（微电子学与固体电子学专业论文）soc环境下的camera+interface设计.pdf

摘要 摘要 本论文是针对多媒体芯片市场，开发的一种通用摄像头接口，在功能上对多媒 体芯片进行扩展，增强其市场竞争力。 文中介绍的c a m e r a i n t e r f a c e ( 摄像头接口) 是以国际电信联盟无线电协议为基 础，设计的一种通用接口。可以支持b y p a s s ( 旁路) 模式；支持r g b 5 6 5 ， y u v ( i t u 6 0 1 i t u 6 5 6 ) = 种输入数据模式；各种出错检验和中断。并可以在数据连 续处理中，支持任意模式的切换。因此本接口比同类型产品更具有市场竞争能力。 本论文采用自顶向下的正向设计方法，对c a m e r ai n t e r f a c e 进行具体设计和实 现。包括系统划分、编写代码、功能仿真与验证、逻辑综合。在设计的不同阶段 使用了不同的e d a 工具，包括n c _ v e r i l o g ，d e b u s s y ，d e s i g nc o m p i l e 等。 在具体实现上，本文给出了c a m e r ai n t e r f a c e 的各个模块的详细设计，包括：寄 存器配置及定义，顶层t o p 模块，具体的算法模块，异步f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ， 先进先出缓存) 。在c a m e r ai n t e r f a c e 设计中，考虑到速度、面积和功耗等因素，对 各个模块的具体设计做了优化，例如在低功耗设计中，引入了门控时钟的设计。 论文最后给出了c a m e r ai n t e r f a c e 综合优化、仿真测试和分析的结果。结果表明， 所设计的c a m e r ai n t e r f a c e 功能上已达到设计要求。 关键词：s o c 异步f l f 0 功能验证c a m r a in t e r f a c e a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si sd e v e l o p i n gau n i v e r s a lc a m e r ai n t e r f a c emm u l t i m e d i a c h i pm a r k e t ，e x p a n s i o no ft h em u l t i m e d i ac h i pi nt h ef u n c t i o n a l ，t oe n h a n c ei t s t c o m p e t i t i v e n e s si nm a r k e i nt h i sp a p e r , t h et o p - d o w nd e s i g nm e t h o dw i l lb ea d o p t e d t h ed e s i g np h a s e s i n c l u d es y s t e md i v i s i o n , w r i t i n gc o d e ，f u n c t i o n a ls i m u l a t i o n , v e r i f i c a t i o n ，a n dl o g i c s y n t h e s i s t h ew h o l ep r o j e c tc o v e r e dac o m p l e t ef r o n t - e n dd e s i g np r o c e s s ，a n dd i f f e r e n t s t a g e si nt h ed e s i g nu s e dd i f f e r e n te d at o o l s ，i n c l u d i n gn c _ v e r i l o g ，d e b u s s y , d e s i g n c o m p i l e ，e t c t h ea c t u a lr e a l i z a t i o nc h a p t e r so ft h i sp a p e rg i v e sy o uad e t a i l e dd e s i g no ft h e c a m e r ai n t e r f a c e sm o d u l e s ，w h i c hi n c l u d et h er e g i s t e rc o n f i g u r a t i o n ，d e f i n i t i o no ft h e t o pm o d u l e ，t h es p e c i f i ca l g o r i t h mm o d u l e ，a n dt h ea s y n c h r o n o u sf i f o d u r i n gt h i sd e s i g n ，b yt a k i n gi n t oa c c o u n tt h es p e e d ，s i z ea n dp o w e rc o n s u m p t i o na n d o t h e rf a c t o r s ，t h es p e c i f i cd e s