D速度与MCU总线时钟有关，所以需要超频，但MCU稳定性必须牺牲。
改进：为提高图像采集的分辨率，有的队伍引入高速片外AD，效果也很不错，如上海大学白骑士，AD采用5510这类已足够，价格15元左右

2. 模拟摄像头（CCD和模拟CMOS） + SAA7113视频解码 + AL422B ==》 MCU IO
这个方案个人所知只有第二届华南理工用过
优点：经典的图像采集方案，为各视频采集卡和其他产品所应用，能完整采集整幅图像。
            摄像头兼容性好，可以随时更换更好的摄像头，获得更清晰图像，而采集部分软硬件不需要做太大改变
缺点：方案复杂，涉及大量逻辑操作，一般用CPLD或FPGA配合。在智能车比赛中，规定不能使用可编程器件，使用74做逻辑功能，控制几个芯片较为复杂，体积、可靠性都很难保证，制作难度较大。
            涉及IIC操作，增加调试时间难度。

3. 数字摄像头（CMOS数字：OV7620等） ==》 MCU IO
这个方案是网友们提出的，其监视数字摄像头的VSYN和HREF信号，每行开始时，连续读取MCU与CMOS连接的数据口Y口。
优点：数字摄像头方案，采集简单，无需A/D
缺点：与模拟摄像头+AD类似，采集分辨率与MCU频率相关。数字摄像头信号输出频率可高达13.5MHz，没有DMA功能MCU从IO读信号再写入内存，速度跟不上，同样需要牺牲稳定性进行超频使用。
            因为没有引入PCLK视频同步信号，直接采集CMOS数据口，有可能会采集到不稳定的数据（即CMOS数据口状态正在改变时）这一点可能造成严重的干扰
            CMOS模块性价比极低，CMOS芯片只需20-30元，售价200元
4. 数字摄像头（CMOS数字：OV7620等）+ FIFO ==》 MCU IO
具体实现方案请看：http://blog.ednchina.com/jjldc/226336/message.aspx
优点：这个方案克服了方案3中MCU速度与CMOS不匹配的问题，采用FIFO作为缓冲，可以采集完整图像。图像采集分辨率与FIFO容量有关。
缺点：FIFO价格较高，特别是大容量。
            若使用视频FIFO，性价比较高，但同样有方案2中大量逻辑器件的问题。
            CMOS模块性价比极低，CMOS芯片只需20-30元，售价200元
5. 待补充

展望
在第四届小车比赛中，期待有更多精彩独特的方案登场。
本人预测，将有如下几个趋势，希望引起大家注意：

大量高速车采用CCD摄像头

摄像头增加舵机能控制转向（包括左右转向和上下转向）

很可能出现多摄像头方案

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