串行器可以連接并控制攝像頭IC，ADI的這類器件包括MAX9257 (帶有半雙工UART/I2C控制通道)、MAX9259和MAX9263 (兩款均帶有全雙工同步控制通道)，MAX9263還支持寬帶數(shù)字內(nèi)容保護(hù)(HDCP)。本應(yīng)用筆記介紹如何將攝像頭的RGB或YUV輸出轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)顯示器接受的RGB數(shù)據(jù)。

攝像頭輸出數(shù)據(jù)格式 攝像頭芯片，例如OmniVisionOV10630，可通過(guò)串行器連接。OV10630的接口引腳包括：像素時(shí)鐘、PCLK、行有效、HREF、幀同步、VSYNC和并行數(shù)據(jù)位D[9:0]，數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘的上升沿保持穩(wěn)定。YUV和原始RGB數(shù)據(jù)格式

CMOS攝像頭傳感器包括數(shù)百萬(wàn)光敏單元，每個(gè)單元可響應(yīng)整個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)。利用濾光膜使特定傳感器僅響應(yīng)紅光、綠光或藍(lán)光信號(hào)。相鄰的光敏單元通常以拜耳結(jié)構(gòu)的濾色規(guī)律排列，綠色濾色片的數(shù)量是紅色或藍(lán)色濾色片數(shù)量的兩倍。這種方式用于模擬人眼的感光特性。從左至右、從上至下讀取傳感器單元輸出，原始的RGB數(shù)據(jù)序列為藍(lán)、綠...藍(lán)、綠 (首行末尾)，綠、紅...綠、紅(第二行末尾)，依次類推，如圖1所示。

圖1. 原始RGB數(shù)據(jù)排列

通過(guò)相鄰單元內(nèi)插生成與傳感器單元密度相同的RGB數(shù)據(jù)。另外，利用相鄰單元的顏色，按照特定的規(guī)則可以恢復(fù)圖像。構(gòu)成每個(gè)像素RGB數(shù)據(jù)組的規(guī)則之一是：使用同一行的相鄰單元，再加上下一行(或上一行)的綠色相鄰單元。內(nèi)插后的RGB數(shù)據(jù)序列為...、紅(i-1)、綠(i-1)、藍(lán)(i-1)、紅(i)、綠(i)、藍(lán)(i)、紅(i+1)、綠(i+1)、藍(lán)(i+1)、...如圖2所示。每個(gè)像素需要一組RGB數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)彩色顯示器并保持?jǐn)z像頭傳感器的最高分辨率。內(nèi)插RGB數(shù)據(jù)的亮度分辨率接近于傳感器單元的分辨率，但色度分辨率較差。由于人眼對(duì)每個(gè)像素的灰度要比對(duì)像素的色彩分量更為敏感，所以感覺(jué)到的分辨率基本與傳感器單元分辨率相同。

圖2. RGB數(shù)據(jù)排列

然而，這種RGB數(shù)據(jù)的內(nèi)插算法使得數(shù)據(jù)速率增至三倍。為了降低數(shù)據(jù)速率，尤其是需要圖像傳輸?shù)膱?chǎng)合，可采用YUV彩色空間(將模擬彩色電視信號(hào)壓縮到模擬黑白電視的頻帶)。在下式中，亮度以Y表示，藍(lán)色和亮度之間的色差以U表示，紅色和亮度之間的色差以V表示，

式中，典型的色彩加權(quán)為：W_R= 0.299，W_B= 0.114，W_G= 1 - W_R- W_B= 0.587，歸一化值為U_MAX，V_MAX= 0.615。

對(duì)于采用拜耳濾色鏡的攝像頭傳感器，相鄰像素的U或V數(shù)據(jù)大致相同，取決于行索引i和像素索引j (如果采用的規(guī)則為相鄰顏色)。利用本指南，可根據(jù)下式利用RGB數(shù)據(jù)直接生成YUV數(shù)據(jù)。

偶數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。偶數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。對(duì)于奇數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。對(duì)于奇數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。

偶數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。

偶數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。對(duì)于奇數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。對(duì)于奇數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。偶數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。>偶數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。對(duì)于奇數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。對(duì)于奇數(shù)行索引i和偶數(shù)像素索引j。