i g no fe a c hm o d u l ei so p t i m i z e da c c o r d i n g l y , s u c h 嬲t h e a d o p t i o no ft h ec l o c kg a t i n gd e s i g nb yc o n s i d e r i n gt h ep o w e r a f t e rt h eo p t i m i z a t i o n , s i m u l a t i o nt e s t i n ga n dr e s u l t sa n a l y s i s ，t h er e s u l to ft h i sp r o je c ts h o w st h a tt h ed e s i g no f c a m e r ai n t e r f a c ef u n c t i o nh a sr e a c h e dt h ed e s i g ng o a l s ，w h i c ha let os u p p o r tt h eb y p a s s m o d e ，t og a i nav a r i e t yo fe r r o rd e t e c t i o n sa n di n t e r r u p tg e n e r a t i o n ，t os u p p o r tr g b 5 6 5 ， y u vi t u 6 01 i t u 6 5i n p u td a t af o r m a t ，a sw e l la st os u p p o r tt h es w i t c hb e t w e e na n y t w om o d e sd u r i n gd a t a p r o c e s s i n g c a m e r ai n t e r f a c ei sb a s e do nt h ei n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o nr a d i o a g r e e m e n t ，t h ed e s i g ni sac o m m o ni n t e r f a c e c a m e r ai n t e r f a c ec a l ls u p p o r tt h eb y p a s s b y p a s sm o d e ；s u p p o r tr g b 5 6 5 ，( i t u 6 0 1 i t u 6 5 6 ) t h r e et y p e so fi n p u td a t am o d e l ； av a r i e t yo fe l t o rt e s t i n ga n di n t e r r u p t i o n a n dc a nb ed e a l tw i t hi nt h ed a t at os u p p o r t a n ym o d es w i t c h i n g s ot h ei n t e r f a c ei sm o r ec o m p e t i t i v et h a nt h es a m et y p eo f p r o d u c t si nt h em a r k e t k e y w o r d ：s o ca s y n c h r o n o u sf i f of u n c t i o nv e ri f i c a t i o nc a m e r ai n t e r f a c e 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：互丛砻日期：兰坚? ：蔓堑 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技 大学。 本人签名： 导师签名： 日期缈，2 zj _ 日期，) 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着科技的快速发展，越来越多的高科技产品被用在普通生活中，而人们对视 听的追求也是为最明显的，从熟悉的卡带随身听到c d 到m p 3 再到后来的m p 4 。 人们一直在追求更完美的便携式视听环境。最早的多媒体芯片功能都比较单一， 只能对单一的音频文件或者一些特定格式的视频进行有限速度的处理。但随着人 类越来越多的需求以及s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 技术的高速发展，多媒体芯片不但可 以高速处理音频文件，而且还在向全格式视频及高位数多元化过渡。一个具有市 场竞争能力的多媒体设备，已经不仅仅单纯用来听音乐或者看视频，还增加了很 多原来都很难以想像的功能，而不同功能的实现，取决于其内部芯片的支持。而 这里就是要对高速多媒体芯片进行丰富，给芯装上“眼睛”，让多媒体设备不仅仅 是用来听和看的单向设备，更可以让它记录生活中点点滴滴。本文就是针对高速 多媒体s o c 设计一种通用的c a m e r ai n t e r f a c e 。 1 2s o c 发展与趋势 众所周知，视频图像处理对芯片的处理能力有着极高的要求，而其中c a m e r a i n t e r f a c e 更是对芯片的处理速度有很高的要求。