8.1 摄像头的选择
摄像头的选择主要考虑三个方面：类型选择、分辨率选择、取像种类选择。
摄像头分 B/W (EIA / CCIR)、Color (NTSC / PAL)两种类型，赛道中基本只含有黑白信息，选择Color 摄像头意义不大，甚至增大了数据处理的复杂程度，选择B/W摄像头已经能够区分赛道黑线白区。
摄像头分辨率越高，单行视频信号所持续的时间也就越短，在 A/D转换时间不变的情况下，A/D对单行视频信号所能采样的点数也越少。应当尽量选择分辨率低的摄像头，这样能够尽量提高横向分辨率，使A/D转换能够采集尽量多的数据，便于黑线信息的提取。
摄像头的取像种类主要有CCD (Charge Coupled Device )电荷耦合元件感测器、CMOS 金属氧化物半导体传感器。CCD对比度较佳、色彩浓度深，相对来讲CMOS对比度较差、色彩浓度淡，但是赛道只有黑白色彩的对比度，实验证明只有黑白对比时，CMOS的识别效果较CCD要好，且能够滤除一些其他色彩的干扰。
综上各种因素，我们选择了分辨率为320420×的B/W COMS摄像头。
8.2 摄像头工作原理
摄像头的一般工作原理：
景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器（SENSOR）表面上，然后转为电信号。转化电信号的工作过程为：图像传感器以隔行扫描的方式采集图像上的点，通过图像传感芯片将点图像的灰度转换成与灰度相对应的电压值，经过A/D（模数转换）转换后变为数字图像信号。
图8.1 CMOS图像传感器结构图
当扫描完一行，视频信号端输出低电平（接近0V），且持续一段时间，称之为“行消隐区”。这样，每行图像对应的电压信号之后就会出现行同步脉冲，同样在上一场的结尾部分和下一场的开始部分也有一个类似的低电平区域，持续时间相对于“行消隐区”要长很多，称之为“场消隐区”。
赛车系统所采用的CMOS摄像头每秒扫描 25 帧图像，场与帧成二倍关系，每帧分奇、偶两场，每秒扫描50 场图像，奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行，先奇场后偶场。
这里主要对于行信号的相关参数进行说明，通过示波器观测摄像头的视频行信号，可知每行信号持续时间大约为64sμ，行同步脉冲持续时间约4sμ。设定一定时间，将所采集的视频行信号经S12芯片的A/D模块进行A/D转换，可得如下A/D数据：
50 50 50 50 49 49 21 7 8 8 8 21 21 21 21 46 48 49 49 49 50 50 51 51 51 50 50 50 51 51 51 51 50 50 50 49 24 24 24 50 50 51 51 51 51 51 51 50 51 51 51 50 50 50 50 49 49 21 7 8 8 8 21 21 21 21 21 46 48 49 49 49 50 50 50 50 51
根据所采集的A/D数据可得如下曲线图：
图8.2 行信息A/D采集曲线
显然，从图中容易看出视频信号中不同灰度白区、黑线、行消隐区的不同，及其所对应A/D数值。由所测数据可知白区A/D采样值一般大于48，在黑线处A/D采样值一般在24～28之间，而在行消隐区A/D采样值一般小于24。这些区别以及实验数值对于软件程序中赛道信息的提取起着重要作用。
8.3 视频采样电路设计
对于视频信号的采集，首先要解决S12处理芯片对于行信号、场信号的识别问题，则需要提供信号判断行信号、场信号开始判断条件。
赛车系统的图像获取模块选择LM1881 视频同步信号分离芯片构成S12的外围电路，LM1881能够分离出视频信号的行同步脉冲、场同步脉冲、奇偶场信号并转换成数字式电平（高低电平）控制信号输入S12处理器加以判断、控制。
首先需要熟悉LM1881 各个引脚的功能，如表8.1所列：
图8.3 LM1881封装图
表8.1 LM1881引脚功能
