摄像头图像采集基础知识总结

目前FPGA用于图像采集 传输 处理 显示应用越来越多，主要原因是图像处理领域的火热以及FPGA强大的并行处理能力。本文以OV7725为例，对摄像头使用方面的基础知识做个小的总结.

一、DVP及SCCB接口时序　　

　　下图是OV7725 datasheet中摄像头传感器内部结构视图。我们主要关注常用的用户接口——DVP（数字视频端口）。

　　 XCLK:工作时钟输入，由主控器产生，频率为24MHz；

　　HREF:行参考信号输出；

　　PCLK:像素时钟输出，由XCLK产生，用于控制器采样图像数据；

　　VSYNC:场同步信号输出；

　　RSTB:复位输入，低电平有效；

　　PWDN:低功耗模式选择输入，正常工作期间需拉低；

　　SCL:SCCB管理接口时钟，最高频率400KHz；

　　SDA:SCCB接口串行数据总线；

　　D[9:0] 像素数据输出；

　　PCLK引出一个帧率的概念，单位为fps（Frames Per Second），指每秒钟输出几幅静态图像，帧率越高视频越流畅。另外SCCB总线与IIC总线非常相近，主机写时序基本一致，故多数图像采集系统直接复用IIC控制器对图像传感器内部寄存器进行配置。这里给出大体的读写流程，具体见参考文献2。需要格外注意的是，SIO_C时钟信号在IDLE状态下必须为高电平。

写操作：

读操作（分两部分）：

总结来说，SCCB与IIC的主要区别在以下两点：

1 IIC有重复开始的概念，读操作先写设备地址 再写寄存器地址，然后重新开始，写设备地址，读取数据。而SCCB读操作时在第一次写寄存器地址后必须有结束条件。

2 IIC主机写数据到从机时，从机必须在写8bit下一时钟拉低总线响应主机。IIC主机读取从机数据时，多字节连续读取除最后字节主句均在第9时钟周期拉低总线响应，单字节读取拉高总线便于下一拍提供停止条件。而SCCB每个phase第9bit为don't care bit /NACK，主机写从机第9bit不关心，读取从机数据由于不支持多字节操作第9bit主机必须拉高总线。

　　接下来从整体上把握输出图像数据与同步信号的关系。（图片截取自《OV7725摄像头编程基本知识笔记》，见参考文献3.

 　　两个VSYNC高脉冲之间为包含一帧图像数据，但只有HREF高电平期间数据才为有效数据，每个HREF高电平区间对应一行图像数据。因此通过这两个信号即可找到有效的图像数据。OV7725摄像头支持多种图像输出格式，此处阐述常用的RGB565格式：

　　图像数据在PCLK下降沿输出，控制器在其上升沿采样。当选择此模式输入时，仅使用数据线高八位。时序图给出了相邻两个字节数据内容，可见两个字节表示一个像素点数据，从高位到低位依次是：R 5bit,G 6bit,B 5bit。Ov7725图像传感器的像素30万，分辨率：640*480，即每行640个有效像素点，一共480行。所以每个HREF高脉冲期间有640*2个PCLK周期，两个VSYNC高脉冲期间循环480次。

二、时钟与帧率计算

　　摄像头输入时钟是XCLK，输出时钟是PCLK。如何给出合理的XCLK并得知PCLK频率至关重要。在datasheet中给出了详细的寄存器配置介绍，其中地址是0X0D和0X11的两个寄存器与时钟密切相关。寄存器CLKRC决定如何分频，公式如下：f internal clock = f input clock * PLL multiplier / [(CLKRC[5:0]+1)*2] 。我也是看了半天的相关资料才知道f internal clock指的就是摄像头输出的PCLK。公式中f input clock指的是XCLK频率，PLL multiplier只COM4寄存器配置的PLL倍频系数。

　　比如配置寄存器COM4为0X41，配置CLKRC为0X00。因此，f pclk = f xclk * 4 / [(0+1)*2] = 2 f xclk。此时XCLK时钟频率若是25MHZ，则PCLK频率是50MHZ。现在我们以笔者选用的VGA帧格式，RGB565像素格式来算一下帧率。

　　帧率即为每秒钟输出多少幅完整图像，所以帧率=输出时钟频率/每帧的时钟周期数。最终帧率=50*10^6/(510*784*2) = 62.5Hz。一般人眼在帧率为50Hz以上无法察觉图像的闪动，具有较好的显示效果。

 

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