CN101674400A

CN101674400A - 一种摄像系统及其方法

Info

Publication number: CN101674400A
Application number: CN200810216214A
Authority: CN
Inventors: 许毅勇
Original assignee: Shenzhen Jingwei Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Jingwei Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: CN101674400B

Abstract

本发明涉及一种摄像系统及其控制方法，该系统包括主控制处理器芯片、LCD显示屏和摄像头，所述LCD显示屏和摄像头通过共用数据线直接连接到所述主控制处理器芯片的LCD显示屏接口，其中，所述摄像头还分别连接到所述主控制处理器芯片的输出时钟信号引脚、同步信号检测引脚、通用输入/输出引脚和I2C总线接口。实施本发明的摄像系统及其控制方法，通过节省专用用于摄像头控制处理器，以极小的成本，增加手机、数码相机等具有摄像系统的产品的拍照和摄像功能。另外采用具有通用输入/输出和时钟输出功能的复用引脚来模拟时钟信号，控制摄像头的工作，使之与主控制处理器芯片同步工作，并通过主控制处理器芯片的数据总线读取摄像头输出的图象信息的技术。

Description

一种摄像系统及其方法

技术领域

本发明涉及摄像装置，更具体地说，涉及一种摄像系统及其方法。

背景技术

现有图像传感器主要有两种器件，一是CCD(Charge Couple Device)电荷耦合器件，另一个是CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)互补型金属氧化物半导体。采用CMOS传感技术的摄像头，内建一个感光矩阵。矩阵大小与分辨率相关，如VGA是640x480个像素，CIF是352x288个像素。每个像素由红R、绿G、蓝B三个感光单元组成，每个感光单元均有一个ADC模数转换单元与之相连。感光单元是以集成电路半导体制造技术制成在晶原上。摄像头模组的透镜系统将外部图像投射到感光矩阵上，相应色彩的感光单元因光线强弱产生不同强度的电压(电流)，由ADC将其转换成数字信号，在内建的逻辑电路和外部时钟信号的控制下以一定的规则和速度对外输出图像信息。

其中，对于ISP在CMOS模组上的应用原理，ISP(Image Signal Process)图像信号处理单元，无论数码相机、摄像机或者摄像手机，其影像数据从前端感应后，皆须经过ASP(Analog Signal Processing)、ADC(Analog-DigitalConverter)、前期影像处理(Pre-ISP)与后端影像处理(Post-ISP)四个阶段后，影像数据才能最终呈现于终端设备上。但由于图像传感器的像素高低不同、及其他成本等的考虑，ISP各功能区域会依手机市场特性做分散配置或整合处理，例如，低端相机将Pre-ISP与传感器整合在一起，2.0M像素手机将所有的ISP功能单独做成一个芯片等。ASP(Analog Signal Processor)主要是针对图像传感器采集的电压或电流信号进行处理，主要作用是信号放大、自动曝光调整、时序控制、像素抽样控制等。因其与初始信号的绝对相关性，一般的图像传感器厂商皆会将此项功能直接与传感器做在一块。在图一中即为蓝色部分。传感数据经过ASP处理后，输出数据为Raw Data。Pre-ISP(Image Signal Processor)为前端影像处理，主要针对ADC转换后传出的数字数据(Raw data)，进行影像坏点修补、白平衡、gamma校正、锐利度、颜色插值等。在低像素的产品中，例如0.3M像素，因影像数据较少，不需要大规模的复杂处理，会将Pre-ISP与图像传感器做在同一颗芯片中；但高像素CMOS传感器，因需要处理的像素数越来越多，虽然将Pre-ISP集成在sensor内部从制造技术上来讲不困难，但因成本及成像质量的原因，有些手机设计公司在设计时会将集成于sensor内部的Pre-ISP功能屏蔽掉，并维持传感器ADC输出的原始资料，交由单独的ISP芯片或集成在Baseband的ISP进行处理。