其中输入S12单片机为LM1881引脚1、3、7信号输出同步信号，引脚1输出的为行同步信号波形行信号未结束时为高电平，行信号结束时为低电平；引脚3输出为场同步信号，场同步脉冲未到以前输出为高电平，场同步脉冲到达以后输出为低电平，经过示波器观测低电平维持约 200sμ；引脚 7 输出为奇-偶场同步信号，视频信号处于奇场时，输出信号为高电平，视频信号处于偶场时，输出信号为低电平。实际应用中，并没有利用奇-偶场同步信号，而只是利用输入S12处理器的场同步信号产生场中断。
由LM1881芯片所设计的视频信号分离电路如图8.4所示：
图8.4 图像获取模块电路图
从摄像头输出的视频信号输入到LM1881芯片的引脚2，同时连接到S12处理器的A/D模块端口PAD15对图像点信息进行A/D转换。LM1881引脚1输出的行同步信号连接到单片机的PE1端口，LM1881引脚3输出的场同步信号连接到单片机的PT0端口，LM1881引脚7输出的奇偶场同步信号连接到单片机的PA0端口。PT0的中断优先级很高，相对于行中断优先级高，避免出现场丢失的异常情况。
8.4 视频信号采样及程序流程图
8.4.1 视频采样流程
在摄像头工作原理中已经详细说明，摄像头是采用隔行扫描的感测方式，奇场时只扫描图像的奇数线，偶场时只扫描图像的偶数线。通过示波器可以得出摄像头每场信号的第23行至第310行为视频信号，则可得出摄像头获取的每场视频信号会扫描得到288行的视频信号，对应的实际距离为68cm，假设扫描的行间距离相等（实际情况并非如此），则有摄像头的分辨率为4行/cm，远远超过了实际的精度。为了处理上的方便，减轻S12处理芯片的负担，更为了提高图像采集频率，我们把奇偶场作为独立的图像加以处理。
同时，我们没有必要对每行信息都进行处理，而且摄像头由远及近进行扫描，远处的行间距离大，近处的行间距离小。在实际处理中我们采样45行已经能够满足赛车识别跑道的要求。
按着下列公式，在288行中不均匀的采其中45行。
在288行中不均匀的采其中45行。首先，场图像信息中前18个行信息不采集，作为line_cnt=0；接下来每三行采一行至line_cnt=5，即21，24，27，30，33行；然后，每四行采一行至line_cnt=11，即37，41，45，49，53，57；再下来，每五行采一行至line_cnt=17；接着，每六行采一行至line_cnt=23，line_cnt=23最后每七行采一行至结束。
根据设计的硬件电路，当产生场同步脉冲时，输入捕捉PT0接受中断，则新的一场开始，进行场信息初始化。当行同步脉冲来时，PE1接受中断，行信息开始。根据实验测试的行消隐阀值，当A/D转化值大于24时则可判断该行的视频信息开始。
场中断处理程序流程图如下：
图8.5 场中断处理过程
行中断处理程序流程图：
8.4.2 视频采样效果
为了观察摄像头视频采样的效果，我们将S12处理芯片所采集到的图像数据通过串口线发送到PC机上，然后将图像数据以灰度图的方式显示出来，采样效果如图8.7所示：
图8.7 视频采样效果
此时图像采样模块在总线频率为24MHz，8位AD转换，1/12总线频率，采样时间为2个时钟周期，横向分辨率为40素，其对赛道黑线的有效探测距离为0.7m，已经可以满足赛车系统对赛道预判距离的要求。
8.5 摄像头安装
摄像头必须选取合适位置进行机械安装，包括摄像头本身的重量、摄像头安装的高度。摄像头本身不是很重，但是由于摄像头所处的位置较高，则在赛车行进过程中，赛车因摇晃产生很大的力矩，影响行进过程中车体重心的平衡。安装位置高度太低，则识别区域有限，影响赛车寻线的有效范围；安装位置高度太高，则扫描的黑线点数太少导致外界干扰过大，同时识别的区域过大，超过赛道宽度（黑线两侧各60cm），会引入外界尤其是边沿干扰，而且整个赛车系统会因重心抬高导致其稳定性变差。
赛车摄像头机械安装如图8.8所示：
图8.8 赛车摄像头安装示意图
首先我们尽量减轻了摄像头部件的重量，在安装高度上我们使其最大行扫描宽度接近60cm，同时尽量增大最近视角的扫描宽度，实际为29cm。除此之外，在安装时，还需要调整摄像头的位置使其采集图像信息的中心线与所程序所设定的中心线保持一致。
