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第二十五章 照片拍摄实验
在前面的章节中，已经了解如何使用SDK编程技术获取摄像头输出的图像数据并在LCD上进行显示，本章将通过照片拍摄实验，介绍如何将摄像头输出的图像数据进行图像编码保存到文件系统中。通过本章的学习，读者将学会如何对摄像头输出的图像数据进行BMP编码并实现保存。 本章分为如下几个小节： 25.1 BMP编码简介 25.2 硬件设计 25.3 程序设计 25.4 运行验证
25.1 BMP编码简介 本章，我们介绍最简单的图片编码方法：BMP图片编码。BMP文件是由文件头、位图信息头、颜色信息和图形数据等四部分组成。我们先来了解下这几个部分。 1、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头文件 */ typedef struct { WORD bfType ; /* 文件标志.只对'BM',用来识别BMP位图类型 */ DWORD bfSize ; /* 文件大小,占四个字节 */ WORD bfReserved1 ; /* 保留 */ WORD bfReserved2 ; /* 保留 */ DWORD bfOffBits ; /* 从文件开始到位图数据(bitmap data)开始之间的的偏移量 */ }__attribute__((packed))BITMAPFILEHEADER1 ; 2、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信息头 */ typedef struct { DWORD biSize ; /* 说明BITMAPINFOHEADER结构所需要的字数。 */ DWORD biWidth ; /* 说明图象的宽度，以象素为单位 */ DWORD biHeight ; /* 说明图象的高度，以象素为单位 */ WORD biPlanes ; /* 为目标设备说明位面数，其值将总是被设为1 */ WORD biBitCount ; /* 说明比特数/象素，其值为1、4、8、16、24、或32 */ DWORD 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(重复象素计数和颜色索引) * 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 */ DWORD 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 */ DWORD biXPelsPerMeter ; /* 说明水平分辨率，用象素/米表示 */ DWORD biYPelsPerMeter ; /* 说明垂直分辨率，用象素/米表示 */ DWORD biClrUsed ; /* 说明位图实际使用的彩色表中的颜色索引数 */ DWORD 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 */ }__attribute__((packed))BITMAPINFOHEADER1 ; 3、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RGBQUAD1类型的结构，定义一种颜色。 /* 彩色表 */ typedef struct { BYTE rgbBlue ; /* 指定蓝色强度 */ BYTE rgbGreen ; /* 指定绿色强度 */ BYTE rgbRed ; /* 指定红色强度 */ BYTE rgbReserved ; /* 保留，设置为0 */ }__attribute__((packed))RGBQUAD1 ; 颜色表中RGBQUAD1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（我们将BMP文件头也加进来，方便处理），BITMAPINFO1结构定义如下： /* 位图信息头 */ typedef struct { BITMAPFILEHEADER1 bmfHeader; BITMAPINFOHEADER1 bmiHeader; uint32_t RGB_MASK[3]; /* 调色板用于存放RGB掩码 */ //RGBQUAD bmiColors[256]; } __attribute__((packed))BITMAPINFO1; 4、位图数据：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。位图的一个像素值所占的字节数： 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=1 表示位图最多有两种颜色，缺省情况下是黑色和白色，你也可以自己定义这两种颜色。图像信息头装调色板中将有两个调色板项，称为索引0和索引1。图象数据阵列中的每一位表示一个像素。如果一个位是0，显示时就使用索引0的RGB值，如果位是1，则使用索引1的RGB值。 biBitCount=16 表示位图最多有65536种颜色。每个像素用16位（2个字节）表示。这种格式叫作高彩色，或叫增强型16位色，或64K色。它的情况比较复杂，当biCompression成员的值是BI_RGB时，它没有调色板。16位中，最低的5位表示蓝色分量，中间的5位表示绿色分量，高的5位表示红色分量，一共占用了15位，最高的一位保留，设为0。这种格式也被称作555 16位位图。如果biCompression成员的值是BI_BITFIELDS，那么情况就复杂了，首先是原来调色板的位置被三个DWORD变量占据，称为红、绿、蓝掩码。分别用于描述红、绿、蓝分量在16位中所占的位置。在Windows 95（或98）中，系统可接受两种格式的位域：555和565，在555格式下，红、绿、蓝的掩码分别是：0x7C00、0x03E0、0x001F，而在565格式下，它们则分别为：0xF800、0x07E0、0x001F。你在读取一个像素之后，可以分别用掩码“与”上像素值，从而提取出想要的颜色分量（当然还要再经过适当的左右移操作）。