為了降低數(shù)據(jù)速率，利用偶數(shù)像素索引的U數(shù)據(jù)和奇數(shù)像素索引的V數(shù)據(jù)，以及偶數(shù)和奇數(shù)像素索引的Y數(shù)據(jù)。壓縮后的YUV數(shù)據(jù)按照?qǐng)D3所示排列發(fā)送，即：Y1、U0和V1為像素1的數(shù)據(jù)；Y2、U2和V1為像素2的數(shù)據(jù)等。

圖3. YUV422數(shù)據(jù)排列

422表示YV的采樣比，4x標(biāo)準(zhǔn)為早期彩色NTSC標(biāo)準(zhǔn)，按照41色度再次采樣，所以，圖像的色彩分辨率僅為亮度分辨率的四分之一。目前，只有處理非壓縮信號(hào)的高端設(shè)備才會(huì)采用44彩色再采樣，亮度和彩色信息的分辨率完全相同。

串行器輸入格式 ADI串行器的并行接口設(shè)計(jì)用于24位RGB數(shù)據(jù)，特別是MAX9259，具有像素時(shí)鐘位(PCLK)和29個(gè)數(shù)據(jù)位，用于24位RGB以及行同步、場(chǎng)同步和3個(gè)控制位。除并行數(shù)據(jù)接口外，需要把DRS和BWS引腳設(shè)置成高電平或低電平，分別選擇數(shù)據(jù)速率和總線寬度。ADI串行器/解串器 MAX9257和MAX9258串行器/解串器(SerDes)具有18位并行輸入/輸出，適用于YUV數(shù)據(jù)傳輸；MAX9259/MAX9260芯片組具有28位并行輸入/輸出，適用于RGB數(shù)據(jù)傳輸；MAX9263/MAX9264 SerDes具有28位并行輸入/輸出，增加了HDCP功能。此外，MAX9265和MAX9268 28位SerDes帶有攝像鏈路，代替并行輸入/輸出接口。所有28位ADI串行器和解串器具有相同的并/串?dāng)?shù)據(jù)映射，可互換使用。例如，MAX9259串行器可配合MAX9268解串器使用，傳輸RGB數(shù)據(jù)(借助于FPGA)。數(shù)據(jù)從CMOS攝像頭通過(guò)串行鏈路發(fā)送至攝像鏈路接口的顯示器。串行器映射 為匹配MAX9268解串器攝像鏈路的輸出接口，并行RGB數(shù)據(jù)應(yīng)按照以下信號(hào)圖映射。圖4所示為MAX9268并行位與其攝像鏈路輸出之間的映射，圖5所示為相機(jī)鏈路的RGB數(shù)據(jù)映射。表1所示為MAX9259串行器的對(duì)應(yīng)內(nèi)容映射。

圖4. MAX9268內(nèi)部并行至輸出映射

圖5. 攝像鏈路內(nèi)容映射

表1. MAX9259串行器RGB內(nèi)容位映射

色彩轉(zhuǎn)換：YUV至RGB

FPGA芯片可將壓縮(降低數(shù)據(jù)速率)后的攝像頭數(shù)據(jù)YUV轉(zhuǎn)換成RGB數(shù)據(jù)，用于MAX9259串行器。采用8位定點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，色彩空間轉(zhuǎn)換的公式如下，式2和式3中，D_n和E_n的n為偶數(shù)。

C_n= Yn- 16

D_n= D_n + 1= U_n- 128

E_n= E_n + 1= V_n + 1- 128

R_n= clip((298 × C_n+ 409 × E_n+ 128) >> 8)

G_n= clip((298 × C_n- 100 × D_n- 208 × E_n+ 128) >> 8)

Bn= clip((298 × C_n× 516 × D_n+ 128) >> 8)

式中，>> 8表示“向右移8位”，clip表示“只取最低8位”。

FPGA方案

輸入緩沖

輸入緩沖電路包括計(jì)數(shù)器、三個(gè)寄存器和組合邏輯，將單字節(jié)時(shí)鐘輸入轉(zhuǎn)換成三字節(jié)時(shí)鐘輸出，輸出時(shí)鐘速率為輸入的一半。組合邏輯僅用于分別使能Y、U和V字節(jié)的對(duì)應(yīng)寄存器。

圖6. 輸入緩沖電路

時(shí)鐘開(kāi)關(guān)

