攝像頭圖像采集基礎(chǔ)知識總結(jié)

目前FPGA用于圖像采集 傳輸 處理 顯示應(yīng)用越來越多，主要原因是圖像處理領(lǐng)域的火熱以及FPGA強大的并行處理能力。本文以O(shè)V7725為例，對攝像頭使用方面的基礎(chǔ)知識做個小的總結(jié).

一、DVP及SCCB接口時序

下圖是OV7725 datasheet中攝像頭傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)視圖。我們主要關(guān)注常用的用戶接口——DVP（數(shù)字視頻端口）。

XCLK:工作時鐘輸入，由主控器產(chǎn)生，頻率為24MHz；

HREF:行參考信號輸出；

PCLK:像素時鐘輸出，由XCLK產(chǎn)生，用于控制器采樣圖像數(shù)據(jù)；

VSYNC:場同步信號輸出；

RSTB:復(fù)位輸入，低電平有效；

PWDN:低功耗模式選擇輸入，正常工作期間需拉低；

SCL:SCCB管理接口時鐘，最高頻率400KHz；

SDA:SCCB接口串行數(shù)據(jù)總線；

D[9:0] 像素數(shù)據(jù)輸出；

PCLK引出一個幀率的概念，單位為fps（Frames Per Second），指每秒鐘輸出幾幅靜態(tài)圖像，幀率越高視頻越流暢。另外SCCB總線與IIC總線非常相近，主機寫時序基本一致，故多數(shù)圖像采集系統(tǒng)直接復(fù)用IIC控制器對圖像傳感器內(nèi)部寄存器進行配置。這里給出大體的讀寫流程，具體見參考文獻2。需要格外注意的是，SIO_C時鐘信號在IDLE狀態(tài)下必須為高電平。

寫操作：

讀操作（分兩部分）：

總結(jié)來說，SCCB與IIC的主要區(qū)別在以下兩點：

1 IIC有重復(fù)開始的概念，讀操作先寫設(shè)備地址 再寫寄存器地址，然后重新開始，寫設(shè)備地址，讀取數(shù)據(jù)。而SCCB讀操作時在第一次寫寄存器地址后必須有結(jié)束條件。

2 IIC主機寫數(shù)據(jù)到從機時，從機必須在寫8bit下一時鐘拉低總線響應(yīng)主機。IIC主機讀取從機數(shù)據(jù)時，多字節(jié)連續(xù)讀取除最后字節(jié)主句均在第9時鐘周期拉低總線響應(yīng)，單字節(jié)讀取拉高總線便于下一拍提供停止條件。而SCCB每個phase第9bit為don't care bit /NACK，主機寫從機第9bit不關(guān)心，讀取從機數(shù)據(jù)由于不支持多字節(jié)操作第9bit主機必須拉高總線。

接下來從整體上把握輸出圖像數(shù)據(jù)與同步信號的關(guān)系。（圖片截取自《OV7725攝像頭編程基本知識筆記》，見參考文獻3.

兩個VSYNC高脈沖之間為包含一幀圖像數(shù)據(jù)，但只有HREF高電平期間數(shù)據(jù)才為有效數(shù)據(jù)，每個HREF高電平區(qū)間對應(yīng)一行圖像數(shù)據(jù)。因此通過這兩個信號即可找到有效的圖像數(shù)據(jù)。OV7725攝像頭支持多種圖像輸出格式，此處闡述常用的RGB565格式：

圖像數(shù)據(jù)在PCLK下降沿輸出，控制器在其上升沿采樣。當(dāng)選擇此模式輸入時，僅使用數(shù)據(jù)線高八位。時序圖給出了相鄰兩個字節(jié)數(shù)據(jù)內(nèi)容，可見兩個字節(jié)表示一個像素點數(shù)據(jù)，從高位到低位依次是：R 5bit,G 6bit,B 5bit。Ov7725圖像傳感器的像素30萬，分辨率：640*480，即每行640個有效像素點，一共480行。所以每個HREF高脈沖期間有640*2個PCLK周期，兩個VSYNC高脈沖期間循環(huán)480次。

二、時鐘與幀率計算

攝像頭輸入時鐘是XCLK，輸出時鐘是PCLK。如何給出合理的XCLK并得知PCLK頻率至關(guān)重要。在datasheet中給出了詳細(xì)的寄存器配置介紹，其中地址是0X0D和0X11的兩個寄存器與時鐘密切相關(guān)。寄存器CLKRC決定如何分頻，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關(guān)資料才知道f internal clock指的就是攝像頭輸出的PCLK。公式中f input clock指的是XCLK頻率，PLL multiplier只COM4寄存器配置的PLL倍頻系數(shù)。

比如配置寄存器COM4為0X41，配置CLKRC為0X00。因此，f pclk = f xclk * 4 / [(0+1)*2] = 2 f xclk。此時XCLK時鐘頻率若是25MHZ，則PCLK頻率是50MHZ。現(xiàn)在我們以筆者選用的VGA幀格式，RGB565像素格式來算一下幀率。

幀率即為每秒鐘輸出多少幅完整圖像，所以幀率=輸出時鐘頻率/每幀的時鐘周期數(shù)。最終幀率=50*10^6/(510*784*2) = 62.5Hz。一般人眼在幀率為50Hz以上無法察覺圖像的閃動，具有較好的顯示效果。

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