1 攝像頭
在各類信息中，圖像含有最豐富的信息，作為機器視覺領域的核心部件，攝像頭被廣泛地應用在安防、探險以及車牌檢測等場合。攝像頭按輸出信號的類型來看可以分為數字攝像頭和模擬攝像頭，按照攝像頭圖像傳感器材料構成來看可以分為CCD和CMOS。現在智能手機的攝像頭絕大部分都是CMOS類型的數字攝像頭。
1.1 數字攝像頭跟模擬攝像頭區別
輸出信號類型
數字攝像頭輸出信號為數字信號，模擬攝像頭輸出信號為標准的模擬信號。
接口類型
數字攝像頭有USB接口(比如常見的PC端免驅攝像頭)、IEE1394火線接口(由蘋果公司領導的開發聯盟開發的一種高速度傳送接口，數據傳輸率高達800Mbps)、千兆網接口（網絡攝像頭）。模擬攝像頭多采用AV視頻端子（信號線+地線）或S-VIDEO（即蓮花頭--SUPER VIDEO，是一種五芯的接口，由兩路視頻亮度信號、兩路視頻色度信號和一路公共屏蔽地線共五條芯線組成）。
分辨率
模擬攝像頭的感光器件，其像素指標一般維持在752(H)*582(V)左右的水平，像素數一般情況下維持在41萬左右。現在的數字攝像頭分辨率一般從數十萬到數千萬。但這並不能說明數字攝像頭的成像分辨率就比模擬攝像頭的高，原因在於模擬攝像頭輸出的是模擬視頻信號，一般直接輸入至電視或監視器，其感光器件的分辨率與電視信號的掃描數呈一定的換算關系，圖像的顯示介質已經確定，因此模擬攝像頭的感光器件分辨率不是不能做高，而是依據於實際情況沒必要做這么高。
1.2 CCD與CMOS的區別
攝像頭的圖像傳感器CCD與CMOS傳感器主要區別如下：
成像材料
CCD與CMOS的名稱跟它們成像使用的材料有關，CCD是"電荷耦合器件"(Charge Coupled Device)的簡稱，而CMOS是"互補金屬氧化物半導體"(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的簡稱。
功耗
由於CCD的像素由MOS電容構成，讀取電荷信號時需使用電壓相當大(至少12V)的二相或三相或四相時序脈沖信號，才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像系統除了要有多個電源外，其外設電路也會消耗相當大的功率。有的CCD取像系統需消耗2~5W的功率。而CMOS光電傳感器件只需使用一個單電源5V或3V，耗電量非常小，僅為CCD的1/8~1/10，有的CMOS取像系統只消耗20~50mW的功率。
成像質量
CCD傳感器件制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅(sio2)隔離層隔離噪聲，所以噪聲低，成像質量好。與CCD相比，CMOS的主要缺點是噪聲高及靈敏度低，不過現在隨着CMOS電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度優質的CMOS傳感器件提供了良好的條件，現在的CMOS傳感器已經占領了大部分的市場，主流的單反相機、智能手機都已普遍采用CMOS傳感器。
2 OV5640攝像頭
本章主要講解實驗板配套的攝像頭，它的實物見圖 461，該攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感器、板載電路及下方的信號引腳組成。
圖 461 實驗板配套的OV5640攝像頭
鏡頭部件包含一個鏡頭座和一個可旋轉調節距離的凸透鏡，通過旋轉可以調節焦距，正常使用時，鏡頭座覆蓋在電路板上遮光，光線只能經過鏡頭傳輸到正中央的圖像傳感器，它采集光線信號，然后把采集得的數據通過下方的信號引腳輸出數據到外部器件。
2.1 OV5640傳感器簡介