FPGA輸出像素時(shí)鐘速率為攝像頭像素時(shí)鐘的一半，用于驅(qū)動(dòng)串行器像素時(shí)鐘輸入。但是，攝像頭在初始化之前不會(huì)輸出像素時(shí)鐘。解決方案是在FPGA內(nèi)部采用2:1時(shí)鐘復(fù)用器(mux)和時(shí)鐘信號(hào)檢測(cè)器，mux由時(shí)鐘信號(hào)檢測(cè)器控制。上電時(shí)，mux的默認(rèn)時(shí)鐘來(lái)自攝像頭的時(shí)鐘振蕩器，使SerDes芯片組提供啟動(dòng)攝像頭的控制通道。時(shí)鐘信號(hào)檢測(cè)器對(duì)場(chǎng)同步信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)幾個(gè)場(chǎng)同步脈沖后，mux切換到攝像頭像素時(shí)鐘速率的一半。采用高清攝像頭傳感器時(shí)，例如OV10630，每個(gè)場(chǎng)同步周期包含100k以上的像素時(shí)鐘。幾個(gè)場(chǎng)同步周期足以使攝像頭的鎖相環(huán)(PLL)達(dá)到穩(wěn)定。場(chǎng)同步計(jì)數(shù)比像素時(shí)鐘計(jì)數(shù)的效率高得多，并可節(jié)省FPGA邏輯單元的資源。

中間緩沖

格式轉(zhuǎn)換表達(dá)式中沒(méi)有體現(xiàn)硬件電路的延遲。為了從YUV輸入生成RGB數(shù)據(jù)，需要兩到三次乘法運(yùn)算和三到四次加法運(yùn)算。盡管FPGA邏輯電路(門電路) 的延時(shí)只有幾個(gè)納秒，但載波傳輸、加法器、移位乘法器都會(huì)導(dǎo)致不同程度的延時(shí)，使整體延時(shí)增大。為了使延遲最小化，每個(gè)常數(shù)乘法器均由兩個(gè)移位輸入(代表常數(shù)的2個(gè)非零最高有效位MSB)的加法器近似。輸入的YUV字節(jié)速率大約為100MHz時(shí)，延遲會(huì)跨越相鄰像素的定時(shí)邊界，增大圖像噪聲。在每個(gè)乘法器之后通過(guò)中間寄存器來(lái)消除擴(kuò)展延時(shí)。 以上提及的YUV至RGB彩色轉(zhuǎn)換已用于ActelProASIC3 A3PN125Z FPGA，圖7所示為實(shí)現(xiàn)這一FPGA的原理圖。

圖7. YUV至RGB轉(zhuǎn)換器的FPGA實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用電路

廠家提供的攝像頭芯片可能位于PCB子板，圖8所示為攝像頭子板模塊的功能框圖。輸入包括電源、PWR和晶振時(shí)鐘(XCLK)。輸出信號(hào)包含并行數(shù)據(jù)位(D0..D9)、I2C總線(SDA、SCL)、視頻同步(HREF、VSYNC)和像素時(shí)鐘(PCLK)。

圖8. 攝像頭模塊功能框圖

圖9所示為應(yīng)用電路的FPGA和串行器芯片的原理圖。電路通過(guò)兩對(duì)雙絞線組成的串行電纜供電，一對(duì)用于傳輸串行信號(hào)，另一對(duì)用于供電。獨(dú)立的LDO電源IC用于串行器和FPGA器件。攝像頭模塊采用旁路電容，自帶LDO電源芯片，進(jìn)一步降低潛在干擾。FPGA和串行器之間的數(shù)據(jù)鏈路采用阻尼電阻。

圖9a. 應(yīng)用電路的FPGA部分

圖9b. 應(yīng)用電路的串行器部分

MAX9259也能夠直接連接至攝像頭傳感器，例如OV10630，以構(gòu)建更小的攝像頭。彩色空間轉(zhuǎn)換FPGA可置于解串器之后。由于這種應(yīng)用需要攝像鏈路輸出，可直接由MAX9268驅(qū)動(dòng)，所以彩色轉(zhuǎn)換FPGA置于攝像頭傳感器和串行器(MAX9259)之間。

視頻采集示例

圖10所示攝像頭應(yīng)用電路也是利用這些攝像頭電路搭建的。

圖10. 攝像頭應(yīng)用電路