串行器與攝像芯片應(yīng)用

引言

Maxim串行器可連接并控制攝像頭IC，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OmniVision? OV10630，可通過串行器連接。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)百萬光敏單元，每個(gè)單元可響應(yīng)整個(gè)波長的光信號(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)膱龊希刹捎肶UV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：WR?= 0.299，WB?= 0.114，WG?= 1 - WR?- WB?= 0.587，歸一化值為UMAX，VMAX?= 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)按照圖3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Y:U:V的采樣比，4:x:x標(biāo)準(zhǔn)為早期彩色NTSC標(biāo)準(zhǔn)，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(hào)的高端設(shè)備才會(huì)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。

串行器輸入格式

Maxim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。

Maxim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Maxim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攝像頭通過串行鏈路發(fā)送至攝像鏈路接口的顯示器。