STM32照相机(OV2640)

一、BMP编码简介

BMP（全称Bitmap）是Window操作系统中的标准图像文件格式，文件后缀名为“.bmp”，使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，一般不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大，但是没有失真。BMP文件的图像深度可选1bit、4bit、8bit、16bit、24bit及32bit。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。
常见的BMP图像文件组成
1，位图头文件数据结构，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；
2，位图信息数据结构，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息；
3，调色板，这个部分是可选的，有些位图需要调色板，有些位图，比如真彩色图（24位的BMP）就不需要调色板；　　
4，位图数据，这部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同，在24位图中直接使用RGB，而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引值；

BMP文件头（14字节）：BMP文件头数据结构含有BMP文件的类型、文件大小和位图起始位置等信息。BMP文件头结构体定义如下：

//BMP文件头
typedef __packed struct
{u16  bfType ;      //文件标志.只对'BM',用来识别BMP位图类型u32  bfSize ;    //文件大小,占四个字节u16  bfReserved1 ;  //保留u16  bfReserved2 ;  //保留u32  bfOffBits ;    //从文件开始到位图数据(bitmap data)开始之间的偏移量
}BITMAPFILEHEADER ;

位图信息头（40字节）：BMP位图信息头数据用于说明位图的尺寸等信息。 BMP位图信息头结构体定义如下：

typedef __packed struct
{u32 biSize ;       //说明BITMAPINFOHEADER结构所需要的字数。long  biWidth ;        //说明图象的宽度，以象素为单位 long  biHeight ;        //说明图象的高度，以象素为单位 u16  biPlanes ;     //为目标设备说明位面数，其值将总是被设为1 u16  biBitCount ;     //说明比特数/象素，其值为1、4、8、16、24、或32u32 biCompression ;         //说明图象数据压缩的类型。其值可以是下述值之一：//BI_RGB：没有压缩；//BI_RLE8：每个象素8比特的RLE压缩编码，压缩格式由2字节组成 //BI_RLE4：每个象素4比特的RLE压缩编码，压缩格式由2字节组成//BI_BITFIELDS：每个象素的比特由指定的掩码决定。u32 biSizeImage ;        //说明图象的大小,以字节为单位。当用BI_RGB格式时,可设置为0  long  biXPelsPerMeter ;     //说明水平分辨率，用象素/米表示long  biYPelsPerMeter ;     //说明垂直分辨率，用象素/米表示u32 biClrUsed ;     //说明位图实际使用的彩色表中的颜色索引数u32 biClrImportant ;           //说明对图象显示有重要影响的颜色索引的数目，//如果是0，表示都重要。
}BITMAPINFOHEADER ;

颜色表：颜色表用于说明位图中的颜色，它有若干个表项，每一个表项是一个RGBQUAD类型的结构，定义一种颜色，如下所示：

typedef __packed struct
{u8 rgbBlue ;       //指定蓝色强度u8 rgbGreen ;   //指定绿色强度 u8 rgbRed ;    //指定红色强度 u8 rgbReserved ;   //保留，设置为0
}RGBQUAD ;

RGBQUAD结构数据的个数由biBitCount来确定：当biBitCount=1、4、8时，分别有2、16、256个表项；当biBitCount大于8时，没有颜色表项。BMP文件头、位图信息头和颜色表组成位图信息，BITMAPINFO结构定义如下:

typedef __packed struct
{ BITMAPFILEHEADER bmfHeader;BITMAPINFOHEADER bmiHeader;   RGBQUAD bmiColors[1];
}BITMAPINFO;

位图数据：记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从左到右，扫描行之间是从下到上。位图一个像素值所占字节数：
当biBitCount=1时，8个像素占1个字节;
当biBitCount=4时，2个像素占1个字节;
当biBitCount=8时，1个像素占1个字节;
当biBitCount=16时，1个像素占2个字节;
当biBitCount=24时，1个像素占3个字节;
当biBitCount=32时，1个像素占4个字节; biBitCount=16，即高彩色(65K色)。当biCompression=BI_RGB(0)，则采用RGB555格式，最高位恒为0；当biCompression=BI_BITFIELDS(3)，则在原来调色板位置用3个DWORD类型的掩码替换，分别代表红、绿、蓝三色的掩码，一般是：
0X7C00、0X03E0、0X001F。
采用16位BMP编码（因为LCD就是16位色的，而且16位BMP编码比24位BMP编码更省空间），故需要设置biBitCount的值为16，这样得到新的位图信息（BITMAPINFO）结构体：

typedef __packed struct
{ BITMAPFILEHEADER bmfHeader;BITMAPINFOHEADER bmiHeader;   u32 RGB_MASK[3];     //调色板用于存放RGB掩码
}BITMAPINFO;

