Utilisation d'une caméra avec un microcontrôleur
From Eric
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Les différentes caméras
On peut distinguer (au moins) deux catégories de caméras en fonction du type de signal de sortie :
- Les caméras à sortie vidéo analogique (PAL, SECAM, etc.),
- Les caméras à sortie numérique non USB
- Les caméras à sortie USB.
Il existe bien sûr d'autres critères de classification tel le type de capteur (CCD, CMOS, etc.), par exemple.
Caméra à sortie vidéo
Il s'agit de caméras dont la sortie est un signal vidéo composite (PAL, NTSC, SECAM) que l'on peut directement connecter à un écran, un magnétoscope ou tout autre équipement disposant de ce type d'entrée.
Ce sont les caméras les moins onéreuses puisqu'on en trouve à moins de 10€ sur ebay. Voici, par exemple, celle que j'utilise :
(Photo à insérer)
Le signal vidéo en sortie de ces caméras a la forme suivante :
(A compléter.)
La mise en oeuvre d'une telle caméra avec un microcontrôleur nécessite :
- l'extraction des signaux de début de ligne, début d'image ;
- une conversion analogique numérique suffisamment rapide (elle déterminera la résolution)
- un espace mémorie suffisamment grand pour stocker une image.
L'extraction des signaux de synchronisation peut se faire facilement grace au circuit [LM1881]qui fournit, à partir d'un signal vidéo, les signaux de synchronisation horizontal, vertical et de parité de ligne (entrelacement).
Ces signaux peuvent alors être utilisés par le microcontrôleur pour démarrer une séquence d'échantillonnage. La limite du procédé est évidemment liée à la vitesse du convertisseur analogique / numérique utilisé.
Voir la section concernant la connection de ce type de caméra sur un Atmega32 pour plus d'informations.
Caméra à sortie numérique non USB
Il s'agit de caméra dont la sortie est une image codée sous forme numérique. On trouve de telles caméras pour une dizaine d'euros.
Voici, par exemple, celle que j'utilise (Caméra OV7670 d'Omnivision placé sur une break-out board) ; il s'agit d'une caméra VGA (640x480 pixels). Il est important de noter que cette caméra doit être alimentée en 2.8V (la tension du coeur numérique, 1.8V, est obtenue par un régulateur intégré à partir de la tension VIO).
Cette caméra propose d'un nombre important de fonctions accessibles via un bus compatible I2C (SCCB). L'image, quant à elle, n'est pas accessible sur le port I2C : elle est transmise de façon autonome sur un bus parallèle rapide auquel il conviendra de connecter soit un microprocesseur suffisamment rapide pour acquérir les données, soit une mémoire tampon.
Cette mémoire tampon doit pouvoir être écrite d'un côté par la caméra et lue, de l'autre côté par le microcontrôleur. Cela assure, au moins, qu'une image pourra être traitée complètement avant acquisition de l'image suivante. La perte d'information porte sur les images successives, et non sur les pixels d'une image. A cette fin, j'utilise la mémoire AL422B [AL422B] produite par Avermedia.
A noter :
- En gros, on favorise la cohérence des pixels d'une image aux dépens de la latence minimale garantie entre un événement et son observation par la caméra.
- Avec un microcontrôleur type dsPic ou Arm7, il doit être possible d'échantillonner le signal vidéo sans perte (voir par exemple l'article <a compléter>). Cette solution impose dependant l'entière disponibilité du micro-contrôleur pendant la phase d'échantillonnage. En outre, je souhaite une solution aussi indépendante que possible des performances du microcontrôleur.
- On pourrait aussi utiliser directement de la DRAM (par ex. une barette de mémoire de PC, anciens modèles, dont mes tiroirs regorgent). Mais il faudrait alors générer les signaux de rafraîchissement, les signaux d'adresse, et gérer les accès multiples (quoique séquentiels)... Cette solution fera probablement l'objet d'une prochaine expérience...
La mémoire AL422B est une FIFO de 384K octets (3Mbits) à deux ports : un port d'écriture connecté à la caméra et un port de lecture connecté au microcontrôleur.
S'agissant d'une FIFO, cette mémoire n'a pas besoin qu'on lui fournisse l'adresse où stocker la donnée : celle-ci est simplement écrite en queue de la FIFO. La gestion des adresses est réalisée en interne par le composant. Il fournit cependant deux signaux de reset (en écriture et en lecture) pour repositionner le pointeur.
