串行器与摄像芯片应用

2013-06-24 22:30:00来源: 互联网

引言

Maxim串行器可连接并控制摄像头IC,这类器件包括MAX9257 (带有半双工UART/I²C控制通道)、MAX9259和MAX9263 (两款均带有全双工同步控制通道)。MAX9263还支持宽带数字内容保护(HDCP)。本应用笔记介绍如何将摄像头的RGB或YUV输出转换成标准显示器接受的RGB数据。

摄像头输出数据格式

摄像头芯片,例如OmniVision® OV10630,可通过串行器连接。OV10630的接口引脚包括:像素时钟、PCLK、行有效、HREF、帧同步、VSYNC和并行数据位D[9:0]。数据位在时钟的上升沿保持稳定。

YUV和原始RGB数据格式

CMOS摄像头传感器包括数百万光敏单元,每个单元可响应整个波长的光信号。利用滤光膜使特定传感器仅响应红光、绿光或蓝光信号。相邻的光敏单元通常以拜耳结构的滤色规律排列,绿色滤色片的数量是红色或蓝色滤色片数量的两倍。这种方式用于模拟人眼的感光特性。从左至右、从上至下读取传感器单元输出,原始的RGB数据序列为蓝、绿...蓝、绿 (首行末尾),绿、红...绿、红(第二行末尾),依次类推,如图1所示。


图1. 原始RGB数据排列

通过相邻单元内插生成与传感器单元密度相同的RGB数据。另外,利用相邻单元的颜色,按照特定的规则可以恢复图像。构成每个像素RGB数据组的规则之一是:使用同一行的相邻单元,再加上下一行(或上一行)的绿色相邻单元。内插后的RGB数据序列为...、红(i-1)、绿(i-1)、蓝(i-1)、红(i)、绿(i)、蓝(i)、红(i+1)、绿(i+1)、蓝(i+1)、...如图2所示。每个像素需要一组RGB数据,驱动彩色显示器并保持摄像头传感器的最高分辨率。内插RGB数据的亮度分辨率接近于传感器单元的分辨率,但色度分辨率较差。由于人眼对每个像素的灰度要比对像素的色彩分量更为敏感,所以感觉到的分辨率基本与传感器单元分辨率相同。


图2. RGB数据排列

然而,这种RGB数据的内插算法使得数据速率增至三倍。为了降低数据速率,尤其是需要图像传输的场合,可采用YUV彩色空间(将模拟彩色电视信号压缩到模拟黑白电视的频带)。在下式中,亮度以Y表示,蓝色和亮度之间的色差以U表示,红色和亮度之间的色差以V表示,

式中,典型的色彩加权为:WR = 0.299,WB = 0.114,WG = 1 - WR - WB = 0.587,归一化值为UMAX,VMAX = 0.615。

对于采用拜耳滤色镜的摄像头传感器,相邻像素的U或V数据大致相同,取决于行索引i和像素索引j (如果采用的规则为相邻颜色)。利用本指南,可根据下式利用RGB数据直接生成YUV数据。

偶数行索引i和偶数像素索引j。
偶数行索引i和偶数像素索引j。
对于奇数行索引i和偶数像素索引j。
对于奇数行索引i和偶数像素索引j。
偶数行索引i和偶数像素索引j。
偶数行索引i和偶数像素索引j。
对于奇数行索引i和偶数像素索引j。
对于奇数行索引i和偶数像素索引j。
偶数行索引i和偶数像素索引j。
偶数行索引i和偶数像素索引j。
对于奇数行索引i和偶数像素索引j。
对于奇数行索引i和偶数像素索引j。

为了降低数据速率,利用偶数像素索引的U数据和奇数像素索引的V数据,以及偶数和奇数像素索引的Y数据。压缩后的YUV数据按照图3所示排列发送,即:Y1、U0和V1为像素1的数据;Y2、U2和V1为像素2的数据等。


图3. YUV422数据排列

422表示Y:U:V的采样比,4:x:x标准为早期彩色NTSC标准,按照4:1:1色度再次采样,所以,图像的色彩分辨率仅为亮度分辨率的四分之一。目前,只有处理非压缩信号的高端设备才会采用4:4:4彩色再采样,亮度和彩色信息的分辨率完全相同。

串行器输入格式

Maxim串行器的并行接口设计用于24位RGB数据,特别是MAX9259,具有像素时钟位(PCLK)和29个数据位,用于24位RGB以及行同步、场同步和3个控制位。除并行数据接口外,需要把DRS和BWS引脚设置成高电平或低电平,分别选择数据速率和总线宽度。

Maxim串行器/解串器

MAX9257和MAX9258串行器/解串器(SerDes)具有18位并行输入/输出,适用于YUV数据传输;MAX9259/MAX9260芯片组具有28位并行输入/输出,适用于RGB数据传输;MAX9263/MAX9264 SerDes具有28位并行输入/输出,增加了HDCP功能。此外,MAX9265和MAX9268 28位SerDes带有摄像链路,代替并行输入/输出接口。所有28位Maxim串行器和解串器具有相同的并/串数据映射,可互换使用。例如,MAX9259串行器可配合MAX9268解串器使用,传输RGB数据(借助于FPGA)。数据从CMOS摄像头通过串行链路发送至摄像链路接口的显示器。

应用电路

厂家提供的摄像头芯片可能位于PCB子板,图8所示为摄像头子板模块的功能框图。输入包括电源、PWR和晶振时钟(XCLK)。输出信号包含并行数据位(D0..D9)、I²C总线(SDA、SCL)、视频同步(HREF、VSYNC)和像素时钟(PCLK)。


图8. 摄像头模块功能框图

图9所示为应用电路的FPGA和串行器芯片的原理图。电路通过两对双绞线组成的串行电缆供电,一对用于传输串行信号,另一对用于供电。独立的LDO电源IC用于串行器和FPGA器件。摄像头模块采用旁路电容,自带LDO电源芯片,进一步降低潜在干扰。FPGA和串行器之间的数据链路采用阻尼电阻。


清晰图像(PDF, 1.6MB)
图9a. 应用电路的FPGA部分


清晰图像(PDF, 533kB)
图9b. 应用电路的串行器部分

MAX9259也能够直接连接至摄像头传感器,例如OV10630,以构建更小的摄像头。彩色空间转换FPGA可置于解串器之后。由于这种应用需要摄像链路输出,可直接由MAX9268驱动,所以彩色转换FPGA置于摄像头传感器和串行器(MAX9259)之间。

视频采集示例

图10所示摄像头应用电路也是利用这些摄像头电路搭建的。


图10. 摄像头应用电路

结论

本应用笔记介绍Maxim的摄像头解串器IC与FPGA配合工作的典型方案。提供应用原理图和FPGA代码,用于现有的参考设计。即将给出本应用笔记的升级版:RAW RGB至24位RGB FPGA转换器。

关键字:串行器  摄像芯片

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0624/article_18830.html
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