由Pre-ISP处理完后的数据分为RGB和YUV，RGB为三原色，数据比YUV较大，可以方便后续处理单元(Post-ISP)做更为多元的变化；YUV为RGB三原色经内插法所得，数据量较小，但不利于后续的处理单元进行处理。

对于实力强的手机研发公司比较倾向于使用Raw data数据或者RGB数据，这样可以根据自己的需要调整出更完美的画面质量。Raw data数据也为以后高端市场的使用方向，但国内现阶段2.0M像素的模组应用还处于初级阶段。因此还是以YUV输出的为主。

Post-ISP虽然也称为后端影响处理，但其与成像相关的工作不多，主要负责数据压缩与后端接口界面控制，以及数据传输、控制等工作，其中还包括LCD影像预览、镜头对焦控制、使用界面等。

在现有技术中摄像头控制器(Camera Controller)集成了前述的ISP功能，并且还具有如下其它功能：1)与主控处理器的接口(HOST I/F)；2)与显示屏的接口(LCD I/F)；3)与摄像头的接口(Camera I/F)；4)图像处理模块(压缩插值特效缩放等)；5)USB接口(可选)；6)存储卡接口(可选)；7)其它附加功能；不使用摄像头时，摄像头控制器(Camera controller)处于休眠状态，主控处理器(Host)通过bypass模式直接控制显示屏。当使用摄像头(Camera)时，主控处理器(Host)通过特定引脚或寄存器唤醒摄像头控制器(Camera controller)。摄像头控制器(Camera controller)向摄像头(Camera)输出时钟信号，通过I2C总线向摄像头(Camera)的写入初始化代码，使摄像头(Camera)开始采集并输出图像信息。摄像头控制器(Camera controller)通过Camera I/F接口接收数据，并通过LCD I/F接口输出到显示屏显示。拍照时，摄像头控制器(Camera controller)将接收下来的图像数据送至图像处理模块，压缩成Jpeg图片后，回传给主控(Host)，或者放于存储卡中。

总之，现有技术中需增加专用于处理摄像头输出数据的控制处理器，成本较高；需要增加协处理器及其外围电路，提升了系统电路的复杂度。协处理器另有一套控制寄存器和通讯协议，与主控制处理器芯片配合工作时，需移植相关的驱动程序，增加软件复杂度。低端的VGA 30万像素，CIF10万像素的摄像头已集成Pre-ISP功能，主控制处理器芯片也有一定的运算能力，均未得到有效利用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述整个产品的成本较高，系统电路的复杂度较高，系统的软件复杂度较高，未充分利用主控制处理器芯片等缺陷，提供一种摄像系统及其方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种摄像系统，包括主控制处理器芯片、LCD显示屏和摄像头，所述LCD显示屏和摄像头通过共用数据线直接连接到所述主控制处理器芯片的LCD显示屏接口，其中，所述摄像头还分别连接到所述主控制处理器芯片的输出时钟信号引脚、同步信号检测引脚、通用输入/输出引脚和I2C总线接口。

在本发明所述的摄像系统中，所述数据线是8比特的数据总线。

在本发明所述的摄像系统中，所述输出时钟信号引脚是具有通用输入/输出和时钟输出功能的复用引脚；或者

所述输出时钟信号引脚包括两个引脚，其中，一个引脚为通用输入/输出引脚，另一个引脚为时钟输出引脚。

在本发明所述的摄像系统中，所述同步信号检测引脚包括两个输入引脚，其中，一个引脚用于检测所述摄像头输出的帧同步信号，另一个引脚用于检测摄像头输出的行同步信号。

在本发明所述的摄像系统中，所述I2C总线接口是I2C芯片或I2C软件模块，用于读写所述摄像头的控制寄存器，控制其工作状态。

在本发明所述的摄像系统中，所述通用输入/输出引脚包括两个输出引脚，其中，一个引脚用于摄像头的复位控制，另一个引脚用于省电模式控制。

根据本发明的另一个方面，提供一种针对该摄像系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：系统上电，初始化所述主控制处理器芯片和LCD显示屏；