L'AL422B utilise une mémoire dynamique (DRAM) qui requiert donc un rafraîchissement périodique. Les signaux d'horloge en écriture (WCK) et en lecture (RCK) sont utilisés pour générer le signal de rafraîchissement de la mémoire (The faster one of WCK and RCK is used as the DRAM refresh timing clock). Ce signal doit avoir une fréquence d'au moins 1Mhz. Dans notre cas, la caméra fournit un signal vidéo permanent, cadencé par l'horloge PCLK (Pixel Clock). L'horloge PCLK fournissant le signal d'écriture en FIFO, il assure aussi le rafraîchissement de la RAM dynamique.
Dans cette configuration, la séquence d'opération est la suivante :
- le microcontôleur configure la caméra par le biais du bus I2C ;
- la caméra effectue l'acquisition vidéo et stocke l'image dans la FIFO ;
- le microcontrôleur attend la fin de la transmission ;
- le microcontrôleur récupère l'image dans la FIFO.
La caméra fournit les signaux nécessaires au pilotage direct de la FIFO :
- un signal d'horloge (pixel clock ou PCLK)
- un signal de synchronisation horizontale (HREF)
- un signal de synchronisation verticale (VSYNC)
- un bus de données de largeur 8 bits (D0 à D7)
La FIFO dispose quant à elle des signaux suivants (en entrée):
- Un bus de données de largeur 8 bits
- Un signal d'horloge en écriture (WCK). Si l'écriture est autorisée (signal WE actif), la donnée présente sur le bus est stockée en mémoire et le compteur interne (qui fournit l'adresse) est incrémenté. Le compteur peut être réinitialisé à zéro en activant le signal WRST (Write reset).
Voici le chronogramme d'accès en écriture de la FIFO :
Et voici le chronogramme de production des données par la caméra :
On constate que la caméra peut donc directement "piloter" la FIFO. Pour celà, il suffit de
- connecter les deux bus de données
- réaliser un ET logique entre le signal de synchronisation horizontale HREF et l'horloge pixel (PCLK) et connecter la sortie du ET à l'entrée WCK de la FIFO.
Le signal de synchronisation verticale, VSYNC, permet de détecter le début d'une image et, par conséquent, permet de générer le signal de reset de la FIFO (WRST).
Le schéma d'interconnexion est donné ci-après:
La AL422B ne permet pas la lecture d'une donnée immédiatement après son écriture : il faut attendre au moins 128 cycles de WCK pour être certain de lire une donnée récente. Ce comportement est du à la présence d'une mémoire cache statique au sein du composant.
Dans notre cas, nous pourrions espérer procéder ainsi :
- Le microcontrôleur réinitialise le pointeur d'écriture et de lecture.
- Le microcontrôleur demande l'acquisition d'une image ; l'image est stockée de façon autonome par la caméra. Après un délai correspondant à au moins 128 cycles de WCK, le microcontrôleur lit les données de la FIFO, les traite ou les transfère dans la mémoire centrale.
- Le cycle recommence.
Malheureusement, il n'est pas possible de demander à la caméra de ne réaliser qu'une image : celle-ci effectue ses acquisitions en boucle.
Une solution consiste à utiliser le signal "VSYNC" et à contrôler le signal WE (Write Enable) de sorte que, une fois le signal VSYNC reçu, on inhibe l'écriture en FIFO pour procéder à la lecture.
<A compléter>
Caméra à sortie numérique USB
Il s'agit de ce que l'on a coutume d'appeler "WebCam". Il s'agit en vérité d'une caméra à sortie numérique CCD ou CMOS (surtout) à laquelle est associé un composant d'interface USB.
Expérimentations
Connexion d'une caméra analogique à un ATMEGA / PIC
Le principe général est le suivant :
- L'extraction des signaux de synchronisation est réalisé par le composant LM<<A compléter>>.
- Les signaux de synchronisation sont délivrés au microcontrôleur qui les utilise pour démarrer une séquence de conversions analogique vers numérique
- Le délai minimum entre deux échantillonnages détermine la résolution de la caméra. Dans le cas où ce délai est trop important, on peut jouer sur le décalage initial entre l'occurrence de l'événement "début de ligne" et le premier échantillon pour améliorer la résolution spatiale. Ceci se fait naturellement aux dépens de la résolution temporelle puisqu'il faudra échantillonner plusieurs fois une même ligne n pour obtenir une résolution suffisante sur cette ligne.
A compléter
Connexion d'une caméra numérique à un Cortex M3
La caméra utilisée est un modèle OV7670 d'Omnivision. La FIFO est le modèle AL422B d'Avermedia qui intègre gentillement de la DRAM avec sa logique de rafraîchissement. (J'aurais probablement pu utiliser une mémoire plus classique, type DRAM voire SDRAM, mais c'est plus lourd. A voir... )
A compléter
Connexion d'une WebCam à un Cortex M3
En cours d'investigation : ceci requiert la présence d'un host USB, ce qui nécessite une prise en compte matérielle.
A compléter
