1 摄像头
在各类信息中，图像含有最丰富的信息，作为机器视觉领域的核心部件，摄像头被广泛地应用在安防、探险以及车牌检测等场合。摄像头按输出信号的类型来看可以分为数字摄像头和模拟摄像头，按照摄像头图像传感器材料构成来看可以分为CCD和CMOS。现在智能手机的摄像头绝大部分都是CMOS类型的数字摄像头。
1.1 数字摄像头跟模拟摄像头区别
输出信号类型
数字摄像头输出信号为数字信号，模拟摄像头输出信号为标准的模拟信号。
接口类型
数字摄像头有USB接口(比如常见的PC端免驱摄像头)、IEE1394火线接口(由苹果公司领导的开发联盟开发的一种高速度传送接口，数据传输率高达800Mbps)、千兆网接口（网络摄像头）。模拟摄像头多采用AV视频端子（信号线+地线）或S-VIDEO（即莲花头--SUPER VIDEO，是一种五芯的接口，由两路视频亮度信号、两路视频色度信号和一路公共屏蔽地线共五条芯线组成）。
分辨率
模拟摄像头的感光器件，其像素指标一般维持在752(H)*582(V)左右的水平，像素数一般情况下维持在41万左右。现在的数字摄像头分辨率一般从数十万到数千万。但这并不能说明数字摄像头的成像分辨率就比模拟摄像头的高，原因在于模拟摄像头输出的是模拟视频信号，一般直接输入至电视或监视器，其感光器件的分辨率与电视信号的扫描数呈一定的换算关系，图像的显示介质已经确定，因此模拟摄像头的感光器件分辨率不是不能做高，而是依据于实际情况没必要做这么高。
1.2 CCD与CMOS的区别
摄像头的图像传感器CCD与CMOS传感器主要区别如下：
成像材料
CCD与CMOS的名称跟它们成像使用的材料有关，CCD是"电荷耦合器件"(Charge Coupled Device)的简称，而CMOS是"互补金属氧化物半导体"(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的简称。
功耗
由于CCD的像素由MOS电容构成，读取电荷信号时需使用电压相当大(至少12V)的二相或三相或四相时序脉冲信号，才能有效地传输电荷。因此CCD的取像系统除了要有多个电源外，其外设电路也会消耗相当大的功率。有的CCD取像系统需消耗2~5W的功率。而CMOS光电传感器件只需使用一个单电源5V或3V，耗电量非常小，仅为CCD的1/8~1/10，有的CMOS取像系统只消耗20~50mW的功率。
成像质量
CCD传感器件制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅(sio2)隔离层隔离噪声，所以噪声低，成像质量好。与CCD相比，CMOS的主要缺点是噪声高及灵敏度低，不过现在随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS传感器件提供了良好的条件，现在的CMOS传感器已经占领了大部分的市场，主流的单反相机、智能手机都已普遍采用CMOS传感器。
2 OV5640摄像头
本章主要讲解实验板配套的摄像头，它的实物见图 461，该摄像头主要由镜头、图像传感器、板载电路及下方的信号引脚组成。
图 461 实验板配套的OV5640摄像头
镜头部件包含一个镜头座和一个可旋转调节距离的凸透镜，通过旋转可以调节焦距，正常使用时，镜头座覆盖在电路板上遮光，光线只能经过镜头传输到正中央的图像传感器，它采集光线信号，然后把采集得的数据通过下方的信号引脚输出数据到外部器件。
2.1 OV5640传感器简介
图像传感器是摄像头的核心部件，上述摄像头中的图像传感器是一款型号为OV5640的CMOS类型数字图像传感器。该传感器支持输出最大为500万像素的图像 (2592x1944分辨率)，支持使用VGA时序输出图像数据，输出图像的数据格式支持YUV(422/420)、YCbCr422、RGB565以及JPEG格式，若直接输出JPEG格式的图像时可大大减少数据量，方便网络传输。它还可以对采集得的图像进行补偿，支持伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等基础处理。根据不同的分辨率配置，传感器输出图像数据的帧率从15-60帧可调，工作时功率在150mW-200mW之间。
2.2 OV5640引脚及功能框图
OV5640模组带有自动对焦功能，引脚的定义见图 462。
图 462 OV5640传感器引脚分布图
信号引脚功能介绍如下，介绍如下表 461。
表 461 OV5640管脚
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管脚名称 |
管脚类型 |
管脚描述 |
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SIO_C |
输入 |
SCCB总线的时钟线，可类比I2C的SCL |
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SIO_D |
I/O |
SCCB总线的数据线，可类比I2C的SDA |
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RESET |
输入 |
系统复位管脚，低电平有效 |
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PWDN |
输入 |
掉电/省电模式，高电平有效 |
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HREF |
输出 |
行同步信号 |
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VSYNC |
输出 |
帧同步信号 |
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PCLK |
输出 |
像素同步时钟输出信号 |
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XCLK |
输入 |
外部时钟输入端口，可接外部晶振 |
