串行器应用之如何将摄像头的RGB或YUV输出转换成RGB数据？

 

串行器可以连接并控制摄像头IC，ADI的这类器件包括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：W_R = 0.299，W_B = 0.114，W_G = 1 - W_R - W_B = 0.587，归一化值为U_MAX，V_MAX = 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YV的采样比，4x标准为早期彩色NTSC标准，按照41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44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    ADI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。ADI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ADI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。串行器映射    为匹配MAX9268解串器摄像链路的输出接口，并行RGB数据应按照以下信号图映射。图4所示为MAX9268并行位与其摄像链路输出之间的映射，图5所示为相机链路的RGB数据映射。表1所示为MAX9259串行器的对应内容映射。

图4. MAX9268内部并行至输出映射

图5. 摄像链路内容映射

表1. MAX9259串行器RGB内容位映射

 色彩转换：YUV至RGB    

FPGA芯片可将压缩(降低数据速率)后的摄像头数据YUV转换成RGB数据，用于MAX9259串行器。采用8位定点运算时，色彩空间转换的公式如下，式2和式3中，D_n和E_n的n为偶数。

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    

输入缓冲

输入缓冲电路包括计数器、三个寄存器和组合逻辑，将单字节时钟输入转换成三字节时钟输出，输出时钟速率为输入的一半。组合逻辑仅用于分别使能Y、U和V字节的对应寄存器。

图6. 输入缓冲电路

时钟开关

FPGA输出像素时钟速率为摄像头像素时钟的一半，用于驱动串行器像素时钟输入。但是，摄像头在初始化之前不会输出像素时钟。解决方案是在FPGA内部采用2:1时钟复用器(mux)和时钟信号检测器，mux由时钟信号检测器控制。上电时，mux的默认时钟来自摄像头的时钟振荡器，使SerDes芯片组提供启动摄像头的控制通道。时钟信号检测器对场同步信号脉冲进行计数，经过几个场同步脉冲后，mux切换到摄像头像素时钟速率的一半。采用高清摄像头传感器时，例如OV10630，每个场同步周期包含100k以上的像素时钟。几个场同步周期足以使摄像头的锁相环(PLL)达到稳定。场同步计数比像素时钟计数的效率高得多，并可节省FPGA逻辑单元的资源。

中间缓冲

格式转换表达式中没有体现硬件电路的延迟。为了从YUV输入生成RGB数据，需要两到三次乘法运算和三到四次加法运算。尽管FPGA逻辑电路(门电路) 的延时只有几个纳秒，但载波传输、加法器、移位乘法器都会导致不同程度的延时，使整体延时增大。为了使延迟最小化，每个常数乘法器均由两个移位输入(代表常数的2个非零最高有效位MSB)的加法器近似。输入的YUV字节速率大约为100MHz时，延迟会跨越相邻像素的定时边界，增大图像噪声。在每个乘法器之后通过中间寄存器来消除扩展延时。  以上提及的YUV至RGB彩色转换已用于Actel ProASIC3 A3PN125Z FPGA，图7所示为实现这一FPGA的原理图。

图7. YUV至RGB转换器的FPGA实现

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。

图9a. 应用电路的FPGA部分

 

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