彩色MT9V034摄像头 Bayer转rgb FPGA实现

1 图像bayer格式介绍

　　bayer格式是伊士曼·柯达公司科学家Bryce Bayer发明的，Bryce Bayer所发明的拜耳阵列被广泛运用数字图像。Bayer格式是相机内部的原始数据, 一般后缀名为.raw。

　　对于彩色图像,一般是三原色数据，rgb格式。但是摄像头一个像素点只有rgb中一种数据（下图为bayer色彩滤波阵列）。但是有很多摄像头直接输出rgb和yuv格式，如ov5640、ov7725等等，这是因为在Sensor模组的内部会有一个ISP模块，会将 Sensor采集到的数据进行插值和特效处理，所以直接输出彩色图像。但不是所有的摄像头都集成ISP，而直接输出Bayer数据，这就需要自己写Bayer转rgb算法。

2 MT9V034简单介绍

　　做图像处理的朋友都知道，MT9V034是一款十分出色的做机器视觉的摄像头，一般都是灰度的。但是也有彩色款，当时我觉得灰度的效果那么好，一时头热就买一个彩色款的。mt9v034用起来很方便，可以不用寄存器配置，上电默认752*480分辨率。根据需求也可以iic配置。

　　全局快门（相对滚动快门） 拍摄高速物体的效果：

　　高动态效果：

3 MT9V034 datasheet 简单解析

　　1）有效图像 752x480

　　　　最大时钟为27Mhz

　　　　最大帧率为60fps

　　　　10位的adc（我的是八位的输出，店家只将高8位引出，有点影响最后图像的精度）

　　2）这是mt9v034Bayer阵列，注意输出方向，从左到右，从上到下。

　　3）摄像头ID号要根据 S_CTRL_ADR1, S_CTRL_ADR0这两个引脚咋连接的

　　4）下图是摄像头原理图，很明显S_CTRL_ADR1, S_CTRL_ADR0是被拉低了，所以摄像头ID为0x90.上面说到摄像头只有高8位被引出，在这里可以证实了。

　　5）下面是大部分寄存器，mt9v034可配置的寄存器很少。0x00是芯片版本。03、04是摄像头分辨率

　　6）datasheet就介绍到这里，更多信息可以自己去阅读。

4 Bayer转rgb算法解析

我是用shift register ip 缓存两行数据，形成2*2窗口（这是FPGA做图像算法最常用的方法和ip），不是很会的朋友可以百度搜一搜，有很多博客可以学习，一定要自己仿真一下，搞明白，这有点难理解。

根据窗口移动，不难发现，总结出一条重要的规律：总共只有四种窗口，而且与行和列的奇偶有关。

假设计数器从零开始记数：

第一种{行偶，列偶}

第二种{行偶，列奇}

第三种{行奇，列偶}

第四种{行奇，列奇}

5 算法实现

首先说明我是用xilinx的zynq fpga，altera的也有类似的ip。我直接说明一下ip 参数修改，其他的怎么添加ip什么的我就不讲了，不会的自己百度学习。

　　1）这是ip首页，蓝框自定义ip名，修改一下红框的参数，我们是8位数据，一行数据为640个。clock enable端与sclr端可以根据自己的要求决定勾不勾选。其他默认就行，点击ok可以了。

　　2）vivado也提供端口例化模板，如下图操作就行，

　　3）源码

　　　　用两个shift register ip形成2*2的窗口，代码就不具体解说了，自己仿真一下结合源码理解吧。

`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2019/02/04 10:29:56
// Design Name: colour MT98V034 bayer2rgb
// Module Name: MT_bayer2rgb
// Project Name: Colour_MT_bayer2rgb
// Target Devices: ZYNQ7020
// Tool Versions: vivado2018.3
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

module MT_bayer2rgb(
    //system singal
    input                        s_rst_n            ,
    //cmos simgals
    input                        vsync_i            ,
    input                        hsync_i            ,
    input                        pclk            ,
    input            [:]        bayer_data        ,
    //输出
    output                        vsync_o            ,
    output                        hsync_o            ,
    output            [:]        rgb_data
    );

//========================================================================\
// =========== Define Parameter and Internal signals ===========
//========================================================================/

reg             [:]        col_cnt            ;
reg             [:]        row_cnt            ;

reg                         hsync_i_1        ;
reg                         hsync_i_2        ;
reg                         hsync_i_3        ;

reg                         vsync_i_1        ;
reg                         vsync_i_2        ;
reg                         vsync_i_3        ;

wire             [:]        line_1            ;
wire             [:]        line_2            ;
reg                [:]        data_control    ;

reg             [:]        line1_1            ;
reg             [:]        line1_2            ;    

reg             [:]        line2_1            ;
reg             [:]        line2_2            ;    

reg             [:]        rgb_r            ;
reg             [:]        rgb_g            ;
reg             [:]        rgb_b            ;
//=============================================================================
//****************************     Main Code    *******************************
//=============================================================================