除此之外便携式多媒体设备又必须 要面对有限电源的问题，所以低功耗技术又是所面对的问题。同时解决低功耗、 高处理能力的问题又恰恰是s o c 技术的特点，下面对s o c 技术做全面的研究。 集成电路的发展已有4 0 年的历史，它一直遵循摩尔所指示的规律推进，现已 进入深亚微米阶段。由于信息市场的需求和微电子自身的发展，引发了以微细加 工( 集成电路特征尺寸不断缩小) 为主要特征的多种工艺集成技术和面向应用的 系统级芯片的发展。随着半导体产业进入超深亚微米乃至纳米加工时代，在单一 集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统，诸如手机芯片、数字电视芯片、 d v d 芯片等。在未来几年内，上亿个晶体管、几千万个逻辑门都可望在单一芯片 上实现。s o c 设计技术始于2 0 世纪9 0 年代中期，随着半导体工艺技术的发展，i c 设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上，s o c 正是在集成电路( i c ) 向集成 系统( i s ) 转变的大方向下产生的。由于s o c 可以充分利用已有的设计积累，显著 地提高了a s i c 的设计能力，因此发展非常迅速，引起了工业界和学术界的关注【l 】。 2 s o c 环境下的c a m e r ai n t e r f a c e 设计 1 2 1s o c 技术分析 s o c 的定义多种多样，内涵丰富、应用范围广，因此很难给出准确定义。一般 说来，s o c 称为系统级芯片，也称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目 标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技 术，用以实现从确定系统功能开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程。从 狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上； 从广义角度讲，s o c 是一个微小型系统，如果说c p u ( 中央处理器) 是大脑，那么 s o c 就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将s o c 定义 为将微处理器、模拟口核、数字d 核和存储器( 或片外存储控制接口) 集成在单一 芯片上，它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标准产品。所研究的c a m e r a i n t e r f a c e 就是s o c 系统的一部分，挂靠在高速中央处理器c p u 上，实现高速处理 的目的。 而在这里，更关心s o c 技术的系统构成以及它具体的操作过程。系统级芯片 的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器微控制器c p u 内核模块、数 字信号处理器d s p 模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通讯的接口模块、含有 a d c d a c 的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块，对于一个无线s o c 还有射 频前端模块、用户定义逻辑( 它可以由f p g a 或a s i c 实现) 以及微电子机械模块， 更重要的是一个s o c 芯片内嵌有基本软件( r d o s 或c o s 以及其他应用软件) 模块 或可载入的用户软件等。系统级芯片形成或产生过程包含以下三个方面： 1 基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证； 2 再利用逻辑面积技术使用和产能占有比例有效提高即开发和研究p 核生 成及复用技术，特别是大容量的存储模块嵌入的重复应用等： 3 超深亚微米( u d s m ) 、纳米集成电路的设计理论和技术。 具体地说，s o c 设计的关键技术主要包括总线架构技术、p 核可复用技术、软 硬件协同设计技术、s o c 验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚 微米电路实现技术等，此外还要做嵌入式软件移植、开发研究，是- - f - j 跨学科的新 兴研究领域。 1 2 2s o c 技术优势 当前芯片设计业正面临着一系列的挑战，系统芯片s o c 已经成为i c 设计业界 的焦点，s o c 性能越来越强，规模越来越大。s o c 芯片的规模一般远大于普通的 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，特定用途集成电路) ，同时由于深亚微 第一章绪论 米工艺带来的设计困难等。使得s o c 设计的复杂度大大提高。在s o c 设计中，仿真 与验证是s o c 设计流程中最复杂、最耗时的环节，约占整个芯片开发周期的5 0 - - 8 0 ，采用先进的设计与仿真验证方法成为s o c 设计成功的关键。