ＣＣＤ技術在移動智能體中的應用

[摘 要] 本文詳細介紹了一種基于CCD傳感器的二值化圖像數據采集系統，并著重介紹了該系統在比賽中的應用。

[關鍵詞] CCD AVR單片機 圖像采集處理 二值化 視頻信號

一、引言

CCD是 charge coupled device 的簡寫，即電荷耦合器件，是利用微電子技術的金屬-氧化物- 半導體工藝發展而成的一種半導體功能器件，主要用于信號處理和攝像。

CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉換器由于其高精度、高分辨率、性能穩定、功耗低以及具有自掃描功能等特點，已被廣泛應用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業測量等領域，成為現代光電子學和現代測試技術中最活躍的新興領域之一。本文將主要介紹通過AVR單片機采集CCD圖像二值化數據的方法，并通過對數據處理來讓移動智能體沿規劃路徑游走，同時將數據傳到PC上，進行一定的二進制圖象顯示。

二、CCD信號分離電路

1.CCD的原理

CCD電荷耦合器件的主體是緊密排列的金屬氧化物半導體電容器構成的金屬氧化物陣列，通常用單晶硅作襯底制成硅電荷耦合器件。硅電荷耦合器件主要用于可見光成像，特殊品種的可用于紅外成象和紫外光成像。CCD 的組成主要是由一類似馬賽克的網格、聚光鏡片以及位于最底下的電子線路矩陣所組成。每一個CCD元件由上百萬個 MOS電容所構成。來自影像的光線穿過這些馬賽克色塊會讓感光點的二氧化矽材料釋放出電子〈負電〉和電洞〈正電〉。經由外部加入時鐘電壓（晶震），這些電子和電洞會被轉移到不同極性的另一個矽層暫存起來。電子數的多少和曝光過程光點所接收的光量成正比。在一個影像最明亮的部位，可能有超過10萬個電子被積存起來。

2.CCD信號分離電路

本文介紹的移動智能體主要是針對特定比賽而設計的一款移動智能體。根據比賽規則，移動智能體能夠對黑白兩種顏色進行分辨，并在規劃好的路徑移動。首先對CCD采集的圖像，將場同步信號與行同步信號分離，得到圖像信號，再進行二值化處理。選用工作于2V —36V電壓范圍內，輸出標準的TTL邏輯電平的兩路比較電路LM393做比較器。通過兩塊LM393比較器將視頻信號的場、行信號分離出來（電路如圖1所示）。視頻信號經1K電阻送入比較器A中，得到復合同步信號，再經過積分電路將其整理，送入比較電路B中，取出信號高脈沖部分進行比較，得到場同步信號。同時，A輸出的信號送入 C中，經過比較判斷后得到行信號。整個過程簡單可靠，信號穩定，在積分電路電阻為500Ω的場信號可調范圍為10us～40us，場同步頭時間為25us，不會因為抖動而造成場信號的錯誤。 行同步時間為4us，效果較好。

三、系統設計

1.采集控制電路設計

采用AVR8515/8535單片機來采集信號數據。將CCD驅動電路分離的場、行信號分別與AVR8515/8535單片機的INT0、INT1引腳相連，將得到的“采樣電視信號”與單片機的模擬比較器ACSR的AIN0引腳相連，同時AIN1引腳與一微調電位器相連。

移動智能體的行走機構由二輪驅動小車組成，電機驅動方面，可以采用的方式有兩種：PWM調速方式和調壓調速驅動方式。這里采用調壓調速方式，控制信號通過單片機的D/A轉換，接驅動電路。實際設計時，用一個阻值為20K和10K的規則電阻網絡構成D/A轉換器。為控制兩路電機，將單片機的C口分為兩路四位二進制輸入電阻網絡，單模擬量輸出的方式進行。

2.系統軟件設計

(1)采樣軟件設計

標準的視頻行信號周期為64us，但其中的83﹪才為有效時間，即約50us有效行信號，AVR8515/8535單片機中每一條單周期指令的時間為0.125us，在程序中采一個點需要5個指令周期，那么采樣點數為：

50us ÷ (0.125us×5) = 80個點

同時，在響應場、行同步信號后，為跳過其消隱信號，程序中使用了在視頻信號來的第5us開始采集數據。將采集的數據進行二值化處理，例如，采集到白色，將數據處理成1，采集到黑色，將數據處理成0。為存儲方便，一個字節可以表示8位二進制數據。因此，每一行能夠采集的數據量最大為64個點（數據）。本文使用的SS2000B型黑白攝像頭，其標稱分辨率為350線，其中有300線為有效行。因此，利用黑白攝像頭，通過AVR8515/8535單片機來采集數據能夠采集的最大點數為300×64的數據。

(2)驅動程序設計

移動智能體尋線的控制，可以采用PWM方式調速和用D/A轉換通過調節電壓調速，來驅動移動智能體的行走機構。由于攝像頭每掃描一次的時間為20ms，采用PWM方式時，需要對產生的PWM信號進行一段時間規劃，這樣就影響了系統處理的速度，可能會導致錯誤。在采用調壓調速方式時，只需要將速度的四位二進制信號送進D/A電阻網絡，經過轉化后，便可以驅動電機運行，所以調壓方式的處理時間就近似為一場數據的掃描時間20ms，能夠滿足較高速度的要求。

四、結論

視覺的最大優點是與被觀測的對象無接觸，因此對觀測與被觀測者都不會產生任何損傷，十分安全可靠，這是其他感覺方式無法比擬的。另外，視覺方式所能檢測的對象十分廣泛，可以說是對對象不加選擇的。本文論述利用CCD的二值化技術來進行圖像（如比賽場地）的識別，可以說是在圖像處理領域內做了一些嘗試。

參考文獻：

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