S2：所述输出时钟信号引脚向所述摄像头发送时钟信号；

S3：所述主控制处理芯片读取所述摄像头的ID，判断所述摄像头是否处于正常工作状态，如果是，进入步骤S4，否则，进入步骤S10；

S4：所述主控制处理器芯片启动所述摄像头；

S5：所述主控制处理器芯片读取所述摄像头输出的帧同步信号，以寻找所述摄像头输出的图像的每一帧的帧头；

S6：所述主控制处理器芯片读取所述摄像头输出的行同步信号，以寻找所述摄像头输出的图像的每一行的起始点；

S7：所述主控制处理器芯片读取所述摄像头输出的图像的每一个像素，以组合成图像；

S8：所述主控制处理器芯片将所述组合成的图像发送到所述LCD显示屏；

S9：所述主控制处理器芯片判断是否要显示下一帧图像，如果是，进入步骤S5，否则，进入步骤S10；

S10：结束摄像显示。

在本发明所述的控制方法中，在所述步骤S4和S5之间还包括停止所述输出时钟信号引脚向所述摄像头发送时钟信号，将所述输出时钟信号引脚切换成通用输入/输出引脚，并通过将其电平拉高或拉低以输出模拟时钟信号。

在本发明所述的控制方法中，在所述步骤S1中，初始化所述主控制处理器芯片包括初始化所述主控制处理芯片控制所述摄像头所需的各个输入输出引脚，其中，将所述同步信号检测引脚设置为输入，所述I2C总线接口设置为I2C模式，所述通用输入/输出引脚设置为输出，所述输出时钟信号引脚设置为时钟输出模式。

在本发明所述的控制方法中，在所述步骤S1中，初始化所述LCD显示屏包括设置所述LCD显示屏的各项参数，指定图像的显示区域。

实施本发明的一种摄像系统及其方法，具有以下有益效果：通过节省专用于摄像头控制处理器，以极小的成本，增加手机、数码相机等具有摄像系统的产品的拍照和摄像功能。简化相应电路及驱动软件，提升系统稳定度。经测试，本技术方案在MTK6223A平台上，ARM7架构下，52MHZ主频时，能实现10像素的摄像头以约10帧/秒进行图象显示，拍照时，只需将取下的图像数据通过软件压缩成Jpeg即可实现。因摄像头已具有Pre-ISP功能，图像效果的优化调试则通过I2C调节相关寄存器实现。另外采用具有通用输入/输出和时钟输出功能的复用引脚来模拟时钟信号，控制摄像头的工作，使之与主控制处理器芯片同步工作，并通过主控制处理器芯片的数据总线读取摄像头输出的图象信息的技术。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明摄像系统的电路原理框图；