s o c 技术的发 展趋势是基于s o c 开发平台，基于平台的设计是一种可以达到最大程度系统重用的 面向集成的设计方法，分享口核开发与系统集成成果，不断重整价值链，在关注面 积、延迟、功耗的基础上，向成品率、可靠性、e m i 噪声、成本、易用性等转移， 使系统级集成能力快速发展。 未来的s o c 终将会用到更多的处理器，以便更加灵活的支持不断出现的新应 用。设计方法也会改进来应对新的挑战，它会对设计工具提出新的要求，产生新 的设计技术。这些趋势主要体现在以下方面： 1 邛复用将不仅在硬件领域，在软件设计领域同样需要： 2 机遇平台的设计，今后的设计将在一个应用平台上完成，该平台将包括一 个或多个处理器和逻辑单元： 3 可编程、可配置、可扩展的处理器核的使用，会使得原有的设计流程和设 计者思维发展变化： 4 系统级验证，利用高级语言搭建验证平台和编写验证向量，需要相应的工 具支持； 5 软、硬件协同综合，使得在同样的约束条件下，系统达到最优的性能。 而这些要求设计层次想着更高的抽象层次发展。 1 3 多媒体芯片的发展 多媒体芯片可以支持被用来设计成能够播放高品质视频、音频，也可以浏览图 片以及作为移动硬盘、数字银行的便携设备；更有产品还具备一些十分新颖、实 用的功能，例如能够录制视频，它可以将来自d v d 、电视等设备的信号以m p e g - 4 格式保存在硬盘中；即将推出的一些m p 4 播放器支持p i m 管理以及无线网络功能， 可以在无线环境普及后发挥出更多作用。而且现在所见的到m p 4 播放器，大多数 都带是具有高速处理能力的多媒体芯片的衍生品，不但具有视频播放、转制等专 业的视频功能，并具备非常齐全的视频输入输出端口，因此高速多媒体芯片，可 以被应用于多种工作环境，例如：接驳投影机以及电视等输出设备【z j 。从个人使用 的角度来看，便携式多媒体设备最大优势在于体积小巧，携带方便，能够随时、 随身播放视频。 最初的多媒体芯片多以音频处理、简单的图片处理为主。例如早期的m p 3 设 备，到投影仪，都是对简单的影音图片信号进行简单的处理，再传输到外接设备 中。而现在随着s o c 技术的快速发展，以及相应的视频算法，音频算法的开发， 4s o c 环境下的c a m e r ai n t e r f a c e 设计 多媒体芯片不但涉及在音频领域，更多的是在视频图像领域的应用。从两年前的 a v i 解码芯片到如今的r m v b 格式的解码芯片的开发，多媒体芯片技术确实已经 得到了月新月异的发展。超高速的解码能力，低功耗技术的快速发展，都是对可 便携多媒体设备发展写下了坚实的一笔。而c a m e r ai n t e r f a c e 就是基于多媒体芯片 的超高速解码能力，而开发的视频输入接口，丰富了多媒体芯片的功能，更是对 国内多媒体芯片的市场进行了高层次的指导。 1 4 论文的任务与安排 本人以多媒体芯片为应用背景，考虑了通用性和易用性对视频数据传输进行了 相关的研究和开发，主要工作包括以下几个方面： 1 研究s o c 设计原理，总结当前较为常见的多媒体芯片接口特点，分析各 种主流的c a m e r ai n t e r f a c e 原理； 2 总结多媒体芯片的结构特征，研发基于多媒体芯片的高速c a m e r ai n t e r f a c e 硬件设计； 3 使用n c _ v e r i l o g 等仿真工具进行全面细致的分析仿真，利用综合工具d c ( d e s i g nc o m p i l e ) 对芯片的面积、时序进行了优化，完成系统的前端工作。 本文结构安排： 第一章为绪论，分析选题背景，介绍了作者本人在课题研究内容和本文的内容 组织结构； 第二章系统的归纳了c a m e r ai n t e r f a c e 所需要采用的技术，研究了图像色彩格 式、视频采样输入控制和输出数据格式； 第三章研究接口原理，依照接口要求对模块进行可行性分析，并设计接口硬件 电路，完成设计工作； 第四章分析模块的验证方法，对模块进行验证工作； 第五章研究综合方法，以及验证脚本的编写方法，对模块进行综合以及时序、 面积优化； 最后在第六章中，将给出对整个课题研究的总结和展望。 第二章系统与构架 第二章系统与构架 本课题研究的是摄像接入设备系统的s o c 实现。本设备采用外接摄像头的形 式兼容摄像功能，c a m e r ai n t e r f a c e 兼容市场上主流的摄像产品功能，采用配置寄存 器的方式对摄像接口进行功能控制。并可以接收来自摄像传感器r r u r6 0 1 6 5 6 y c b c r 以及r g b l 6 最大可实现4 0 9 6 * 4 0 9 6 的视频信号。以下是对摄像视频的主要 协议的介绍。 2 1s o c 系统简介 c a m e r ai n t e r f a c e 这个模块就是为a s a p l 8 1 0 芯片所设计，a s a p l 8 1 0 是一款国 内自主研发的最新多媒体可控芯片。 2 1 1 芯片简介 a s a p l 8 1 0 是一套完整的个人媒体播放器解决方案，可为消费者提供高质量的 多媒体体验。a s a p l 8 1 0 系统级芯片( s o c ) 让客户有能力设计和开发具有音频、 视频、游戏、学习和无线功能的高性能数字多媒体播放器。 a s a p l8 1 0 是单芯片数字媒体系统，它是数字音频播放器，p d a ，录音机，手 机，便携式视频播放器和数字图片夹应用的理想解决方案。