1、济南大学泉城学院毕业设计（论文） - I - 济南大学 泉城学院 毕 业 设 计 题 目 基于单片机的图像采集装置的设计 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气 07Q2 学 生 杜燕 学 号 20073005014 指导教师 王丕涛 二一 一 年 六 月 七 日 济南大学泉城学院毕业设计（论文） - II - 摘 要 在现 代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视及零件识别应用。通常人眼无法连续、稳定地完成这些带有重复性和智能型的工作，其他传感器也难有用武之地。由此开始用摄像头来采集图像，经计算机进行处理后，得到想要的信息，从而产生了视觉传感器。 本设计以 Freescale 公
2、司的 16 位单片机 MC9S12DG128 为核心，采用以 OV6620作为图像传感器的数字摄像头，通过 RS232 接口将采集到的图像数据上传至上位机，在上位机上进行图像的处理、存储及识别。本设计完成了单片机核心模块的设计、数字传感器电路的设计、 RS232 串行通信接口电路的设计；在 Codewarior 开发环境下，利用 C 语言编程实现了数字图像的采集、图像信息的上传等功能。最终实现了对图像的数字化采集并完成了采集装置与上位 PC 机的通信功能。 关键词 ： 图像采集；单片机；数字摄像头 济南大学泉城学院毕业设计（论文） - III - ABSTRACT In the modern
3、industrial automation, sensors involve a variety of testing, production monitoring and parts identification applications. Typically, the human s eyes can not be continuous, stable and complete these with intelligent repetitive work. And other sensors are also difficult to have its uses. Thus people
4、began to use cameras to capture images processed by computer to obtain the desired information, resulting in a visual sensor. The design is completed the design of the microcontroller core module, digital sensor circuit, RS232 serial communication interface circuit; In Codewarior development environ
5、ment, the system uses the C language programming of the digital image acquisition, the information of image uploaded and so on. Finally, the design realized the digital image acquisition and completed communication between the acquisition device and the host PC. Key words： image acquisition; microco
6、ntroller; Digital camera 济南大学泉城学院毕业设计（论文） - IV - 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . III 1 前言 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 研究目的与意义 . 1 1.3 研究现状 . 1 1.4 主要研究内容 . 2 2 图像采集装置的系统总体设计 . 3 2.1 系统总体设计 . 3 2.2 系统的软硬件设计 . 3 3 图像采集系统硬件设计 . 4 3.1 数字摄像头概论 . 4 3.2 图像采集系统核心部件 . 8 3.2.1 MC9S12DG128 简介 . 8 3.2.2 硬件电路系统组成 . 11 4 软件设计 .
7、15 4.1 数字摄像头波形输出 . 15 4.2 程序设计 . 18 4.3 数字图像处 理 . 24 4.4 数字图像处理方法 . 25 结 论 . 28 参 考 文 献 . 29 致 谢 . 30 附 录 . 31 济南大学泉城学院毕业设计（论文） - 1 - 1 前言 1.1 研究背景 目前，主要有两种对图像信息采集和处理的方式，即： （ 1）利用 CCD 摄像头和图像采集卡，通过 A/D 转换器将模拟信号转化为数字信号，经 PCI 或者其他总线方式由上位机对 图像进行处理。此方法虽利用丰富的 PC机硬件资源、软件开发简单的特点，但整个系统硬件连接复杂，不利于小型化，且稳定性不高，需专