图2是图1所示的摄像头图像数据输出时序示意图；

图3是对图1所示的摄像系统的控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明的摄像系统中，包括主控制处理器芯片、LCD显示屏和摄像头，LCD显示屏和摄像头通过共用8比特的数据总线直接连接到所述主控制处理器芯片的LCD显示屏接口，从而取消现有技术中为摄像头增加的相关控制器和协处理器，该摄像头还分别连接到主控制处理器芯片的输出时钟信号引脚、同步信号检测引脚、通用输入/输出引脚和I2C总线接口。另外，针对摄像头和LCD显示屏的片选CS可共用，也可分开使用，当主控制处理器芯片与LCD显示屏连接的数据线是独立的时候，缓冲器可去掉。摄像头主要由镜头、影像感测单元、以及相关电路构成。视频信号由摄像头采集得到，经过内部的图像处理芯片后编码为规定的格式，一般为RGB或者YUV格式，本发明的其中一个发明点在于摄像头发送给主控制处理器芯片的的数据是不打包的，如图2所示，每帧数据开始时会有一个帧同步信号，低有效(typeI)或高有效(typeII)，帧同步信号有效的时间里有很多的行同步信号，在行同步信号有效的时候，每一个PCLK，数据总线会送出一个字节的数据，这个数据就是图像数据，没有任何的包头包尾。这个图像数据可以是RGB或者是YUV格式，但是由于LCD显示屏显示图像的时候，支持的是RGB数据，所以在本发明中摄像头发送出去的也是RGB格式，这样就可以不需要任何的变换，直接送到LCD显示屏上去就可以显示出来了，可以节省软件的工作量，减少了整个装置的复杂度。在本发明中摄像头设备不需要去获取，由于摄像头的引脚也不多，不容易出现硬件连接的问题。通常，只要给摄像头上电(一般DVDD2.8AVDD2.8 VCORE1.8)，供上时钟，然后以标准I2C方式，读取摄像头的一个ID寄存器，如能读到正确的ID(一般是摄像头型号)，摄像头基本就没问题了，接下来只要把一组相关的寄存器设置到正确的状态，最后启动，摄像头就会一帧帧的往外送数据。因为摄像头往外送数据时是以PCLK为基准的，而PCLK又以GPIO(CLK_OUT)引脚的时钟为基准，因此当需要接收摄像头数据时，主控CPU将GPIO(CLK_OUT)引脚的功能配置为GPIO，通过软件拉高或拉低此引脚的电平来模拟时钟，就可以实现摄像头在受控下输出图像数据。

如图1所示，GPIO(CLK_OUT)引脚用于输出时钟信号，其作为摄像头工作时的时间基准。应选用可以有GPIO(通用输入/输出接口)和CLK_OUT(时钟输出接口)两种功能的复用引脚，否则应使用分别具有前述两种功能的两个引脚并联使用。GPIO(IN)引脚用于同步信号检测，可使用主控制处理器芯片的两个输入引脚，一个引脚用于检测摄像头输出的帧同步信号，另一个引脚用于检测摄像头输出的行同步信号。LCD显示屏接口用于主控制处理器芯片与的LCD显示屏的连接，其数据线与摄像头共用其中的低8位，摄像头输出的数据是RGB565格式。主控制处理器芯片的I2C总线，可以是硬件I2C芯片，也可以是软件模拟的I2C模块，用于读写摄像头的控制寄存器，控制其工作状态。GPIO(OUT)引脚是主控制处理器芯片的两根输出脚，一根引脚用于摄像头的复位控制，一根引脚用于省电模式控制。本系统工作时，先对LCD显示屏进行初始化，当LCD显示屏完成初始化后，主控制处理器芯片将向摄像头发送时钟信号，进入工作状态。另外，关于主控制处理器芯片对摄像头和LCD显示屏进行的初始化可以是以软件方式、硬件方式或软硬件结合的方式实施。当使用软件方式实施时，对LCD显示屏或摄像头的初始化是一套程序代码，该程序代码对LCD显示屏或摄像头的寄存器进行设置，并控制相关的引脚、电源和时钟。

如图2所示摄像头图像数据输出时序示意图，GPIO(IN)引脚检测的帧同步信号是VSYNC，一般摄像头都可以产生两种帧同步信号，即Type1(类型1)和Type2(类型2)。GPIO(IN)引脚检测的行同步信号是HSYNC，一帧图像中包含有多行，如CIF(352x288)格式下，一帧含有288行。行与行之间有一定的空余时间，该时间可调。摄像头和LCD显示屏共用的数据总线D[7:0]，其用于摄像头输出图像数据，可配置输出YUV格式或RGB565格式的数据，RGB565格式下，一个像素对应两个字节。每一行有多个像素，如CIF(352x288)格式下，一行有352个像素，对应704个字节。PCLK为摄像头输出的同步时钟信号，在该时钟信号的上升沿或下降沿，D[7:0]输出有效的图像数据。