//列计数
always @ (negedge pclk or negedge s_rst_n) begin
    if(s_rst_n == 'b0)
        col_cnt <= 'd0;
    else if (hsync_i_3 == 'b1 && hsync_i_2 == 1'b1)
        col_cnt <= col_cnt + 'b1;
    else
        col_cnt <= 'd0;
end

always @ (posedge pclk or negedge s_rst_n) begin
    if(s_rst_n == 'b0) begin
        hsync_i_1 <= 'b0;
        hsync_i_2 <= 'b0;
        hsync_i_3 <= 'b0;
    end
    else begin
        hsync_i_1 <= hsync_i;
        hsync_i_2 <= hsync_i_1;
        hsync_i_3 <= hsync_i_2;
    end
end

always @ (posedge pclk or negedge s_rst_n) begin
     if(s_rst_n == 'b0) begin
        vsync_i_1 <= 'b0;
        vsync_i_2 <= 'b0;
        vsync_i_3 <= 'b0;
    end
    else begin
        vsync_i_1 <= vsync_i;
        vsync_i_2 <= vsync_i_1;
        vsync_i_3 <= vsync_i_2;
    end
end

//行计数
always @ (posedge pclk or negedge s_rst_n) begin
    if(s_rst_n == 'b0)
        row_cnt <= 'd0;
    else if(~hsync_i && hsync_i_1)
        row_cnt <= row_cnt + 'b1;
    else if (~vsync_i && vsync_i_1)
        row_cnt <= 'd0;
end

//data_control
always @ (posedge pclk or negedge s_rst_n) begin
    if(s_rst_n == 'b0)
        data_control <= 'b100;
    else if (hsync_i_2 == 'b1 && hsync_i_1 == 1'b1)
        data_control <= {'b0,row_cnt[0],~col_cnt[0]};
    else
        data_control <= 'b100;
end

shift_ram        shift_ram_1 (
  .D             (bayer_data     ),        // input wire [7 : 0] D
  .CLK             (pclk            ),      // input wire CLK
  .CE             (hsync_i         ),       // input wire CE
  .SCLR            (~s_rst_n        ),      // input wire SCLR
  .Q             (line_1            )         // output wire [7 : 0] Q
);

shift_ram        shift_ram_2 (
  .D             (line_1            ),        // input wire [7 : 0] D
  .CLK             (pclk            ),      // input wire CLK
  .CE             (hsync_i         ),       // input wire CE
  .SCLR            (~s_rst_n        ),      // input wire SCLR
  .Q             (line_2            )         // output wire [7 : 0] Q
);

always @ (posedge pclk or negedge s_rst_n) begin
    if(s_rst_n == 'b0) begin
        line1_1    <= 'd0;
        line1_2    <= 'd0;

        line2_1 <= 'd0;
        line2_2 <= 'd0;
    end
    else begin
        line1_1    <= line_1;
        line1_2    <= line1_1;

        line2_1    <= line_2;
        line2_2    <= line2_1;
    end    

end

always @ (data_control) begin
       case(data_control)
           'b000 : begin
               rgb_r = line1_1;
               rgb_g = line2_1 + line1_2;
               rgb_b = line2_2;
           end
           'b001 : begin
               rgb_r = line1_2;
               rgb_g = line1_1 + line2_2;
               rgb_b = line2_1;
           end
           'b010 : begin
               rgb_r = line2_1;
               rgb_g = line1_1 + line2_2;
               rgb_b = line1_2;
           end
           'b011 : begin
               rgb_r = line2_2;
               rgb_g = line2_1 + line1_2;
               rgb_b = line1_1;
           end
           default: begin
               rgb_r = 'd0;
               rgb_g = 'd0;
               rgb_b = 'd0;
           end
           endcase
end

assign rgb_data =  {rgb_r,rgb_g[:],rgb_b};
assign vsync_o     = vsync_i_3;
assign hsync_o     = hsync_i_3;
endmodule

　　4）最后欣赏一下效果 ，效果还不错，继承了灰度款的优良性能。

最后说明一下，最后分辨率改为640*480，但是发现480指的是0~480，所以行计数器在481清零。我是用的zynq，所以没进行iic硬件配置，用的是ps端arm的 iic接口做的。如果用默认的分辨率就需要修改一下ip的深度和行计数器的清零的数值就行了。说到仿真，vivado自带的仿真器还是没有modelsim好，但是modelsim仿真含有vivado ip的工程时，很麻烦，独立仿真更不行，ip仿真的源文件不好添加，联合仿真操作有点繁琐，这里呢先不讲，我下次再另外写一篇博客总结一下。