智能車比賽中關于單片機圖像采集方法的分析和展望

ID:105323 · 發表于 2016-2-22 23:22

回顧

　　智能車比賽至今已近開展了將近4年，取得了不小的成績，期間關于攝像頭圖像采集的方法各式各樣，百花齊放，我今天就來做個小小的總結吧：）
　　在第一屆比賽中，攝像頭還是個稀奇的東西，當時比賽清一色光電管，很少有見到采用視頻的。
清華的卓晴老師寫了一篇《基于面陣CCD的賽道參數檢測方法》應該是這方面的啟蒙之作。在這一屆比賽中，上交的《速度之星》給大家留下了深刻的印象，也使第二屆比賽決賽階段產生了攝像頭方案一統江山的局面。

　　在第二屆比賽中，大量的采用攝像頭小車出現，因為那上交的那份極其詳細全面的技術報告，絕大多數隊伍都使用了模擬攝像頭+LM1881==>MCU A/D的方案，超頻成為了那個時侯的流行。
　　在第二屆的決賽階段，個人了解有兩個學校提出了不同的技術方案，其一是華南理工的模擬攝像頭+SAA7113視頻解碼+AL422B視頻FIFO方案。另一種，就是九九（就是我）采用的OV7620數字攝像頭+FIFO方案。這兩個車在第二屆比賽中都取得了較好的成績，經受了實戰的考驗。
　　第三屆比賽，進行了攝像頭和光電管分組，在這一屆比賽中，OV系列CMOS數字攝像頭被大量的使用，但FIFO似乎用的不多，一般都是直接將 CMOS的Y口進單片機，連續采樣，MCU速度越快，圖像分辨率越高。其中，又出現了一個另類的技術方案，也在這里提一下，就是“某學校”的一MM，采用價格不菲的條碼掃描振鏡，進行賽道檢測。在試車時，我在現場非常激動，以為我一直推崇的多攝像頭方案終于有人做了！后來才明白，原來是這個高科技！利用激光和振鏡掃描的原理，使這個小車在賽道分辨率和前瞻距離上，都遠超光電管，接近攝像頭；而利用規則的漏洞，他們屬于光電管組~很不錯！
　　在第三屆比賽中，還有一個亮點，就是上海大學的發燒友玩家做的“白騎士”，其終于提出CCD攝像頭，“在運動條件下拍攝的圖像畫質明顯高于CMOS攝像頭”這一觀點，并用實際表現證明了這一點。
　　根據多年制作和指導小車比賽的經驗，也確實能夠證明CCD在同樣光線條件下，更佳的感光度，更少的圖像噪聲。目前智能車速度已經接近5m/s，在這個速度條件下，圖像的清晰度已經是制約賽車進行　　賽道識別的最大問題，大量的模糊圖像很容易使圖像算法得到錯誤的結果。
　　所以，在今年第四屆比賽中，我預計將有大量隊伍專用CCD攝像頭，以滿足小車在高速運動時圖像模糊的致命弱點。

分析

下面，我簡單分析下目前各視頻采集方案的優劣：
1. 模擬攝像頭（CCD和模擬CMOS）+ LM1881 ==》 MCU A/D
這個方案應該說是最經典的方案，
優點：成本低（LM1881只要10元，攝像頭我這只要45元）；方案實現簡單（只需根據幾個同步信號，開啟AD連續采集即可）；
缺點：需要A/D速度支持，以獲得高分辨率。A/D速度與MCU總線時鐘有關，所以需要超頻，但MCU穩定性必須犧牲。
改進：為提高圖像采集的分辨率，有的隊伍引入高速片外AD，效果也很不錯，如上海大學白騎士，AD采用5510這類已足夠，價格15元左右

2. 模擬攝像頭（CCD和模擬CMOS） + SAA7113視頻解碼 + AL422B ==》 MCU IO
這個方案個人所知只有第二屆華南理工用過
優點：經典的圖像采集方案，為各視頻采集卡和其他產品所應用，能完整采集整幅圖像。
            攝像頭兼容性好，可以隨時更換更好的攝像頭，獲得更清晰圖像，而采集部分軟硬件不需要做太大改變
缺點：方案復雜，涉及大量邏輯操作，一般用CPLD或FPGA配合。在智能車比賽中，規定不能使用可編程器件，使用74做邏輯功能，控制幾個芯片較為復雜，體積、可靠性都很難保證，制作難度較大。
            涉及IIC操作，增加調試時間難度。

3. 數字攝像頭（CMOS數字：OV7620等） ==》 MCU IO
這個方案是網友們提出的，其監視數字攝像頭的VSYN和HREF信號，每行開始時，連續讀取MCU與CMOS連接的數據口Y口。
優點：數字攝像頭方案，采集簡單，無需A/D
缺點：與模擬攝像頭+AD類似，采集分辨率與MCU頻率相關。數字攝像頭信號輸出頻率可高達13.5MHz，沒有DMA功能MCU從IO讀信號再寫入內存，速度跟不上，同樣需要犧牲穩定性進行超頻使用。
            因為沒有引入PCLK視頻同步信號，直接采集CMOS數據口，有可能會采集到不穩定的數據（即CMOS數據口狀態正在改變時）這一點可能造成嚴重的干擾
            CMOS模塊性價比極低，CMOS芯片只需20-30元，售價200元
4. 數字攝像頭（CMOS數字：OV7620等）+ FIFO ==》 MCU IO
具體實現方案請看：http://blog.ednchina.com/jjldc/226336/message.aspx
優點：這個方案克服了方案3中MCU速度與CMOS不匹配的問題，采用FIFO作為緩沖，可以采集完整圖像。圖像采集分辨率與FIFO容量有關。
缺點：FIFO價格較高，特別是大容量。
            若使用視頻FIFO，性價比較高，但同樣有方案2中大量邏輯器件的問題。
            CMOS模塊性價比極低，CMOS芯片只需20-30元，售價200元
5. 待補充

展望
在第四屆小車比賽中，期待有更多精彩獨特的方案登場。
本人預測，將有如下幾個趨勢，希望引起大家注意：

大量高速車采用CCD攝像頭

攝像頭增加舵機能控制轉向（包括左右轉向和上下轉向）

很可能出現多攝像頭方案

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智能車比賽中關于單片機圖像采集方法的分析和展望

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