串行器与摄像芯片应用

引言

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。

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：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。

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。

串行器输入格式

Maxim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。

Maxim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。