圖像傳感器是攝像頭的核心部件，上述攝像頭中的圖像傳感器是一款型號為OV5640的CMOS類型數字圖像傳感器。該傳感器支持輸出最大為500萬像素的圖像 (2592x1944分辨率)，支持使用VGA時序輸出圖像數據，輸出圖像的數據格式支持YUV(422/420)、YCbCr422、RGB565以及JPEG格式，若直接輸出JPEG格式的圖像時可大大減少數據量，方便網絡傳輸。它還可以對采集得的圖像進行補償，支持伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等基礎處理。根據不同的分辨率配置，傳感器輸出圖像數據的幀率從15-60幀可調，工作時功率在150mW-200mW之間。
2.2 OV5640引腳及功能框圖
OV5640模組帶有自動對焦功能，引腳的定義見圖 462。
圖 462 OV5640傳感器引腳分布圖
信號引腳功能介紹如下，介紹如下表 461。
表 461 OV5640管腳
| 管腳名稱 |
管腳類型 |
管腳描述 |
| SIO_C |
輸入 |
SCCB總線的時鍾線，可類比I2C的SCL |
| SIO_D |
I/O |
SCCB總線的數據線，可類比I2C的SDA |
| RESET |
輸入 |
系統復位管腳，低電平有效 |
| PWDN |
輸入 |
掉電/省電模式，高電平有效 |
| HREF |
輸出 |
行同步信號 |
| VSYNC |
輸出 |
幀同步信號 |
| PCLK |
輸出 |
像素同步時鍾輸出信號 |
| XCLK |
輸入 |
外部時鍾輸入端口，可接外部晶振 |
| Y2…Y9 |
輸出 |
像素數據輸出端口 |
下面我們配合圖 463中的OV5640功能框圖講解這些信號引腳。
圖 463 OV5640功能框圖
(5) 控制寄存器
標號處的是OV5640的控制寄存器，它根據這些寄存器配置的參數來運行，而這些參數是由外部控制器通過SIO_C和SIO_D引腳寫入的，SIO_C與SIO_D使用的通訊協議跟I2C十分類似，在STM32中我們完全可以直接用I2C硬件外設來控制。
(6) 通信、控制信號及時鍾
標號處包含了OV5640的通信、控制信號及外部時鍾，其中PCLK、HREF及VSYNC分別是像素同步時鍾、行同步信號以及幀同步信號，這與液晶屏控制中的信號是很類似的。RESETB引腳為低電平時，用於復位整個傳感器芯片，PWDN用於控制芯片進入低功耗模式。注意最后的一個XCLK引腳，它跟PCLK是完全不同的，XCLK是用於驅動整個傳感器芯片的時鍾信號，是外部輸入到OV5640的信號；而PCLK是OV5640輸出數據時的同步信號，它是由OV5640輸出的信號。XCLK可以外接晶振或由外部控制器提供，若要類比XCLK之於OV5640就相當於HSE時鍾輸入引腳與STM32芯片的關系，PCLK引腳可類比STM32的I2C外設的SCL引腳。
(7) 感光矩陣
標號處的是感光矩陣，光信號在這里轉化成電信號，經過各種處理，這些信號存儲成由一個個像素點表示的數字圖像。
(8) 數據輸出信號
標號處包含了DSP處理單元，它會根據控制寄存器的配置做一些基本的圖像處理運算。這部分還包含了圖像格式轉換單元及壓縮單元，轉換出的數據最終通過Y0-Y9引腳輸出，一般來說我們使用8根據數據線來傳輸，這時僅使用Y2-Y9引腳，OV5640與外部器件的連接方式見圖 464。
圖 464 8位數據線接法
(9) 數據輸出信號
標號⑤處為VCM處理單元，他會通過圖像分析來實現圖像的自動對焦功能。要實現自動對焦還需要下載自動對焦固件到模組，后面攝像頭實驗詳細介紹這個功能。
46.2.3 SCCB時序
外部控制器對OV5640寄存器的配置參數是通過SCCB總線傳輸過去的，而SCCB總線跟I2C十分類似，所以在STM32驅動中我們直接使用片上I2C外設與它通訊。SCCB與標准的I2C協議的區別是它每次傳輸只能寫入或讀取一個字節的數據，而I2C協議是支持突發讀寫的，即在一次傳輸中可以寫入多個字節的數據(EEPROM中的頁寫入時序即突發寫)。關於SCCB協議的完整內容可查看配套資料里的《SCCB協議》文檔，下面我們簡單介紹下。
