數(shù)碼相機,自己動手做(附電路圖,源代碼)

1、數(shù)碼相機,自己動手做(附電路圖,源代碼 線性掃描相機是數(shù)碼相機的一種。這種相機一般在各種機器中作為組成部分發(fā)揮作用,一般來說不容易在實際生活中獨立見到。這個制作能幫助你DIY并且進一步了解線性掃描相機。 線性CCD傳感器(Charge-coupled Device line sensor,線性電荷耦合傳感器是線性掃描相機中最為重要的部分。我十多年前就在電子城中買下了它。但是想要制作一臺小體積的便攜線性掃描相機有些困難,電路部分需要高性能的微處理器和大容量存儲器,在當(dāng)時一般的個人制作對這些昂貴的高級貨只能敬而遠(yuǎn)之。于是它被我扔到一個破爛盒子里,連我自己都幾乎忘記了。十年的時間之后,拜飛速發(fā)展的半

2、導(dǎo)體工業(yè)所賜,芯片們的價格終于降到了可以接受的地步。現(xiàn)在即使是入門的新手也能隨意享受到32位的微處理器和海量的存儲卡,所以我依靠最新的技術(shù)重新開始了這個項目!雙向電梯1線性掃描相機1.1相機原理1.2功能應(yīng)用2硬件構(gòu)成2.1功能模塊2.2光路和外殼2.3模擬電路部分2.4主控電路部分2.5顯示電路部分2.6組合效果3軟件構(gòu)成3.1數(shù)據(jù)處理3.2重建圖像3.3顯示圖像4使用說明5實拍效果展示1線性掃描相機1.1相機原理 圖注:普通平面相機和線性相機的比較線性掃描相機是數(shù)碼相機的一種,它使用線性CCD傳感器(一維CCD器件作為圖像傳感器。普通的數(shù)碼相機用一個平面CCD器件(二維CCD器件捕捉焦平面

3、上的圖像,獲取的圖案是一個二維的平面。而對線性掃描相機來說,它所獲取的圖案是一條一維的線!即使每次獲得的圖像只有一條線,線性掃描相機還是有能力獲得完整的圖像。在制作一臺線性掃描相機時,需要不斷移動相機或者被攝物這樣每次獲得的部分?jǐn)?shù)據(jù)被存儲在內(nèi)存里,并最終像織布一樣一條線一條線地拼湊成完整的圖像。在過去的膠片時代有一種狹縫相機。它和這里說的線性掃描相機類似,通過一條窄縫(一維的窗口成像,拼合一維圖像獲取完整的二維圖像。1.2功能應(yīng)用線性掃描相機具有下面這些功能:高分辨率。即使便宜的傳感器也能做到10000點以上的分辨率。簡單緊湊的光學(xué)系統(tǒng)。不需要掃描桌。對物體的尺寸和長度沒有限制,對很長的物體也

4、能正確成像。由于這些功能,線性掃描相機在很多地方得到了廣泛應(yīng)用,你可以在許多重要的設(shè)備上發(fā)現(xiàn)它們。比如:復(fù)印機圖像掃描儀傳真機機器視覺(檢查長形物體衛(wèi)星(比如拍下google地圖的那些終點攝影(體育比賽2硬件構(gòu)成2.1功能模塊上圖展示了構(gòu)成線性掃描相機的各個功能模塊。線性CCD傳感器將收集的光感信息傳遞到AD(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字化,然后以數(shù)字信號形式輸入控制器。這些數(shù)據(jù)可以顯示在顯示屏上,或者傳輸?shù)酱鎯ζ骼铩呙璧念l率在500線每秒到2000線每秒之間可調(diào),視CCD 器件的種類而定。電路部分被分成三大部分,每塊之間通過柔性印刷電路排線相連。我經(jīng)常不使用定制的PCB 因為它們太貴而且沒有DIY

