Wie erkenne ich Objekte mit Kamera im 8051 Mikrocontroller?

Das Erkennen von Objekten mit einem 8051-Mikrocontroller und einer Kamera ist eine anspruchsvolle, aber faszinierende Aufgabe. Sie bringt die Grenzen dessen, wofür der 8051 entwickelt wurde, an ihre Spitze.

Die Grundidee ist, Bilddaten von einer Kamera zu erfassen, sie zu verarbeiten, um unterscheidende Merkmale eines Objekts (wie Farbe oder Kontrast) zu finden, und dann basierend darauf eine Entscheidung zu treffen.

Hier ist eine Schritt-für-Schritt-Anleitung, von den einfachsten zu komplexeren Methoden.

Die Große Herausforderung: Grenzen des 8051

Zuerst müssen die Einschränkungen verstanden werden:

• Sehr geringe Rechenleistung: Der 8051 ist ein 8-Bit-Mikrocontroller mit einer Taktrate typischerweise im Bereich von 10-20 MHz. Er ist nicht für komplexe Bildverarbeitungsalgorithmen wie moderne KI/ML-Modelle geeignet.

• Begrenzter RAM: Die meisten 8051-Varianten haben nur 256 Byte internen RAM. Dies ist bei Weitem nicht genug, um ein vollständiges Bild (was Kilobyte erfordert) zu speichern.

• Keine native Kamera-Schnittstelle: Dem 8051 fehlen dedizierte Schnittstellen wie DCMI (Digital Camera Interface), die in modernen ARM-MCUs zu finden sind.

Aufgrund dieser Einschränkungen kann keine moderne Hochauflösungskamera wie in Smartphones verwendet werden. Es muss eine einfache, niedrigauflösende Kamera verwendet werden.

Empfohlene Hardware-Ausstattung

Der praktikabelste Ansatz ist die Verwendung eines seriellen Kameramoduls, das einen eigenen internen Bildprozessor hat.

1. Mikrocontroller: Eine 8051-Variante (z.B. AT89S52, P89V51RD2). Eine verbesserte 8051-Version mit mehr RAM oder einer höheren Taktfrequenz ist sehr zu empfehlen.

2. Kameramodul: VC0706 oder OV7670 (mit einem FIFO-Chip). Dies sind die beiden gebräuchlichsten Optionen.

Für einen 8051 ist der VC0706 eindeutig die bessere Wahl.

Systemblockdiagramm

[VC0706 Kameramodul] <---UART---> [8051 Mikrocontroller] <---I/O-Pins---> [LEDs / Summer / LCD]
                                      |
                                      |
                                  [Stromversorgung]

Schritt-für-Schritt-Anleitung mit VC0706

Der Prozess beinhaltet Kommunikation, keine Echtzeit-Pixelverarbeitung.

Schritt 1: Kommunikation mit der Kamera

Der VC0706 verwendet ein einfaches serielles Protokoll. Man sendet ein Befehls-Paket und erhält ein Daten-Paket zurück.

• Befehlsbeispiel: 0x56 0x00 0x36 0x01 0x00 (Bilderfassung anhalten)

• Der UART des 8051 wird verwendet, um diese Befehle zu senden und Antworten zu empfangen.

Schritt 2: Erfassen eines Bildes

1. Sende den "Bildgröße setzen" Befehl, um eine niedrige Auflösung einzustellen (z.B. 160x120 oder 320x240). Niedrigere Auflösung bedeutet schnellere Übertragung und einfachere Verarbeitung.

2. Sende den "Bild aufnehmen" Befehl.

3. Sende den "Bildgröße abfragen" Befehl, um zu wissen, wie viele JPEG-Datenbytes gelesen werden müssen.

4. Sende den "Bilddaten lesen" Befehl, um die JPEG-Bilddaten über den UART zu empfangen.

Schritt 3: "Erkennen" eines Objekts anhand von Größe/Farbe (Vereinfacht)

Da der 8051 ein JPEG-Bild nicht decodieren kann, ist ein cleverer Trick erforderlich. Die entscheidende Erkenntnis ist, dass die Größe (in Bytes) eines JPEG-Bildes auf die Anwesenheit eines Objekts hinweisen kann.

1. Nimm ein Referenzbild des Hintergrunds (ohne das Objekt) und speichere seine Dateigröße. Nennen wir sie size_background.

