K230基础-摄像头基本原理
1. 摄像头基本原理
1.1 摄像头是什么？
摄像头（Camera Module）是一种将光学图像转换为电子信号的传感器设备。它通过镜头聚焦光线到图像传感器上，再由模数转换器（ADC）将光信号转换为数字图像数据。
- 核心组件：
- 镜头（Lens）：聚焦光线
- 图像传感器（Image Sensor）：CMOS 或 CCD，负责光电转换
- ISP（Image Signal Processor）：图像信号处理（部分模组集成）
- 输出接口：DVP、MIPI、USB 等
⚠️ 注意：我们通常说的“摄像头”是指 摄像头模组（Camera Module），而非整个相机系统。
2. 常见图像传感器接口
2.1 DVP（Digital Video Port）
- 并行接口，使用多根数据线（8~12 位） + 控制线
- 信号线包括：
PCLK：像素时钟VSYNC：帧同步（垂直同步）HSYNC：行同步（水平同步）D[0:7]：8 位数据线XCLK：输入时钟（由主控提供）
✅ 优点：接口简单，易于 FPGA/MCU 驱动
❌ 缺点：引脚多，速率较低（通常 ≤ 48MHz PCLK）
📌 典型传感器：OV2640、OV7670、GC0308
2.2 MIPI CSI-2（Mobile Industry Processor Interface）
- 串行差分接口，使用一对或多对 Lane（数据通道）
- 支持高速传输（可达 Gbps 级）
- 需要专用 MIPI 接口，硬件复杂
✅ 优点：高速、低功耗、引脚少
❌ 缺点：需要支持 MIPI 的 SoC（如 K230 支持）
📌 典型应用：手机摄像头、嵌入式 AI 视觉模组
2.3 USB 接口（UVC 摄像头）
- 使用标准 USB 接口传输视频流
- 遵循 UVC（USB Video Class）协议
- 即插即用，无需专用图像接口
✅ 优点：兼容性好，支持高分辨率
❌ 缺点：依赖 USB 协议栈，资源占用高
📌 典型设备：USB 摄像头（如 Logitech C270）
3. 图像传感器关键参数
| 参数 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| 分辨率 | 图像大小（宽 × 高） | 320×240、640×480、1920×1080 |
| 像素格式 | 原始数据格式 | RGB565、YUV、JPEG、Bayer RAW |
| 帧率（FPS） | 每秒传输帧数 | 15fps、30fps、60fps |
| 感光元件尺寸 | 传感器物理尺寸 | 1/4"、1/3"、1/2.7" |
| 像素大小 | 单个像素尺寸（μm） | 2.8μm、3.75μm |
| 自动功能 | 自动曝光（AE）、自动白平衡（AWB）等 | 可软件控制 |
📌 常见传感器对比：
| 传感器 | 分辨率 | 接口 | 像素格式 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| OV2640 | 1600×1200 | DVP | JPEG/YUV/RGB | 支持 JPEG 编码，适合嵌入式 |
| OV7670 | 640×480 | DVP | RGB/YUV/Bayer | 经典入门级 |
| GC0308 | 640×480 | DVP | YUV | 低成本黑白/彩色 |
| IMX219 | 1920×1080 | MIPI | RAW/Bayer | 高清，树莓派摄像头 |
| AR0135 | 1280×964 | MIPI/DVP | RAW | 工业级，低光性能好 |
4. K230 摄像头支持能力
4.1 硬件接口
K230 SoC 内置 DVP + MIPI 双接口，可直接连接摄像头模组：
- DVP 接口：支持 8~10 位数据宽，最高 PCLK 可达 100MHz
- MIPI 接口：支持 1~2 Lane，可接高清摄像头
✅ 开发板说明：
多数 K230 开发板（如 CanMV-K230）提供 DVP 接口连接座，兼容 OV2640 等模组。
4.2 图像处理单元（ISP）
K230 集成 硬件 ISP（Image Signal Processor），支持：
- 自动曝光（AE）
- 自动白平衡（AWB）
- 伽马校正
- 噪声抑制
- 图像缩放与裁剪
💡 优势：减轻 CPU 负担，提升图像质量。