如图3所示，对于使用该摄像系统进行摄像时的控制方法，其具体工作原理，包括以下步骤：

S1：系统上电，初始化所述主控制处理器芯片和LCD显示屏；包括初始化主控制处理器芯片控制摄像头所需的各输入输出口，其中，将GPIO(IN)引脚的HSYNC和VSYNC设置输入，I2C总线接口的SCL和SDA配置成I2C模式，GPIO(OUT)引脚的RST和PDN设置为输出，GPIO(CLK_OUT)引脚配置成时钟输出模式。设置LCD显示屏的各项参数，指定图像的显示区域。

S2：GPIO(CLK_OUT)引脚向摄像头发送时钟信号；

S3：主控制处理芯片读取摄像头的ID，判断摄像头是否处于正常工作状态，如果是，进入步骤S4，否则，进入步骤S10，结束摄像显示；

S4：主控制处理器芯片启动摄像头；

S5：主控制处理器芯片读取摄像头输出的帧同步信号，以寻找摄像头输出的图像的每一帧的帧头；

S6：主控制处理器芯片读取摄像头输出的行同步信号，以寻找摄像头输出的图像的每一行的起始点；

S7：主控制处理器芯片读取摄像头输出的图像的每一个像素，以组合成图像；

S8：主控制处理器芯片将组合成的图像发送到LCD显示屏；

S9：主控制处理器芯片判断是否要显示下一帧图像，如果是，进入步骤S5，否则，进入步骤S10；

S10：结束摄像显示。

在实施中，在发明的另一个技术要点在于，通过GPIO引脚来模拟时钟信号，控制摄像头的工作，使之与主控制处理器芯片同步工作，因此在步骤S4和S5之间还包括停止GPIO(CLK_OUT)引脚向摄像头发送时钟信号，将GPIO(CLK_OUT)引脚切换成普通的GPIO引脚，并通过将其电平拉高或拉低以输出模拟时钟信号。

本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims

1、一种摄像系统，包括主控制处理器芯片、LCD显示屏和摄像头，其特征在于，所述LCD显示屏和摄像头通过共用数据线直接连接到所述主控制处理器芯片的LCD显示屏接口，其中，所述摄像头还分别连接到所述主控制处理器芯片的输出时钟信号引脚、同步信号检测引脚、通用输入/输出引脚和I2C总线接口。

2、根据权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，所述数据线是8比特的数据总线。

3、根据权利要求2所述的摄像系统，其特征在于，所述输出时钟信号引脚是具有通用输入/输出和时钟输出功能的复用引脚；或者

4、根据权利要求2所述的摄像系统，其特征在于，所述同步信号检测引脚包括两个输入引脚，其中，一个引脚用于检测所述摄像头输出的帧同步信号，另一个引脚用于检测摄像头输出的行同步信号。

5、根据权利要求2所述的摄像系统，其特征在于，所述I2C总线接口是I2C芯片或I2C软件模块，用于读写所述摄像头的控制寄存器，控制其工作状态。

6、根据权利要求2所述的摄像系统，其特征在于，所述通用输入/输出引脚包括两个输出引脚，其中，一个引脚用于摄像头的复位控制，另一个引脚用于省电模式控制。

7、一种针对如权利要求1～6任一所述的摄像系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：系统上电，初始化所述主控制处理器芯片和LCD显示屏；

S2：所述输出时钟信号引脚向所述摄像头发送时钟信号；

S4：所述主控制处理器芯片启动所述摄像头；

S10：结束摄像显示。

8、根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤S4和S5之间还包括停止所述输出时钟信号引脚向所述摄像头发送时钟信号，将所述输出时钟信号引脚切换成通用输入/输出引脚，并通过将其电平拉高或拉低以输出模拟时钟信号。

9、根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，初始化所述主控制处理器芯片包括初始化所述主控制处理芯片控制所述摄像头所需的各个输入输出引脚，其中，将所述同步信号检测引脚设置为输入，所述I2C总线接口设置为I2C模式，所述通用输入/输出引脚设置为输出，所述输出时钟信号引脚设置为时钟输出模式。

10、根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，初始化所述LCD显示屏包括设置所述LCD显示屏的各项参数，指定图像的显示区域。