2. Nimm ein neues Bild auf und ermittle seine Dateigröße, size_current.

3. Vergleiche die Größen:

   • Wenn size_current deutlich größer ist als size_background, bedeutet das, die Szene hat mehr Details/Kanten/Farbveränderungen. Dies deutet stark auf die Anwesenheit eines Objekts hin.

   • Warum das funktioniert: Ein einfarbiger Hintergrund lässt sich zu einer sehr kleinen JPEG-Datei komprimieren. Wenn ein komplexes Objekt hinzukommt, kann die JPEG-Kompression die Dateigröße nicht so stark reduzieren, was zu einer größeren Datei führt.

Diese Methode ist für einfache Präsenzerkennung überraschend effektiv.

Zur Farberkennung: Wenn das Objekt eine spezifische, helle Farbe hat (z.B. ein roter Ball), könnte der VC0706 eine eingebaute Funktion haben, um eine herunterskalierte Version des Bildes oder sogar nur die Durchschnittsfarbe des Bildes auszugeben. Man würde dem Modul befehlen, diese kleine Datenmenge anstelle des vollen JPEGs zu liefern, die der 8051 dann auf einen bestimmten Farbwert prüfen könnte.

Algorithmus-Pseudocode (Verwendung der Dateigrößen-Methode)

#include <reg51.h>

void UART_Init(); // UART für VC0706 Baudrate initialisieren (z.B. 38400)
void VC0706_SendCommand(unsigned char *cmd, int length);
unsigned long VC0706_GetPictureSize();
void main() {
    unsigned long background_size, current_size;

    UART_Init();
    // Zuerst den Hintergrund erfassen
    VC0706_TakePicture();
    background_size = VC0706_GetPictureSize();

    while(1) {
        delay(1000); // 1 Sekunde warten
        VC0706_TakePicture();
        current_size = VC0706_GetPictureSize();

        // Prüfen, ob die aktuelle Größe > 110% der Hintergrundgröße ist (Schwellenwert anpassen)
        if(current_size > (background_size + (background_size / 10))) {
            P1 = 0xFF; // LEDs an Port 1 einschalten - OBJEKT ERKANNT!
        } else {
            P1 = 0x00; // LEDs ausschalten - Kein Objekt.
        }
    }
}

Falls die OV7670 verwendet werden muss (Fortgeschritten)

Dies ist wesentlich schwieriger und erfordert:

1. OV7670 + FIFO (AL422B): Der FIFO-Speicher (First-In-First-Out) ist unerlässlich. Er puffert ein volles Bild von Rohdaten (RGB oder Graustufen), damit der langsame 8051 es in seinem eigenen Tempo auslesen kann.

2. Umwandlung in Graustufen: Der einfachste Weg ist, die OV7670 so zu konfigurieren, dass sie ein Graustufenbild ausgibt (YUV-Format, wobei nur die Y-Komponente gelesen wird).

3. Einfache Schwellwertverarbeitung zur Erkennung:

   • Lies jeden Pixelwert (0-255 für Helligkeit).

   • Wenn sich die Helligkeit eines Pixels deutlich von der erwarteten Hintergrundhelligkeit unterscheidet, zähle es als "Vordergrund"-Pixel.

   • Wenn die Anzahl der "Vordergrund"-Pixel in einer Region einen Schwellenwert überschreitet, ist ein Objekt erkannt.

Diese Methode ist für einen 8051 rechenintensiv und wäre selbst für ein kleines 80x60 Bild (4.800 Pixel) sehr langsam.

Fazit und Empfehlungen

• Für Anfänger: Verwenden Sie das VC0706 serielle Kameramodul. Die Dateigrößen-Vergleichsmethode ist der praktikabelste Weg, um "Objekterkennung" mit einem 8051 zu erreichen.

• Für eine Herausforderung: Wenn Sie Pixelkontrolle benötigen und bereit sind, sich mit erheblicher Komplexität auseinanderzusetzen, verwenden Sie die OV7670 mit einem FIFO und implementieren Sie einen einfachen Graustufen-Schwellwertalgorithmus.

• Für ein echtes Projekt: Erwägen Sie dringend, Ihren Mikrocontroller aufzurüsten. Ein ARM Cortex-M (wie STM32F4) oder ein ESP32-CAM ist weitaus leistungsfähiger, hat genug RAM, um ein Bild zu halten, und kann geeignete Bildverarbeitungsalgorithmen mit nutzbarer Geschwindigkeit ausführen. Die Verwendung eines 8051 ist eine großartige Lernerfahrung, aber für die meisten praktischen Anwendungen nicht geeignet.