SCCB的起始、停止信號及數據有效性
SCCB的起始信號、停止信號及數據有效性與I2C完全一樣，見圖 465及圖 466。
起始信號：在SIO_C為高電平時，SIO_D出現一個下降沿，則SCCB開始傳輸。
停止信號：在SIO_C為高電平時，SIO_D出現一個上升沿，則SCCB停止傳輸。
數據有效性：除了開始和停止狀態，在數據傳輸過程中，當SIO_C為高電平時，必須保證SIO_D上的數據穩定，也就是說，SIO_D上的電平變換只能發生在SIO_C為低電平的時候，SIO_D的信號在SIO_C為高電平時被采集。
圖 465 SCCB停止信號
圖 466 SCCB的數據有效性
SCCB數據讀寫過程
在SCCB協議中定義的讀寫操作與I2C也是一樣的，只是換了一種說法。它定義了兩種寫操作，即三步寫操作和兩步寫操作。三步寫操作可向從設備的一個目的寄存器中寫入數據，見圖 467。在三步寫操作中，第一階段發送從設備的ID地址+W標志(等於I2C的設備地址：7位設備地址+讀寫方向標志)，第二階段發送從設備目標寄存器的16位地址，第三階段發送要寫入寄存器的8位數據。圖中的"X"數據位可寫入1或0，對通訊無影響。
圖 467 SCCB的三步寫操作
而兩步寫操作沒有第三階段，即只向從器件傳輸了設備ID+W標志和目的寄存器的地址，見圖 468。兩步寫操作是用來配合后面的讀寄存器數據操作的，它與讀操作一起使用，實現I2C的復合過程。
圖 468 SCCB的兩步寫操作
兩步讀操作，它用於讀取從設備目的寄存器中的數據，見圖 469。在第一階段中發送從設備的設備ID+R標志(設備地址+讀方向標志)和自由位，在第二階段中讀取寄存器中的8位數據和寫NA 位(非應答信號)。由於兩步讀操作沒有確定目的寄存器的地址，所以在讀操作前，必需有一個兩步寫操作，以提供讀操作中的寄存器地址。
圖 469 SCCB的兩步讀操作
可以看到，以上介紹的SCCB特性都與I2C無區別，而I2C比SCCB還多出了突發讀寫的功能，所以SCCB可以看作是I2C的子集，我們完全可以使用STM32的I2C外設來與OV5640進行SCCB通訊。
46.2.4 OV5640的寄存器
控制OV5640涉及到它很多的寄存器，可直接查詢《ov5640datasheet》了解，通過這些寄存器的配置，可以控制它輸出圖像的分辨率大小、圖像格式及圖像方向等。要注意的是OV5640寄存器地址為16位。
官方還提供了一個《OV5640_自動對焦照相模組應用指南(DVP_接口)__R2.13C.pdf》的文檔，它針對不同的配置需求，提供了配置范例，見圖 4610。其中write_SCCB是一個利用SCCB向寄存器寫入數據的函數，第一個參數為要寫入的寄存器的地址，第二個參數為要寫入的內容。
圖 4610 調節幀率的寄存器配置范例
46.2.5 像素數據輸出時序
對OV5640采用SCCB協議進行控制，而它輸出圖像時則使用VGA時序(還可用SVGA、UXGA，這些時序都差不多)，這跟控制液晶屏輸入圖像時很類似。OV5640輸出圖像時，一幀幀地輸出，在幀內的數據一般從左到右，從上到下，一個像素一個像素地輸出(也可通過寄存器修改方向)，見圖 4611。
圖 4611 攝像頭數據輸出
例如，圖 4612，若我們使用Y2-Y9數據線，圖像格式設置為RGB565，進行數據輸出時，Y2-Y9數據線會在1個像素同步時鍾PCLK的驅動下發送1字節的數據信號，所以2個PCLK時鍾可發送1個RGB565格式的像素數據。像素數據依次傳輸，每傳輸完一行數據時，行同步信號HREF會輸出一個電平跳變信號，每傳輸完一幀圖像時，VSYNC會輸出一個電平跳變信號。
圖 4612 DVP接口時序