RGB_MASK[3]，即颜色掩码，分别代表红、绿、蓝三色的掩码，分别是： 0X7C00、0X03E0、0X001F。

二、BMP编码流程

1）创建BMP位图信息，并初始化各个相关信息
首先，我们要设置BMP图片的分辨率为LCD分辨率、BMP图片的大小（整个BMP文件大小）、BMP的像素位数（16位）和掩码等信息。
2）创建新BMP文件，写入BMP位图信息
我们要保存BMP，当然要存放在某个地方（文件），所以需要先创建文件，同时先保存BMP位图信息，之后才开始BMP数据的写入。
3）保存位图数据
这里就比较简单了，只需要从LCD的GRAM里面读取各点的颜色值，依次写入第二步创建的BMP文件即可。注意：保存顺序（即读GRAM顺序）是从左到右，从下到上。
4）关闭文件
使用FATFS，在文件创建之后，必须调用f_close，文件才会真正体现在文件系统里面，否则是不会写入的！这个要特别注意，写完之后，一定要调用f_close。

三、JPEG简介

JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一个由ISO和IEC两个组织机构联合组成的一个专家组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准，这个专家组开发的算法称为JPEG算法，并且成为国际上通用的标准，因此又称为JPEG标准。 JPEG是一个适用范围很广的静态图像数据压缩标准，既可用于灰度图像又可用于彩色图像。 JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法，一种是采用以离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）为基础的有损压缩算法，另一种是采用以预测技术为基础的无损压缩算法。使用有损压缩算法时，在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了广泛的应用。

JPEG压缩编码分为三个步骤：
1）使用正向离散余弦变换（Forward Discrete Cosine Transform，FDCT）把空间域表示的图变换成频率域表示的图。
2）使用加权函数对DCT系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统是最佳的。
3）使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。

四、JPEG拍照流程

1）初始化STM32F4的DCMI接口和OV2640模块
首先，我们要初始化STM32的DCMI接口（包括开启DMA和相关中断）和相关IO，然后配置好OV2640输出JPEG数据流。
2）读取OV2640模块的数据
在DCMI接口的驱动下，有序读取OV2640输出的JPEG数据流，我们采用DMA双缓冲来接收JPEG数据流，并将这些数据及时搬运到外部SRAM（通过DMA的传输完成中断来处理）。
3）保存JPEG数据
在采集完一帧JPEG数据后，利用fatfs，创建一个.jpg文件，然后将存储在外部SRAM的数组（以0XFF,0XD8开头）存储在这个文件里面，最后调用f_close关闭文件，即可实现JPEG拍照保存。

在摄像头实验里面，定义了一个很大的数组jpeg_buf（124KB）来存储JPEG图像数据，不过，本例程要用到内存管理，其他地方也要用到一些数组，所以，肯定无法再定义这么大的数组了。并且这个数组不能使用外部SRAM（实测：DCMI接口使用DMA直接传输JPEG数据到外部SRAM会出现数据丢失，所以DMA接收JPEG数据只能用内部SRAM），所以，本例程使用DMA的双缓冲机制来读取，DMA双缓冲读取JPEG数据框图如下图：
1、DMA接收来自OV2640的JPEG数据流，首先使用M0AR（内存1）来存储，当M0AR满了以后，自动切换到M1AR（内存2），同时程序读取M0AR（内存1）的数据到外部SRAM；当M1AR满了以后，又切回M0AR，同时程序读取M1AR（内存2）的数据到外部SRAM；依次循环（此时的数据处理，是通过DMA传输完成中断实现的，在中断里面处理），直到帧中断，结束一帧数据的采集，读取剩余数据到外部SRAM，完成一次JPEG数据的采集。
2、M0AR，M1AR所指向的内存，必须是内部内存，不过由于采用了双缓冲机制，我们就不必定义一个很大的数组，一次性接收所有JPEG数据了，而是可以分批次接收，数组可以定义的比较小。
3、将存储在外部SRAM的jpeg数据，保存为.jpg/.jpeg存放在SD卡，就完成了一次JPEG拍照。