5、精神,設(shè)計麻煩,之后有改動也麻煩。這種一次性的制作在洞洞板上相機行事最好了。2.2光路和外殼 上圖展示了如何為這個線性掃描相機制作外殼。這是從一個高知電子(Takachi electric 上圖是這個制作中的模擬電路部分,它包含線性掃描相機中最為重要的器件。上面安裝了一個CCD線性傳感器和模擬電路。CCD線性傳感器是一枚東芝的TCD132D單色CCD,它對紅外光也敏感,所以為了獲得與人眼感覺相近的圖像需要一個紅外濾鏡(IRCF。CCD 線性傳感器需要一個來自主控電路板的時鐘信號驅(qū)動。傳感器的模擬圖像信號輸出先經(jīng)過一 這是模擬電路部分的電路圖。2.4主控電路部分 主控電路板包括一個微處理器(MC

6、U,一個可編程邏輯器件(PLD和電源部分(見圖4。微處理器的芯片是一個NXP的LPC2368,它集成了一個在72MHZ下工作的ARM7TDMI 核心,512K字節(jié)內(nèi)存,32K+16K+8K字節(jié)的SRAM,還有給力的外圍設(shè)備。它可以通過一個集成的SD卡控制器在4位原生模式下控制外置的MicroSD存儲卡。LPC系列的ARM微處理器廣泛用在現(xiàn)在的電子制作中,因為它的市場政策很對路,物美價廉。一個可編程邏輯器件(LC4256V被用來驅(qū)動CCD線性傳感器。PLD里配置了一個用來給傳感器提供時鐘的時鐘產(chǎn)生器和一個先入先出隊列。電源供應(yīng)部分提供了數(shù)字電源(3.3V。和模擬部分的電源(12V。 這是主控電路

7、部分的電路圖。2.5顯示電路部分 顯示部分電路安裝在盒子的背面,它提供了相機的操作界面。上面的器件包括一個OLED 顯示屏,開關(guān)。五向鍵和一個MicroSD插槽。打開盒蓋就能安裝或者移除SD卡。 這是顯示電路部分的電路圖。2.6組合效果 內(nèi)視圖。 底視圖。 鏡頭接口視圖。3軟件構(gòu)成3.1數(shù)據(jù)處理 捕捉到的數(shù)據(jù)可以用通用的8位灰度BMP位圖格式存儲在MicroSD卡里,寬1024像素,長視拍攝時間而定。存儲的格式是DCIMLCAMYnnnn.BMP(nnnn是編號,和普通的數(shù)碼相機幾乎一樣。在使用廉價的微處理器將圖像數(shù)據(jù)存入SD卡時會遇到一些困難,主要是輸入的數(shù)據(jù)要在極短的時間內(nèi)存進文件。這個制

8、作中的最大數(shù)據(jù)傳輸率是2MB每秒。幸運的是LPC2368有一個MCI(SD/MMC卡的原生控制模式,它能提供8MB/s的數(shù)據(jù)讀取和6MB/s的數(shù)據(jù)寫入能力。但是這是指讀寫大文件時的平均速度,事實上每次讀寫之間都需要一些死時間用在SD卡的內(nèi)部處理和文件系統(tǒng)上,為了避免這些浪費,一個數(shù)據(jù)緩沖器被用來在死時間中暫存數(shù)據(jù),但是微處理器系統(tǒng)的內(nèi)存大小是有限的,不一定有足夠的空間進行緩沖。讓我們估計一下每次寫數(shù)據(jù)操作所能容許的時間耗費。在這個制作里,所有32K的SRAM 都用來做數(shù)據(jù)緩沖器,而程序在16K的ethernet RAM上運行。數(shù)據(jù)緩沖器分成兩半,其中一塊填充數(shù)據(jù)的時候另一塊將數(shù)據(jù)寫入閃存。這要

