【導讀】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還支持寬帶數字內容保護(HDCP)。本應用筆記介紹如何將攝像頭的RGB或YUV輸出轉換成標準顯示器接受的RGB數據。
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還支持寬帶數字內容保護(HDCP)。本應用筆記介紹如何將攝像頭的RGB或YUV輸出轉換成標準顯示器接受的RGB數據。
CMOS攝像頭傳感器包括數百萬光敏單元，每個單元可響應整個波長的光信號。利用濾光膜使特定傳感器僅響應紅光、綠光或藍光信號。相鄰的光敏單元通常以拜耳結構的濾色規律排列，綠色濾色片的數量是紅色或藍色濾色片數量的兩倍。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數據序列為藍、綠...藍、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數據排列
圖2. RGB數據排列
然而，這種RGB數據的內插算法使得數據速率增至三倍。為了降低數據速率，尤其是需要圖像傳輸的場合，可采用YUV彩色空間(將模擬彩色電視信號壓縮到模擬黑白電視的頻帶)。在下式中，亮度以Y表示，藍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，典型的色彩加權為：WR = 0.299，WB = 0.114，WG = 1 - WR - WB = 0.587，歸一化值為UMAX，VMAX = 0.615。
對于采用拜耳濾色鏡的攝像頭傳感器，相鄰像素的U或V數據大致相同，取決于行索引i和像素索引j (如果采用的規則為相鄰顏色)。利用本指南，可根據下式利用RGB數據直接生成YUV數據。
偶數行索引i和偶數像素索引j。
偶數行索引i和偶數像素索引j。
對于奇數行索引i和偶數像素索引j。
對于奇數行索引i和偶數像素索引j。
偶數行索引i和偶數像素索引j。
偶數行索引i和偶數像素索引j。
對于奇數行索引i和偶數像素索引j。
對于奇數行索引i和偶數像素索引j。
偶數行索引i和偶數像素索引j。
>偶數行索引i和偶數像素索引j。
為了降低數據速率，利用偶數像素索引的U數據和奇數像素索引的V數據，以及偶數和奇數像素索引的Y數據。壓縮后的YUV數據按照圖3所示排列發送，即：Y1、U0和V1為像素1的數據；Y2、U2和V1為像素2的數據等。
圖3. YUV422數據排列
422表示Y:U:V的采樣比，4:x:x標準為早期彩色NTSC標準，按照4:1:1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的高端設備才會采用4:4:4彩色再采樣，亮度和彩色信息的分辨率完全相同。
為匹配MAX9268解串器攝像鏈路的輸出接口，并行RGB數據應按照以下信號圖映射。圖4所示為MAX9268并行位與其攝像鏈路輸出之間的映射，圖5所示為相機鏈路的RGB數據映射。表1所示為MAX9259串行器的對應內容映射。
圖4. MAX9268內部并行至輸出映射
圖5. 攝像鏈路內容映射
表1. MAX9259串行器RGB內容位映射
FPGA芯片可將壓縮(降低數據速率)后的攝像頭數據YUV轉換成RGB數據，用于MAX9259串行器。采用8位定點運算時，色彩空間轉換的公式如下，式2和式3中，Dn和En的n為偶數。
Cn = Yn - 16
Dn = Dn + 1 = Un - 128
En = En + 1 = Vn + 1 - 128
Rn = clip((298 × Cn + 409 × En + 128) >> 8)
Gn = clip((298 × Cn - 100 × Dn - 208 × En + 128) >> 8)
Bn = clip((298 × Cn × 516 × Dn + 128) >> 8)
式中，>> 8表示“向右移8位”，clip表示“只取最低8位”。
輸入緩沖
輸入緩沖電路包括計數器、三個寄存器和組合邏輯，將單字節時鐘輸入轉換成三字節時鐘輸出，輸出時鐘速率為輸入的一半。組合邏輯僅用于分別使能Y、U和V字節的對應寄存器。
圖6. 輸入緩沖電路
時鐘開關
FPGA輸出像素時鐘速率為攝像頭像素時鐘的一半，用于驅動串行器像素時鐘輸入。但是，攝像頭在初始化之前不會輸出像素時鐘。解決方案是在FPGA內部采用2:1時鐘復用器(mux)和時鐘信號檢測器，mux由時鐘信號檢測器控制。上電時，mux的默認時鐘來自攝像頭的時鐘振蕩器，使SerDes芯片組提供啟動攝像頭的控制通道。時鐘信號檢測器對場同步信號脈沖進行計數，經過幾個場同步脈沖后，mux切換到攝像頭像素時鐘速率的一半。采用高清攝像頭傳感器時，例如OV10630，每個場同步周期包含100k以上的像素時鐘。幾個場同步周期足以使攝像頭的鎖相環(PLL)達到穩定。場同步計數比像素時鐘計數的效率高得多，并可節省FPGA邏輯單元的資源。
中間緩沖
以上提及的YUV至RGB彩色轉換已用于Actel? ProASIC3 A3PN125Z FPGA，圖7所示為實現這一FPGA的原理圖。
圖7. YUV至RGB轉換器的FPGA實現
應用電路
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和晶振時鐘(XCLK)。輸出信號包含并行數據位(D0..D9)、I2C總線(SDA、SCL)、視頻同步(HREF、VSYNC)和像素時鐘(PCLK)。
圖8. 攝像頭模塊功能框圖
圖9所示為應用電路的FPGA和串行器芯片的原理圖。電路通過兩對雙絞線組成的串行電纜供電，一對用于傳輸串行信號，另一對用于供電。獨立的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，進一步降低潛在干擾。FPGA和串行器之間的數據鏈路采用阻尼電阻。
圖9a. 應用電路的FPGA部分
圖9b. 應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，以構建更小的攝像頭。彩色空間轉換FPGA可置于解串器之后。由于這種應用需要攝像鏈路輸出，可直接由MAX9268驅動，所以彩色轉換FPGA置于攝像頭傳感器和串行器(MAX9259)之間。
視頻采集示例
圖10所示攝像頭應用電路也是利用這些攝像頭電路搭建的。
圖10. 攝像頭應用電路
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