a s a p l 8 1 0 提供了更长 的电池寿命，更小的外部体积，更高的处理性能和优秀的软件调试功能。 a s a p l 8 1 0 的特点之一是具备低功耗，以至于可以延长电池的寿命。它的电源 管理单元包含一个智能的锂离子电池充电器，而且它被设计成支持a v c ( a d a p t i v e v o l t a g ec o n t r 0 1 ) ，a v c 能减少大约系统功耗的5 0 。a v c 也允许芯片工作在很高 的c p u 系统频率，而这个频率高于正常的电压控制系统。 为了提供最大的应用灵活性，a s a p l 8 1 0 集成了大量的i o 端口。它能有效地 与各种闪存、a t a 驱动、串行总线、智能l c d 连接。还能通过集成的高速应用 u a r t 和4 b i ts d i o 控制器，与蓝牙和w i f i 等高级应用连接。 对于便携式音频播放器a s a p l 8 1 0 集成了整个可用的模拟部件。它包括与耳机 和扬声器放大器相关的高分辨率音频编解码器、8 通道1 2 b i ta d c 、大电流电池充 电器、5 v 操作的线性调节器、嵌入p h y 的高速u s b 2 0o t g 和多种系统监控 和基础系统。 a s a p l 8 1 0 的中央处理器是由含两个高速缓冲存储器，一个容量为4 0 k b y t e s 的嵌入式s r a m 和个集成的存储器管理单元组成，它可为音频交叉衰减 6 s o c 环境下的c a m e r ai n t e r f a c e 设计 ( c r o s s f a d i n 曲和后处理、m p 3 、w i n d o w sm e d i aa u d i o ( w m a ) 编码，以及静动态 视频解码等高级功能提供所需的处理能力。 2 1 2 芯片特点 图2 1a s a p l 8 1 0 系统架构图 a s a p l 8 1 0 的硬件特点如下：采用a r m r i s c 3 2c p u 口1 最高运行在1 8 0 m i - i z ： 集成的低功耗容量为4 0 1 0 3 的片上r a m ；高速u s b ，速度最高可达4 8 0 m b s ，完 全支持o t g ( o n t h e g o ) ；对于电源管理单元，温度传感器可以激活适应性的电 源管理单元；在音频编码9 9 d b 信噪比的数字转模拟立体声系统，9 0 d b 信噪比的 模拟转数字立体声系统，立体耳机直接驱动大滤波电容，单声道语音输入，双声 道立体声输入；s p d i f 数字输出，8 通道a d 转换器，e m i 外部存储接口，提供 s d r a m 和n o rf l a s h ；数量多的外部多媒体接口，最大支持4 个n a n d 闪存， 高速m m c ，m s ；1 6 d m a 通道的双外设总线桥，多外设时钟域节约功耗使性能优 化，d m a 链接d m a 指令结构节约功耗；液晶显示( l c d ) 接口适用于所有标准 l c d 单元；符合大多数工业接口的l c d 控制器，支持t f t - s t n 、- r g b ，支 持r g b 的旁路输出；两个通用异步收发器( u a r t ) ，最高1 5 m b s 的高速u a r t 控制；主从1 2 c ，同步串行接口( 应用s p i ，m m c ，s d i o ，m s ) ；4 通道1 6 位循环解 第二章系统与构架7 码计数器；5 通道脉冲宽度调节器( p w m ) ：1 0 m 1 0 0 m 以太网m a c 控制器；灵 活的i o 管脚，所有的数字管脚有驱动强度( 4 m a ，8 m a ) 控制，几乎所有的数字 管脚都支持多用途的输入输出( g p i o ) 模式，几乎所有的数字管脚都支持上拉模 式。 2 1 3 芯片功能 a s a p l 8 1 0 采用a r m 9 内核，并集成了u s b 2 0 、u s bo n t h e g o 和v f i r ，以 及一个t e a 5 7 6 7f m 调频器。通过把电池充电、电源管理、音频编解码器和闪存 控制器集成在一个单芯片上，a s a p l 8 1 0 解决方案能实现相比现有高容量闪存式播 放器延长8 0 的电池寿命，并使体积更a n , j , 巧；同时，依靠a r m 9 强大的处理功 能，客户也可以开发许多新的功能。该芯片除了支持各主要音频编解码器，包括 3 、w l l l d o w sm e d i a a u d i o 、从c 及o g gv o r b i s ，还支持m p e g 4 、h 2 6 4 及w m y 9 视频编解码器。而以前的系列仅支持w m a 格式的视频。基本上a s a p l 8 1 0 系列 是音频播放器的理想选择，已经通过了d r m l 0 、p 4 s 2 0 兼容性测试。还有现在 1 r i p 3 产品在容量上也会越来越大，也会到1 g 、2 g 、4 g 、8 g 。在a s a p l 8 1 0 平台 上基本上支持超过1 g 以上的容量。也支持大屏幕l c d ，无论2 寸、3 5 寸都可以 直接支持。 a s a p l 8 1 0 是真正一个s o c 。