如何将摄像头RGB/YUV转换成标准显示器数据？

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      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。

( [/ S& P# J1 S. ?4 I摄像头输出数据格式
8 g2 L, N! X$ @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。

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图 1. 原始 RGB 数据排列

% t! Y! W' m4 e3 u  i# E- J$ b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。

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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，

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9 y0 W. g) x5 ]2 ]0 }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。

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* X2 B8 m1 |2 m7 U: u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

4 u, L  F( {' `" q" D422 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。

8 r0 A% d7 V; [6 L串行器输入格式
4 b* L4 a3 H7 c, q+ V; NMaxim 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。

4 G% j. ?" \2 ^8 }9 g. o& zMaxim 串行器 / 解串器
  B/ n; ^/ H( t6 B. B, sMAX9257 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。

串行器映射
2 v* N7 a' {, c& e% E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。
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图 4. MAX9268 内部并行至输出映射

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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，Dn 和 En 的 n 为偶数。
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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

- J9 C' s: U% D6 q0 k4 M8 U, @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。
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清晰图像(PDF, 172kB)  

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清晰图像(PDF, 180kB)
0 A/ G$ j" F% w' i图 7. YUV 至 RGB 转换器的 FPGA 实现

* d$ M" D2 q9 O" b' ]( R7 H- _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)。

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图 8. 摄像头模块功能框图

  F* E, g2 i: z% O9 n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。

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图 9a. 应用电路的 FPGA 部分

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5 X$ |% a1 Z2 m1 E/ |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

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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

4 J6 A4 M9 p( y" k结论
% A3 a0 r1 @5 r: _. Y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。