數(shù)字式CMOS攝像頭在智能車中的應(yīng)用

摘要：介紹數(shù)字式CMOS攝像頭MT9M011的工作方式；提出MT9M011在基于HCSl2單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，針對(duì)采集圖像時(shí)遇到的問(wèn)題給出了相應(yīng)的解決方法；分析數(shù)字式CMOS攝像頭相對(duì)于模擬攝像頭的優(yōu)勢(shì)和不足。
關(guān)鍵詞：CMOS攝像頭；MT9M011；Bayer彩色格式；曝光時(shí)間

引言
飛思卡爾智能車比賽已經(jīng)成功舉辦4屆，以攝像頭為主要傳感器的參賽隊(duì)伍大多數(shù)選用了模擬CCD或模擬CMOS攝像頭。本文介紹了數(shù)字式CMOS攝像頭MT9M011的性能特點(diǎn)和工作方式，給出了MT9M011在基于HCSl2單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，并分析了數(shù)字?jǐn)z像頭的優(yōu)勢(shì)和不足。

1 CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)
CMOS圖像傳感器可通過(guò)CMOS技術(shù)將像素陣列與外圍支持電路(如圖像傳感器核心、單一時(shí)鐘、所有的時(shí)序邏輯、可編程功能和A／D轉(zhuǎn)換器)集成在同一塊芯片上。與CCD(電容耦合器件)圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器將整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上，具有體積小、重量輕、功耗低、編程方便、易于控制等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，可通過(guò)I2C、SPI等接口配置其曝光時(shí)間、增益控制等功能，可控性強(qiáng)。因此，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用已經(jīng)變得越來(lái)越廣泛。

2 MT9M011的性能特點(diǎn)與工作方式
2．1 MT9M011的基本參數(shù)
MT9M011是一款：Mieron公司推出的RGB三基色的130萬(wàn)像素?cái)?shù)字式CMOS攝像頭，具有可編程控制及數(shù)字信號(hào)輸出等功能。其輸出為Bayer彩色格式，圖像尺寸為4．6 mm×3．7 mm，像素尺寸為3．6 μm×3．6 μm，最大分辨率為1 280×1 024，支持的最高時(shí)鐘頻率為25MHz；A／D轉(zhuǎn)換精度為10位，最大信噪比為44 dB，在最高分辨率模式下功耗為129 mW。
MT9M011輸出為逐行掃描的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)內(nèi)嵌的10位ADC將模擬視頻信號(hào)采樣量化后同步輸出10位數(shù)據(jù)流。同時(shí)，MT9M011還提供像素時(shí)鐘(PIXCLK)、行有效信號(hào)(LVAL)、幀有效信號(hào)(FVAL)，以及配置MT9M011所需的I2C協(xié)議引腳SCLK和SDAT。
2．2 MT9M011的編程功能
MT9M011有25個(gè)寄存器，涉及攝像頭的各個(gè)方面，通過(guò)與I2C兼容的串行總線時(shí)序讀寫(xiě)。結(jié)合智能車競(jìng)賽應(yīng)用重點(diǎn)介紹以下寄存器：
①行起始寄存器(Ox01)和列起始寄存器(Ox02)。這兩個(gè)寄存器決定輸出圖像的起始點(diǎn)坐標(biāo)。利用這兩個(gè)寄存器可以軟件調(diào)節(jié)攝像頭采集到的圖像整體位置。
②行寬度寄存器(0x03)和列寬度寄存器(Ox04)。MT9M011的一大特色就是輸出數(shù)據(jù)的圖像大小可以任意調(diào)整。通過(guò)這兩個(gè)寄存器可以針對(duì)當(dāng)前的應(yīng)用環(huán)境(即賽道)設(shè)置合適的圖像范圍。
③曝光時(shí)間寄存器(Ox09)。該寄存器的值決定了攝像頭采集一幀圖像時(shí)感光元器件的感光時(shí)間。通過(guò)調(diào)整該寄存器值的大小可以直接調(diào)整圖像的成像質(zhì)量。
④數(shù)據(jù)讀取模式寄存器(Ox20)。該寄存器可以使輸出的行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)減少至1／2或者1／4，也可以使輸出的圖像鏡面對(duì)稱。
⑤增益設(shè)置寄存器。它又包含Greenl分量增益設(shè)置寄存器(Ox2B)、Blue分量增益設(shè)置寄存器(Ox2C)、Red分量增益設(shè)置寄存器(Ox2D)、Green2分量增益設(shè)置寄存器(Ox2E)和全局增益設(shè)置寄存器(Ox2F)5個(gè)寄存器。由于RGB分量對(duì)同一光源表現(xiàn)出不同的數(shù)值，因此需要針對(duì)不同的光源情況分別調(diào)整前4個(gè)寄存器的值，而這也是這款攝像頭最大的缺點(diǎn)。
2．3 MT9M011的數(shù)字圖像輸出
2．3．1 Bayer彩色格式輸出
MT9M011的輸出為Bayer彩色格式(Bayer color pattern)。這種輸出格式直接將濾波陣列上每一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的保留基色模擬電平值，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后按時(shí)序先后輸出。圖1展示了這種輸出格式對(duì)應(yīng)的局部像素點(diǎn)陣。其中，黑色像素點(diǎn)為輸出有效數(shù)據(jù)的第一個(gè)點(diǎn)。