它已经把整个音频处理、模拟部分、电容管理、 充电器、u s b 控制器整合在同一个芯片里。整个系统是一个很简单的设计。你只 需要外挂一个闪存、s d r a m 、电池、l c d ，基本上就是一个m p 3 媒体播放器。 如果需要f m 功能，就增加一个t e a 5 7 6 7 芯片。其他外围功能都已经整合在 a s a p l 8 1 0 芯片里。 除了上述所说的以外，a s a p l 8 1 0 也提供一个视频的解码器，市场上有太多不 同的视频格式，基本上没有一台播放器可以播放所有的格式，针对这个问题 a s a p l 8 1 0 提供一个p c 解码器，解码器作为媒体格式的一个转化，是针对不同格 式、不同分辨率做一个解码。这个解码器可以支持不同的音频格式，包括r e a l ；视 频上支持h 2 6 4 、w m v 等等。也支持a v i 、m p e g 。在无线连接性方面，也把w i f i 功能加入到a s a p l 8 1 0 里面1 4 j 。 2 1 4c a m e r ai n t e r f a c e 模块构架 如上节所介绍，d i s p l a ys y s t e m 挂靠在a h b 总线巧上，a r m 内核通过d m a 链对系统进行功能配置，图2 2 为d i s p l a ys y s t e m 的结构，其中c a m e r ai n t e r f a c e 接 收c a l t l e r a $ e i l s o r ( 摄像头) 的视频信号，并对信号进行处理将信号转化成只有 s o c 环境下的c a m e r ai n t e r f a c e 设计 y u v 4 ：2 ：2 或r g b l 6 的格式，再传输到s c a l e 或l c d 模块中。 图2 2l c d 以及摄像头系统构架图 如图2 2 ，c a m e r ai n t e r f a c e 将挂靠在s o c 系统中的a h b 总线上，控制信号通 过d m a 链对c a m e r ai n t e r f a c e 进行功能配置，c a m e r ai n t e r f a c e 通过s c c b 总线对 c a m e r as e n s o r 进行具体的传输控制，最终实现将i m a g es e n s o r 的视频信号输入至 c a m e r as c a l e 或到l c d 输出系统中，而在c a m e r ai n t e r f a c e 输出采用3 2 b i t 位数据 进行传输。 2 2 数据传输格式 如上节介绍，c a m e r ai n t e r f a c e 将外接i m a g es e n s o r ，采用8 b i t 数据输入格式， 输入数据包括i t u rb t 6 0 1 6 5 6y c b c r 以及r g b l 6 。c a m e r ai n t e r f a c e 输出端接在 s c a l e 或l c d 显示端，输出数据为3 2 b i t 。 2 2 1 视频格式介绍 本系统中，视频传输将以- 、r g b 两种格式传输硒。以下将详细对这两种 格式进行说明。 第二章系统与构架9 2 2 1 1r g b 格式介绍 在c a l t l r e ai n t e r f a c e 系统中，视频传输将以y u v 、r g b 两种格式传输。r g b 色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三个颜色通道 的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，r g b 即是代表红、绿、 蓝三个通道的颜色，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前 运用最广的颜色系统之一。 r g b 色彩模式使用r g b 模型为图像中每一个像素的r g b 分量分配一个0 , - - 2 5 5 范围内的强度值。例如：纯红色r 值为2 5 5 ，g 值为0 ，b 值为o ；灰色的r 、g 、 b 三个值相等( 除了0 和2 5 5 ) ；白色的r 、g 、b 都为2 5 5 ；黑色的r 、g 、b 都 为0 。r g b 图像只使用三种颜色，就可以使它们按照不同的比例混合，在屏幕上 重现1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色。 在r g b 模式下，每种r g b 成分都可使用从0 ( 黑色) 到2 5 5 ( 白色) 的值。 例如，亮红色使用r 值2 4 6 、g 值2 0 和b 值5 0 。当所有三种成分值相等时，产生 灰色阴影。当所有成分的值均为2 5 5 时，结果是纯白色：当该值为0 时，结果是 纯黑色。 目前的显示器大都是采用了r g b 颜色标准，在显示器上，是通过电子枪打在 屏幕的红、绿、蓝三色发光极上来产生色彩的，目前的电脑一般都能显示3 2 位颜 色，约有一百万种以上的颜色。 1 r g b 原理 r g b 是从颜色发光的原理来设计定的，通俗点说它的颜色混合方式就好像有 红、绿、蓝三盏灯，当它们的光相互叠合的时候，色彩相混，而亮度却等于两者 亮度之总和，越混合亮度越高，即加法混合。 有色光可被无色光冲淡并变亮。如蓝色光与白光相遇，结果是产生更加明亮的 浅蓝色光。