5. 摄像头通信协议：I2C 配置 + DVP 数据流
摄像头通常采用 双总线架构：
5.1 I2C 总线：配置传感器寄存器
- 地址：通常为
0x60（OV2640）或0x21（OV7670） - 功能：设置分辨率、帧率、亮度、对比度、图像格式等
- 使用标准 I2C 接口配置
# 示例：通过 I2C 配置摄像头（内部自动完成）
import sensor
sensor.reset()
sensor.set_pixformat(sensor.RGB565)
sensor.set_framesize(sensor.QVGA)
5.2 DVP 总线：传输图像数据
- 并行数据线（D0~D7）
- 同步信号：PCLK、VSYNC、HSYNC
- 数据由摄像头主动输出，K230 使用 FIFO 或 DMA 接收
📌 K230 内部结构：
摄像头 → DVP → FIFO 缓冲 → 图像内存（DDR）→ 应用处理
6. MicroPython 中的摄像头支持（CanMV 风格）
K230 上的 MicroPython 移植（如 CanMV 固件）通常提供 sensor 模块：
import sensor
import image
import time
6.1 sensor 模块核心函数
| 函数 | 说明 |
|---|---|
sensor.reset() | 复位摄像头 |
sensor.set_pixformat(fmt) | 设置像素格式（如 sensor.RGB565） |
sensor.set_framesize(size) | 设置分辨率（如 sensor.QVGA） |
sensor.skip_frames(n) | 跳过前 n 帧（等待稳定） |
sensor.snapshot() | 拍摄一帧图像，返回 image 对象 |
sensor.set_contrast() | 设置对比度 |
sensor.set_brightness() | 设置亮度 |
sensor.set_auto_gain() | 自动增益控制 |
sensor.set_auto_whitebal() | 自动白平衡 |
6.2 常见帧尺寸定义
| 名称 | 分辨率 | 说明 |
|---|---|---|
sensor.QQCIF | 88×72 | 超小 |
sensor.QQVGA | 80×60 | 低分辨率 |
sensor.QCIF | 176×144 | |
sensor.QVGA | 320×240 | 推荐用于 AI 推理 |
sensor.VGA | 640×480 | 高清 |
sensor.SVGA | 800×600 | |
sensor.XGA | 1024×768 | |
sensor.HD | 1280×720 |
7. 实战：摄像头初始化与图像捕获
📌 注意：
sensor.snapshot()返回的是内存中的图像对象，不自动显示。要显示需配合 LCD 屏或通过串口/网络传输。
8. 图像格式详解
8.1 RGB565
- 每像素 16 位：R(5) + G(6) + B(5)
- 常用于 TFT 显示和图像处理
- 内存占用：320×240×2 = 150KB
8.2 YUV
- 亮度 + 色度分离，适合视频压缩
- 常见 YUV422、YUV420
8.3 JPEG
- 摄像头内部压缩，大幅降低数据量
- 适合存储和传输
- K230 支持硬件 JPEG 解码
9. 常见问题与调试
❌ 问题1：sensor.reset() 失败
排查：
- 摄像头是否正确插入 DVP 接口？
- 电源是否正常（摄像头通常需 3.3V）
- 是否使用支持的传感器（如 OV2640）
❌ 问题2：图像花屏或颜色异常
解决：
- 检查 DVP 数据线是否接触良好
- 降低 PCLK 频率（修改驱动或使用低分辨率）
- 检查时序配置
❌ 问题3：帧率过低
优化：
- 使用更小分辨率（如 QQVGA）
- 使用 JPEG 格式减少数据量
- 减少图像处理操作
10. K230 摄像头开发建议
✅ 推荐流程：
- 使用 DVP 接口连接 OV2640 模组
- 用
sensor模块初始化 - 设置
QVGA+RGB565或JPEG - 配合 KPU 进行 AI 推理（如人脸识别）
- 结合 LCD 或 UART/网络输出结果
✅ 典型应用：
- 智能门禁（人脸/二维码识别）
- 工业缺陷检测
- 智能农业（植物生长监测）
- 教育实验（图像处理、机器学习）