8、业人员定期进行维护。 （ 2）采用 CCD 或者 CMOS 摄像头采集图像，再利用 DSP+FPGA 进行图像处理，此方法利用具有高速数字处理处理能力的 DSP 和支持外设能力的 FPGA，实现了数字图像的采集与处理。这种方法确实可满足高速视频采集和处理的要求，但是其软硬件往往是针对专用型号的处理器和项目来开发的，应用软件不易移植，研发时间长，且软硬件成本都较高，不适应于对图像速度与功能要求相对较低的项目 。 针对这两种形式，可采用单片机嵌入式系统来建立图像采集装置，实现图像的采集、显示、处理等功能。 1.2 研究目的与意义 单片微型计算机的开发、不断完善和发展，是人们开始将计算机的高速、高精
9、度、高可靠性、可重复性与纳米技术结合起来逐渐形成的。单片机技术的诞生与应用，在极大程度上解放了劳动生产力，提高了工业生产自动化水平，改善了人们的生活现状，具有极为广阔的应用前景。 随着单片机技术的不断发展，图像采集装置得到了广泛应用。当图像采集装置运行时，常常会受到许多外界环境因素的影响，于是需要可靠、稳定、抗干扰能力强 的计算机实时控制系统软、硬件的支持。装置在处理过程中参数变化地十分迅速，操作也十分频繁，则要求整个装置应当做到安全、稳定和经济地运行。特别是大规模集成电路、计算机和通信技术的相互渗透对进一步促进视频技术不断改进和拓展是十分必要的。机器视觉、多媒体通信、高清晰电视以及图像处理、
10、模式识别和计算机视觉等众多应用领域对视频图像采集装置的性能均提出了越来越高的要求。 装置采用单片机技术其目的是：运用 基于单片机为核心的开发板，建立图像采集装置，对图像进行采集、显示并存储，进而完成图像的统计、识别等功能。同时对 装置的安全 可靠性、运行损耗等进行检测。 1.3 研究现状 现今，基于单片机技术的图像采集系统 具有一系列优点 ：图像采集系统体积小，集成度高，经济实惠，稳定性好，抗干扰能力强 等。在单片机与 PC 机相结合的时代，济南大学泉城学院毕业设计（论文） - 2 - 单片机越来越多的渗入到我们的日常生活。单片机涵盖于智能家电、消费电子、通讯设备、军事等各个领域，发挥着不可取
11、代的作用。随着单片机的广泛应用，基于单片机的图像采集装置也广泛应用在工业产品检测、教学识别系统、日常生活图像采集等领，其 市场具有可塑性与推广性，并且一直保持持续发展趋势。 1.4 主要研究内容 本文的研究方向主要是 运用 CMOS 视觉传感器采集图像，在其内部经过 A/D 转换把图像信息转换为相应的电压信号，对所采集到的图像信号进行处理，分离复合信号，从中提取出所需的信息，再将信息传输给单片机，通过单片机与 PC 机之间的控制，对输出图像进行采集、存储以及传输，从而实现装置在不同条件下进行不同的图像处理，如 受外部光线明暗程度、摄像头视野范围、硬件干扰等因素的影响时 ， 采集到的图像总带有一
12、些失真或者噪声需要对初始数据进行滤波处理等等。 济南大学泉城学院毕业设计（论文） - 3 - 2 图像采集装置的系统总体设计 2.1 系统总体设计 整个图像采集装置由数字摄像头、图 像采集系统、图像处理系统三个模块组成，其结构如图 2.1 所示。 图 2.1 图像采集装置系统框图 数字摄像头负责将图像转化为数字图像信息，通过并行总线将数字信号送往单片机，单片机通过 RS232 串行通信接口将所采集到的图像信息送到上位 PC 机上，在PC 机上完成对图像的处理。 2.2 系统的软硬件设计 系统硬件设计主要包括单片机最小系统的设计、供电电路的设计、数字摄像头接口电路的设计、 RS232 串行通信接
13、口电路的设计。 软件设计中涉及到下位单片机的 RS232 串行通 信子程序和图像采集子程序、上位 PC 机的图像处理程序。 后面章节将详细讲述相关部分的设计。 数字摄像头 （ OV6620传感器） 图像采集系统 （单片机） PC 机 数据总线等 串行通信 济南大学泉城学院毕业设计（论文） - 4 - 3 图像采集系统硬件设计 3.1 数字摄像头概论 图像数据能够进入计算机的只有数字形式，然而自然界中的图像是其他形式的信息，如何转化图像信息开始被人们所思考。随着科技的发展，技术的提高，一种名为摄像头的图像摄取装置发展起来。 摄像头的工作原理：首先景物通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面，然
14、后转为电信号，经过处理转换后变成的数字图像信号在处理芯片中进一步加工处理，再通过外围接口传输到电脑中处理，最终通过显 示器可以观察到图像。 摄像头可以分为两类，若图像 数据是在摄像头 和 采集卡两部分完成数字化的， 此摄像头就是模拟摄像头 ；然 而 若 是在摄像头内部完成数字化的 则是 数字摄像头 。数字摄像头不仅 可以减少图像的噪音 ，而且 与模拟摄像头相比， 它更 显著 的 提高了摄像头的信噪比、增加了摄像头的动态范围 以及 最大化图像灰度范围。 目前，摄像头的研究围绕数字摄像头展开。 数字摄像头的芯片主要分为 CCD 和 CMOS 两种。 CCD（ Charge Coupled Devi
15、ce） ，又称为 电荷耦合器件，以百万像素为单位。 CCD 是一种感光半导体芯片，用于捕捉图 形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。 此类摄像头 与胶卷的原理相似， 即 光线穿过一个镜头，将图形信息投射到 CCD 上。但 又有 不同， CCD 既没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备 “曝光 ”能力 ，因此 所有图形数据都会不停留地送入一个 A/D 转换器，一个信号处理器以及一个存储设备如内存芯片或内存卡 等 。 CCD 有各式各样的尺寸和形状， 其中， 最大的有 22 平方英寸。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconduct
16、or)， 又叫做 互补金属氧化物半导体。它是计算机系统内 一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。 CMOS 传感器便于大规模生产，且速度快 ， 成本较低，是数码相机关键器件的发展方向之一 ，在今后的发展应用中有着举足轻重的地位 。 数字摄像头中的图像传感器是其主要元器件，依据 CCD 与 CMOS 芯片构成的 两种在 “内部结构 ”和 “外部结构 ”上都是不同的 传感器，即： （ 1）在 内部结构（传感器本身的结构） 上， CCD 的成像点为 X Y 纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。光电二极管将光线（光量子）转换为电荷（电子），聚集的电子数量与
17、光线的强度成正比 。在读取这些电荷时，各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷 /电压转换器和放大器传感。这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。但是生产 CCD 需采用时钟信号、偏压技术，因此整个构造复杂，增大了耗电量，也增加了成本 ； CMOS 传感器周围的电子器件，如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模 /数转换器等，可在同一加工程序中得以集成。 CMOS 传感器的构造如济南大学泉城学院毕业设计（论文） - 5 - 同一个存储器，每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷 /电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管以及一个放大器，覆盖在整个传感器上的是 金
18、属互连器（计时应用和读取信号）以及纵向排列的输出信号互连器，可以通过简单的 X Y 寻址技术读取信号。 （ 2）在 外部结构（传感器在产品上的应用结构） 上， CCD 电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息， 运行 速度较慢 ， 而 CMOS 光电传感器 在 采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息， 运行速度比 CCD 电荷耦合器快很多 。除此之外， CMOS 光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程，可以将数字相机的所有部件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换 器、图像信号处理器及控制器等，都可集成到一块芯
19、片上，还具有附加 DRAM 的优点。 从上述两种数字摄像头的对比中可以得出， COMS 数字摄像头满足设计的三条原则， 安全可靠、集成度高、高性能、低噪音、成本低廉、经济实惠等。综上，本设计采用 CMOS 数字摄像头。 本设计中采用的数字摄像头主要由 OV6620 图像传感器构成，具体如图 3.1 所示。 图 3.1 数字摄像头 OV6620 OV6620 摄像头模块采用 OV6620 彩色数字 CMOS 图像传感器，其图像是 PAL制，一帧图像为 352 288 像素，数据格式为 YCrCb4:2:2 GRB42:2 和 raw GRB 。OV6620 的优点：供电电压低，简化电路；内部集成
20、 A/D 和视频分离模块，简化电路，并且使得采集程序简单，采集质量高；视频信号转换在内部进行，减轻单片机负担。内部的 I2C 可编程用来调整摄像头的参数 (如最大灰度、对比度、曝光率控制等 )，其本质是 SCCB 协议的寄存器写入。本设计采用默认模式， OV6620 摄像头模块和MC9S12DGS12 单片机的引脚连接图如图 3.2 所示。其中， Y0-Y7 为灰度信号输出引脚，由于本系统只需识别道路中黑线。故只需提取数据格式为 YCrCb4:2:2 中的亮度信号 Y。灰度信号 Y0-Y7 则可送 MC9S12DG128 单片机的 B 口。 济南大学泉城学院毕业设计（论文） - 6 - 图 3
21、.2 OV6620 图像传感器图像采集引脚连接 1. OV6620 特征 OV6620 图像传感器具有诸多特征，下面逐一说明： 101376 像素（ 352x288） ,1/4 棱镜， CIF/QCIF 格式 逐行扫描读出 数据格式： YCrCb 4:2:2, GRB 4:2:2 ,RGB Raw Data(RGB 原始数据 ) 8/16 bit 视频数据： CCIR601、 CCIR656、 ZV 端口 宽动态范围，抗模糊，零拖尾效应 电子曝光、增益、白平衡控制 图像增强：亮度、对比度、伽玛、饱和度、锐度、窗口等 内部 /外部同步 帧曝光 /行曝光选项 5V 工作电压，低电源消耗 80 mW 工作功率 10 uA 节电模式 伽玛校正 (0.45/0.55/1.00) SCCB 可编程（ 400kb/s） 色彩饱和度、亮度、对比度、白平衡、曝光时间、增益 2. OV6620 功能 OV6620 传感器包括一个 356 292 分 辨率的图像阵列，一个模拟信号处理器，双 8 位模 /数转换器，模拟视频复用器，数字数据格式器和视频端口， SCCB 接口和