9、求在每8毫秒里寫入16KB的數(shù)據(jù),每次操作必須在下次操作之前完成。接下來的軟件技巧可以解決這個問題。數(shù)據(jù)寫入過程中最重要的延遲發(fā)生在集群分配時,在實時操作系統(tǒng)里這是個很大的問題,集群分配導(dǎo)致的死時間視情況不同可能高達(dá)數(shù)秒鐘。這個制作里使用集群預(yù)分配(寫入數(shù)據(jù)時用f-lseek函數(shù)申請一個比目前需要大很多的空間來避免寫入數(shù)據(jù)時進入分區(qū)表重新定位。每次寫入操作都包含一個用來結(jié)束操作的集群邊界條件。想象一下SD卡里的文件預(yù)先整理出一塊整齊的空間給數(shù)據(jù),這就避免了寫入數(shù)據(jù)過程中大量導(dǎo)致延遲的未知問題。盡管有這些用來盡可能減小死時間的方法,SD卡或多或少還有一些內(nèi)部處理時間。在挑選SD卡的時候需要挑寫入

10、速度盡可能快的SD卡。我在許多牌子之間做過比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn)東芝產(chǎn)SD卡有最小的寫入延遲,也有最穩(wěn)定的表現(xiàn)。3.3顯示圖像 由于獲得的圖像數(shù)據(jù)都是一維的線條,它不能像傳統(tǒng)平面成像的二維圖像一樣顯示。為了這個問題需要一些特別的顯示模式。其中一種是范圍視圖,輸入的圖像信號連接到Y(jié)軸,就像像示波器的輸入。Y軸信號表示亮度,X軸信號表示各點在線性傳感器上的位置。這個模式適于用來觀察感光度和聚焦情況。不同點之間數(shù)據(jù)的差距可以用來幫助對焦,當(dāng)圖像聚焦時,波形圖上產(chǎn)生許多峰谷,出現(xiàn)最大的峰峰值表明焦距已經(jīng)對上。這是現(xiàn)在數(shù)碼相機里自動對焦功能的原型。另外一種是卷動視圖,圖像向上卷動,新掃描到的圖像出現(xiàn)在屏幕底部。

11、這個模式能夠用來調(diào)整線分辨率。最后生成的二維圖像的高寬比決定于線分辨率和物體移動的速度。卷動視圖能夠展現(xiàn)出捕捉到的2D景象,但是如果被攝物體不移動就只剩下水平的線了,所以相機或者物體之一一定要在給定的運動速度下拍攝,這樣才能一邊觀察一邊調(diào)節(jié)線分辨率。4使用說明線性掃描相機的一般用途同膠片時代的狹縫相機類似。狹縫相機很容易在性能上擊敗線性掃描相機,它的感光顆粒直徑14um,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CCD中單元的直徑,意味著極好的分辨率。但是玩狹縫相機意味著你要足夠的取景,對焦,拍攝和沖印能力,非老鳥不能為。相機位置這個相機需要被固定在合適的角度,這樣物體所成的像可以掃過線性傳感器。比如說,但物體橫向移動或者橫方

12、向特別長的話,相機最好固定在線性傳感器處于垂直的位置。這個角度必須精確,否則拍出的圖片會出現(xiàn)類似平行四邊形的扭曲。調(diào)節(jié)焦距這個線性掃描相機由一個5向搖桿控制(上下左右和中鍵,向右按可以切換顯示模式(范圍模式或者卷動模式。首先,輸入信號的電平可以通過光圈或者增益控制(上下點擊。增益控制也可以通過左鍵自動調(diào)整。接下來,通過對焦環(huán)調(diào)節(jié)焦距直到信號的峰峰值最大。調(diào)整傳感器線分辨率在卷動模式下可以調(diào)節(jié)相機匹配傳感器線分辨率。調(diào)節(jié)直到屏幕上顯示的是正確的高寬比。傳感器線分辨率也可以通過物體移動的速度,物體離鏡頭的距離和焦距來計算,這略微有些誤差,但數(shù)字圖片是可以通過后期處理來修正的。當(dāng)然如果傳感器線分辨率實在太低的話,這個過程會損失一些信息。通常來說傳感器線分辨率高不是壞事,就是靈敏度可能低些。傳感器線分辨率影響曝光時間(靈敏度,所以輸入電平的增益需要和不同的線分辨率匹配。獲得圖像中間的按鈕用來開始/停止拍攝。按下按鈕