知道它的混合原理后，在软件中设定颜色就容易理解了。 红、绿、蓝三盏灯的叠加情况，中心三色最亮的叠加区为白色，加法混合的特 点：越叠加越明亮。 红、绿、蓝三个颜色通道每种色各分为2 5 5 阶亮度，在0 时“灯”最弱是关 掉的，而在2 5 5 时“灯”最亮。当三色数值相同时为无色彩的灰度色，而三色都为 2 5 5 时为最亮的白色，都为o 时为黑色。 r g b 颜色称为加成色，因为您通过将r 、g 和b 添加在一起( 即所有光线反 射回眼睛) 可产生白色。加成色用于照明光、电视和计算机显示器。例如，显示 器通过红色、绿色和蓝色荧光粉发射光线产生颜色。绝大多数可视光谱都可表示 为红、绿、蓝( r g b ) - 三色光在不同比例和强度上的混合。这些颜色若发生重叠， 1 0s o c 环境下的c a m e r ai n t e r f a c e 设计 则产生青、洋红和黄。 2 r g b 编码格式 对一种颜色进行编码的方法统称为“颜色空间”或“色域”。用最简单的话说，世 界上任何一种颜色的“颜色空间”都可定义成一个固定的数字或变量。r g b ( 红、 绿、蓝) 只是众多颜色空间的一种。采用这种编码方法，每种颜色都可用三个变 量来表示一红色绿色以及蓝色的强度。记录及显示彩色图像时，rg b 是最常见的一 种方案。但是，它缺乏与早期黑白显示系统的良好兼容性。因此，件多电子电器 厂商普遍采用的做法是，将r g b 转换成y u v 颜色空同，以维持兼容，再根据需 要换回r g b 格式，以便在电脑显示器上显示彩色图形。 由于网页( w e b ) 是基于计算机浏览器开发的媒体，所以颜色以光学颜色r g b ( 红、绿、蓝) 为主。网页颜色是以1 6 进制代码表示，一般格式为# z y z a b c ( 字 母用数字代替) 如黑色是三个颜色为0 ，在网页代码便是：# 0 0 0 0 0 0 。当颜色代码 为# x x y y z z 时，可以用# x y z 表示，如# 1 3 5 与 f j 1 1 3 3 5 5 表示同样的颜色。 而现行r g b 的格式主要包括，r g b l 、r g b 4 、r g b 8 、r g b l 6 、r g b 2 4 、r g b 3 2 几种格式。其中r g b l 、r g b 4 、r g b 8 都是调色板类型的r g b 格式，在描述这些 媒体类型的格式细节时，通常会在数据结构后面跟着一个调色板( 定义一系列颜 色) 。它们的图像数据并不是真正的颜色值，而是当前像素颜色值在调色板中的索 引。以r g b i ( 2 色位图) 为例，比如它的调色板中定义的两种颜色值依次为0 x 0 0 0 0 0 0 ( 黑色) 和0 x _ f f f f f f ( 白色) ，那么图像数据0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 ( 每个像素用1 位 表示) 表示对应各像素的颜色为：黑黑白白黑白黑白黑白白白。 r g b 2 4 使用2 4 位来表示一个像素，r g b 分量都用8 位表示，取值范围为0 - 2 5 5 。 注意在内存中r g b 各分量的排列顺序为：b g r b g r b g r 。 r g b 3 2 使用3 2 位来表示一个像素，r g b 分量各用去8 位，剩下的8 位用作 a l p h a 通道或者不用。注意在内存中r g b 各分量的排列顺序为：b g r ab g r a b g r a 。 而在本系统中，采用r g b l 6 比特模式，1 6 比特模式分配给每种原色各为5 比 特，其中绿色为6 比特，因为人眼对绿色分辨的色调更精确。但某些情况下每种 原色各占5 比特，余下的1 比特不使用。r g b 5 6 5 使用1 6 位表示一个像素，这1 6 位中的5 位用于r ，6 位用于g ，5 位用于b 。程序中通常使用一个半字来操作一 个像素。当读出一个像素后，这个字的各个位意义如下： 高字节低字节 r r r r rgg g g gg b b b b b 如上，r g b l 6 标示每个像素占1 6 b i t 也就是一个半字。在本系统传输中每两个 摄像头时钟将传输一个像素【7 】。 第二章系统与构架 2 2 1 2 格式介绍 ( 亦称y c 吒b ) 是被欧洲电视系统所采用的种颜色编码方法( 属于p a l ) ， 是p a l 和s e c a m 模拟彩色电视制式采用的颜色空间。其中的y u ，v 几个字母不 是英文单词的组合词，y 代表亮度，u v 代表色差，u 和v 是构成彩色的两个分量。 在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色c c d 摄影机进行取像， 然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到r g b ，再经过矩阵变换 电路得到亮度信号y 和两个色差信号r y ( 即u ) 、b y ( 即v ) ，最后发送端 将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这种色彩的表示方 法就是所谓的y u v 色彩空间表示。采用y u v 色彩空间的重要性是它的亮度信号 y 和色度信号u 、v 是分离的。