CCD图像检测<一>
作者：一点一滴的Beer 指导教师：Chen Zheng 单位：WHU
在Freescale杯全国大学生智能汽车竞赛中，要求小车能识别白色背景配黑色中心引导线的赛道，然后根据赛道环境由MCU控制执行机构让小车沿线跑完全程。对于这样涉及机器视觉的系统，图像检测显得尤为重要。本文将主要围绕CCD图像检测这一话题进行讨论。
智能汽车竞赛规则要求寻迹小车自主识别跑道，并能识别起跑线，在规则下能尽快跑完全程。而对外部信息的提取和小车运动参数的设定都极大的依赖于小车的“眼睛”——CCD图像检测系统。本文将从摄像头的选型，软硬件设计，调试方法以及简单的图像处理方面进行讲述，希望能帮助广大有意从事机器视觉研究和学习的初学者尽快入门。
一、 检测的图像对象
图1：第四届智能汽车全国总决赛预赛跑道
图2：第四届智能汽车全国总决赛决赛跑道
通过以上两张图片，我们可以看到比赛时小车的赛道环境。赛道的颜色构成为：蓝色大背景色，白色跑道底板，黑色引导线。赛道类型大致分为：直道，弯道，坡道，交叉线等等（不同控制方式有不同的分类）。对于检测系统而言，主要就是将外部对我们有用的信息给提取出来，然后再交付MCU进行计算和控制，提取出控制所依赖的一些数据，来调节小车运行参数。
摄像头的选型主要有下面几个参考指标：分辨率、视野大小、成像清晰度、色彩对比度、功耗、重量和体积。
摄像头分辨率越高，单行视频信号持续信号越短，AD 对单行视频信号所能采样的点数就越少，例如在S12不超频的情况下，若采用20ms的控制周期，分辨率为320 线的摄像头，单行采样的点数为最多为9个，而640线的则为5个。
为了保证赛车的定位，应该选择分辨率较低的摄像头，以增加单行采集的点数，虽然分辨率低会降低摄像头的纵向分辨能力，但对于小车系统纵向的分辨要求相较于横向很容易就达到了要求。
一般情况下，小车在矩阵式的图像数据中提取黑线时，为了提高搜索效率和排除外界干扰，都采用的是局部搜索法，也就是搜索行的起始搜索点往往和上一行提取的中心有关。搜索中心时，一般从最近开始往远处逐行搜索，故我们总是希望最近一行总是有引导线的存在，这样一方面能提高搜索效率，另一方面也能减少出错的概率。
因为小车在运动过程中，不可能严格的循线，所以，如果视野太小的话，会出现这样的情况：小车稍微偏离中心线一点，就出现眼前的几行丢失黑线的情况，这样引导线失去了连续性，很容易造成判断失误从而小车出现行驶路线出错的情况。
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图3：大偏差时的起跑线和十字交叉线
所以，应该尽量选择视野大的摄像头。关于视野大小，既和镜头有关也和摄像头成像的机理有关。在过去时间里，我们首先对不同焦距的镜头进行成像观测实验，发现利用镜头增大视野的代价是：图像发生了严重的球形成像畸变，这样会使信息提取变得极其繁琐，故镜头最终还是选择25mm焦距。然后我们又针对摄像头的两种不同的成像机理，对CCD和CMOS的成像进行比较，发现在同样的安装方式下，CCD的视野范围远大于CMOS，例如在某种安装方式下：当CMOS在最近处视野不到30cm时，CCD可达到46cm，这样就能保证即使小车在行驶时有一些偏移，但是最近处仍然能看到黑线。通过CRT显示器对摄像头成像进行观察，发现CCD成像的清晰度和色彩对比度明显高于CMOS，这对于提取色彩对比明显的小车赛道环境信息是极其有利的。
在第四届全国大学生智能汽车比赛当中，对于比赛场地光线的适应性问题，一直是一个难题。在华南理工大学体育馆中举行的华南区初赛，由于完全采用灯光照明，有的学校出现过这样的情况：CMOS摄像头在小车低速时看到图像正常，但是一旦小车以比较高的速度运行时，经常出现检测出错。但是CCD摄像头基本上没有这种情况，而且在北京科技大学奥运场馆内举行的全国总决赛时，各大参赛队员绝大多数使用的是CCD检测方式，可见这是趋势。
CCD摄像头虽然具有很多优点，但同样也有一些缺点，例如：因为涉及的电路比较复杂，导致CCD摄像头体积比较CMOS要大好几倍;而且由于成像机理不同，CCD的工作电压是12V，CMOS的是5V， CCD的功耗比CMOS要高。不同型号的CCD功耗是大不相同，在过去的时间里面，我们尝试过多种型号的CCD，其中有的只通电1分钟，上面的三极管就发热极其严重甚至到人手都无法直接触摸，但有的型号的功耗比较小，连续通电工作十几分钟，只有轻微的发热现象。
图4：武汉大学“风行者”
由于CCD检测方式的原因，需要摄像头进行架高安装，这样才能获得较大的视野，架高就意味着将小车的整体重心上移，这对于小车高速平稳行使是很不利的。故在满足视野要求的情况下，要求摄像头的安装应该尽量减少小车重心的抬高：一方面，摄像头位置尽量放低，另一方面，选型时应使摄像头重量和体积尽量小。2009年8月份第四届智能汽车全国总决赛中，有不少实力强大的队伍因为重心过高，在小车高速过弯时，出现侧翻的事故，最终遗憾收场。摄像头的电气特性固然重要，但因为智能小车是一个运动的系统，故机械特性同样不容忽视。
图5：摄像头信号时序图
CCD摄像头主要由镜头，图像传感芯片和外围电路构成。图像传感芯片又是其最重要的部分，摄像头的指标（如黑白或彩色，分辨率）就取决于图像传感芯片的指标，该芯片要配以合适的外围电路才能工作，将它们制作在一块电路板上，称为“单板”，若给单板配上镜头、外壳、引线和接头，这就构成了通常所见的摄像头。单板摄像头通常引出三个端子，一个为电源端，一个为地端，另一个就为视频信号端。在为摄像头提供电源的情况下，摄像头视频输出如图5。
对于模拟摄像头而言，视频信号的电气体现为一条电压幅值随外部信息变化的电压信号流。摄像头通电工作后，开始对外界环境进行逐行扫瞄，并输出相应的电压信号流，将一个画面扫瞄完毕输出的信号称为一帧，每帧的扫瞄分为奇场扫瞄和偶场扫瞄，场扫瞄由多个行扫瞄完成（扫瞄的行数由摄像头的分辨率决定）。这样，行扫瞄作为最小的扫瞄单位记录了一行视觉信息，多行信号顺序累积起来就构成了一场信号，奇场和偶场信号一起组成了一帧完整的视频信号。
摄像头工作时，输出信号为连续的视频信号流，如图5所示，在场与场之间存在一段较长的低电平区，在每场信号开始时会出现一个阶跃式的电平跳变，在一场信号中，行信号与行信号之间也存在一段低电平区，行信号开始时也有一个阶跃式的跳变。对于MCU而言，可以轻易对跳变信号进行检测，故能对视频信号的时序进行正确判断。
在MCU对视频信号的时序进行正确判断后，系统只需要通过相应电路对每行视频信号进行数字化即可完成视频信号数字化，然后将这些数字信息将会MCU进行计算和控制。