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Y2…Y9 |
输出 |
像素数据输出端口 |
下面我们配合图 463中的OV5640功能框图讲解这些信号引脚。
图 463 OV5640功能框图
(5) 控制寄存器
标号处的是OV5640的控制寄存器，它根据这些寄存器配置的参数来运行，而这些参数是由外部控制器通过SIO_C和SIO_D引脚写入的，SIO_C与SIO_D使用的通讯协议跟I2C十分类似，在STM32中我们完全可以直接用I2C硬件外设来控制。
(6) 通信、控制信号及时钟
标号处包含了OV5640的通信、控制信号及外部时钟，其中PCLK、HREF及VSYNC分别是像素同步时钟、行同步信号以及帧同步信号，这与液晶屏控制中的信号是很类似的。RESETB引脚为低电平时，用于复位整个传感器芯片，PWDN用于控制芯片进入低功耗模式。注意最后的一个XCLK引脚，它跟PCLK是完全不同的，XCLK是用于驱动整个传感器芯片的时钟信号，是外部输入到OV5640的信号；而PCLK是OV5640输出数据时的同步信号，它是由OV5640输出的信号。XCLK可以外接晶振或由外部控制器提供，若要类比XCLK之于OV5640就相当于HSE时钟输入引脚与STM32芯片的关系，PCLK引脚可类比STM32的I2C外设的SCL引脚。
(7) 感光矩阵
标号处的是感光矩阵，光信号在这里转化成电信号，经过各种处理，这些信号存储成由一个个像素点表示的数字图像。
(8) 数据输出信号
标号处包含了DSP处理单元，它会根据控制寄存器的配置做一些基本的图像处理运算。这部分还包含了图像格式转换单元及压缩单元，转换出的数据最终通过Y0-Y9引脚输出，一般来说我们使用8根据数据线来传输，这时仅使用Y2-Y9引脚，OV5640与外部器件的连接方式见图 464。
图 464 8位数据线接法
(9) 数据输出信号
标号⑤处为VCM处理单元，他会通过图像分析来实现图像的自动对焦功能。要实现自动对焦还需要下载自动对焦固件到模组，后面摄像头实验详细介绍这个功能。
46.2.3 SCCB时序
外部控制器对OV5640寄存器的配置参数是通过SCCB总线传输过去的，而SCCB总线跟I2C十分类似，所以在STM32驱动中我们直接使用片上I2C外设与它通讯。SCCB与标准的I2C协议的区别是它每次传输只能写入或读取一个字节的数据，而I2C协议是支持突发读写的，即在一次传输中可以写入多个字节的数据(EEPROM中的页写入时序即突发写)。关于SCCB协议的完整内容可查看配套资料里的《SCCB协议》文档，下面我们简单介绍下。
SCCB的起始、停止信号及数据有效性
SCCB的起始信号、停止信号及数据有效性与I2C完全一样，见图 465及图 466。
起始信号：在SIO_C为高电平时，SIO_D出现一个下降沿，则SCCB开始传输。
停止信号：在SIO_C为高电平时，SIO_D出现一个上升沿，则SCCB停止传输。
数据有效性：除了开始和停止状态，在数据传输过程中，当SIO_C为高电平时，必须保证SIO_D上的数据稳定，也就是说，SIO_D上的电平变换只能发生在SIO_C为低电平的时候，SIO_D的信号在SIO_C为高电平时被采集。
图 465 SCCB停止信号
图 466 SCCB的数据有效性
SCCB数据读写过程
在SCCB协议中定义的读写操作与I2C也是一样的，只是换了一种说法。它定义了两种写操作，即三步写操作和两步写操作。三步写操作可向从设备的一个目的寄存器中写入数据，见图 467。在三步写操作中，第一阶段发送从设备的ID地址+W标志(等于I2C的设备地址：7位设备地址+读写方向标志)，第二阶段发送从设备目标寄存器的16位地址，第三阶段发送要写入寄存器的8位数据。图中的"X"数据位可写入1或0，对通讯无影响。
图 467 SCCB的三步写操作
而两步写操作没有第三阶段，即只向从器件传输了设备ID+W标志和目的寄存器的地址，见图 468。两步写操作是用来配合后面的读寄存器数据操作的，它与读操作一起使用，实现I2C的复合过程。
图 468 SCCB的两步写操作
两步读操作，它用于读取从设备目的寄存器中的数据，见图 469。在第一阶段中发送从设备的设备ID+R标志(设备地址+读方向标志)和自由位，在第二阶段中读取寄存器中的8位数据和写NA 位(非应答信号)。由于两步读操作没有确定目的寄存器的地址，所以在读操作前，必需有一个两步写操作，以提供读操作中的寄存器地址。
图 469 SCCB的两步读操作
可以看到，以上介绍的SCCB特性都与I2C无区别，而I2C比SCCB还多出了突发读写的功能，所以SCCB可以看作是I2C的子集，我们完全可以使用STM32的I2C外设来与OV5640进行SCCB通讯。
46.2.4 OV5640的寄存器
控制OV5640涉及到它很多的寄存器，可直接查询《ov5640datasheet》了解，通过这些寄存器的配置，可以控制它输出图像的分辨率大小、图像格式及图像方向等。要注意的是OV5640寄存器地址为16位。
官方还提供了一个《OV5640_自动对焦照相模组应用指南(DVP_接口)__R2.13C.pdf》的文档，它针对不同的配置需求，提供了配置范例，见图 4610。其中write_SCCB是一个利用SCCB向寄存器写入数据的函数，第一个参数为要写入的寄存器的地址，第二个参数为要写入的内容。
图 4610 调节帧率的寄存器配置范例
46.2.5 像素数据输出时序
对OV5640采用SCCB协议进行控制，而它输出图像时则使用VGA时序(还可用SVGA、UXGA，这些时序都差不多)，这跟控制液晶屏输入图像时很类似。OV5640输出图像时，一帧帧地输出，在帧内的数据一般从左到右，从上到下，一个像素一个像素地输出(也可通过寄存器修改方向)，见图 4611。
图 4611 摄像头数据输出
例如，图 4612，若我们使用Y2-Y9数据线，图像格式设置为RGB565，进行数据输出时，Y2-Y9数据线会在1个像素同步时钟PCLK的驱动下发送1字节的数据信号，所以2个PCLK时钟可发送1个RGB565格式的像素数据。像素数据依次传输，每传输完一行数据时，行同步信号HREF会输出一个电平跳变信号，每传输完一帧图像时，VSYNC会输出一个电平跳变信号。
图 4612 DVP接口时序