如果只有y 信号分量而没有u 、v 信号分量，那 么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用y u v 空间正是为了用亮度信 号y 解决彩色电视机与黑白电视机的相容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视 信号。 1 y u v 的优点 y u v 主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视。与r g b 视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽( r g b 要求三个独立 的视频信号同时传输) 。其中“y 表示明亮度( l u m i n a n c e 或l u m a ) ，也就是灰 阶值；而“u 和“v 表示的则是色度( c h r o m i n a n c e 或c h r o m a ) ，作用是描述 影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是透过r g b 输入信号来建立 的，方法是将r g b 信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方 面色调与饱和度，分别用c r 和c b 来表示。其中，c r 反映了g b 输入信号红色 部分与r g b 信号亮度值之间的差异。而c b 反映的是r g b 输入信号蓝色部分与 r g b 信号亮度值之同的差异。 采用y u v 色彩空间的重要性是它的亮度信号y 和色度信号u 、v 是分离的。 如果只有y 信号分量而没有u 、v 分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。 彩色电视采用y 吖空间正是为了用亮度信号y 解决彩色电视机与黑白电视机的兼 容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。 2 y u v 和r g b 互换 y u v 与r g b 相互转换的公式如下( r g b 取值范围均为0 - 2 5 5 ) ： y = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g - f0 1 1 4 b u = 0 1 4 7 r 0 2 8 9 g 十0 4 3 6 b v = 0 6 1 5 r 0 5 1 5 g 一0 1 0 0 b r = y + 1 1 4 v 1 2s o c 环境下的c a m e r ai n t e r f a c e 设计 g = y - 0 3 9 u - 0 5 8 v b = y + 2 0 3 u 3 y u v 的主要格式 常见的y u v 格式有y u y 2 、v 、w 7 、i 删、a 、y 4 1 p 、y 4 1 1 、 y 2 1 l 、i f 0 9 、r y l 、y v l 2 、y 7 9 、y u v 4 1 1 、y u v 4 2 0 等。 1 ) y u v 4 4 4 y u v 三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信 息完整，如果每个分量用8 比特表示，则未经压缩的每个像素占用3 个字节。 原始像素为： 【y 0u 0v 0 【y 1u 1v 1 【y 2u 2v 2 【y 3u 3v 3 】 采样后的码流为：y o u o v oy 1 u 1 v 1y 2 u 2 v 2y 3 u 3 v 3 ( y ：u ：v - - 4 ：4 ：4 ) 还原后的像素为： y 0u 0v 0 y 1u 1v 1 】 y 2u 2v 2 y 3u 3v 3 】 2 ) y u v 4 2 2 每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半，所以水平方向的色度抽样率只是 4 ：4 ：4 的一半。对非压缩的8 比特量化的图像来说，每个由两个水平方向相邻的像 素组成的宏像素需要占用4 字节内存。 原始像素为：0u 0v 0 】 y 1u 1v 1 】i v 2u 2v 2 】 y 3u 3v 3 】 采样后的码流为：y o u 0y 1v 1y 2 u 2y 3 v 3 ( y ：u ：v - - 4 ：2 ：2 ) 还原后的像素为： y 0u 0v 1 】 y 1u 0v 1 y 2u 2v 3 】 y 3u 2v 3 】 3 ) y u v 4 1 1 4 ：1 ：1 的色度抽样，是在水平方向上对色度进行4 ：1 抽样。对于低端用户和消费 类产品这仍然是可以接受的。对非压缩的8 比特量化的视频来说，每个由4 个水 平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用6 字节内存 原始像素为：w ou 0v 0 y 1u 1v 1 y 2u 2v 2 】 y 3u 3v 3 】 采样后的码流为：y o u 0y 1y 2 v 2 y 3 ( y ：u ：v - - 4 ：1 ：1 ) 映射出像素点为： y 0u 0v 2 y 1u 0v 2 】 y 2u 0v 2 y 3u 0v 2 4 ) y u v 4 2 0 4 ：2 ：0 并不意味着只有yc b 而没有