在NT系统中，则没有格式限制，只不过要求掩码之间不能有重叠。（注：这种格式的图像使用起来是比较麻烦的，不过因为它的显示效果接近于真彩，而图像数据又比真彩图像小的多，所以，它更多的被用于游戏软件）。 biBitCount=32 表示位图最多有4294967296(2的32次方)种颜色。这种位图的结构与16位位图结构非常类似，当biCompression成员的值是BI_RGB时，它也没有调色板，32位中有24位用于存放RGB值，顺序是：最高位—保留，红8位、绿8位、蓝8位。这种格式也被成为888 32位图。如果 biCompression成员的值是BI_BITFIELDS时，原来调色板的位置将被三个DWORD变量占据，成为红、绿、蓝掩码，分别用于描述红、绿、蓝分量在32位中所占的位置。在Windows 95(or 98)中，系统只接受888格式，也就是说三个掩码的值将只能是：0xFF0000、0xFF00、0xFF。而NT系统，只要注意使掩码之间不产生重叠就行。（注：这种图像格式比较规整，因为它是DWORD对齐的，所以在内存中进行图像处理时可进行汇编级的代码优化（简单）。 通过以上了解，我们对BMP有了一个比较深入的了解，本章，我们采用16位BMP编码（因为我们的LCD就是16位色的，而且16位BMP编码比24位BMP编码更省空间），故我们需要设置biBitCount的值为16，这样得到新的位图信息（BITMAPINFO1）结构体： /* 位图信息头 */ typedef struct { BITMAPFILEHEADER1 bmfHeader; BITMAPINFOHEADER1 bmiHeader; uint32_t RGB_MASK[3]; /* 调色板用于存放RGB掩码 */ //RGBQUAD bmiColors[256]; } __attribute__((packed))BITMAPINFO1; 其实就是颜色表由3个RGB掩码代替。最后，我们来看看将LCD的显存保存为BMP格式的图片文件的步骤： 1）创建BMP位图信息，并初始化各个相关信息 这里，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，只需要将LCD的显示的RGB565数据，依次写入第二步创建的BMP文件即可。注意：摄像头采集时已对相邻的数据调转，所以我们要注意写入顺序和相邻数据调整。 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。 BMP编码就介绍到这里。。 25.2 硬件设计 25.2.1 例程功能 1. 开发板上电后，LCD模块实时显示摄像头捕获的画面，我们先调整好合适的拍摄角度，然后按下KEY0按键就能进行拍照操作，所拍摄的照片以BMP文件格式保存在SD卡根目录的PHOTO文件夹中。拍摄的照片保存后，系统可继续拍摄下一张照片。 25.2.2 硬件资源 1. 摄像头 SCCB_SDA - IO40 SCCB_SCL - IO41 DVP_RESET - IO42 DVP_VSYNC - IO43 DVP_PWDN - IO44 DVP_HREF - IO45 DVP_XCLK - IO46 DVP_PCLK - IO47 D0~D7 - DVP_D0~DVP_D7 2. LCD LCD_RD - IO34 LCD_BL - IO35 LCD_CS - IO36 LCD_RST - IO37 LCD_RS - IO38 LCD_WR - IO39 LCD_D0~LCD_D7 - SPI0_D0~SPI0_D7 LCD_RST - IO37 LCD_RS - IO38 LCD_WR - IO39 LCD_D0~LCD_D7 - SPI0_D0~SPI0_D7 25.2.3 原理图 本章实验内容，需要使用到板载的摄像头接口，在正点原子DNK210开发板上有两处摄像头接口分别为位于正点原子DNK210开发板底板上的ATK-MC2640摄像头模块接口，该接口用于连接正点原子的ATK-MC2640模块，另一个摄像头接口位于正点原子CNK210F核心板，该接口同于直接连接OV2640等摄像头模组，但需要特别注意的是，这两个摄像头接口不能同时使用，否则可能导致硬件损坏。 正点原子DNK210开发板上的ATK-MC2640摄像头模块接口的连接原理图，如下图所示： 图25.2.3.1 ATK-MC2640摄像头模块接口原理图 正点原子CNK210F核心板上的OV2640等摄像头模组接口的连接原理图，如下图所示： 图25.2.3.2 OV2640等摄像头模组接口原理图 25.3 程序设计 25.3.1 BMP驱动代码 这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。BMP驱动源码包括两个文件：bmp.c和bmp.h。 bmp.h头文件在25.1小节基本讲过，具体请看源码。下面来看到bmp.c文件里面的bmp编码函数：bmp_encode，该函数代码如下： /** * @NOTE 将当前LCD屏幕的指定区域截图,存为16位格式的BMP文件 RGB565格式. * 保存为rgb565则需要掩码,需要利用原来的调色板位置增加掩码.这里我们已经增加了掩码. * 保存为rgb555格式则需要颜色转换,耗时间比较久,所以保存为565是最快速的办法. * * @param filename : 包含存储路径的文件名(.bmp) * @param x, y : 起始坐标 * @param width,height: 区域大小 * @param acolor : 附加的alphablend的颜色(这个仅对32位色bmp有效!!!) * @param mode : 保存模式 * @arg 1, 如果之前存在文件,则覆盖之前的文件.如果没有,则创建新的文件; * @retval 操作结果 * @arg 0 , 成功 * @arg 其他, 错误码 */ uint8_t bmp_encode(uint8_t *filename, uint16_t *image_addr, uint16_t width, uint16_t height, uint8_t mode) { FIL *f_bmp; uint32_t bw = 0; uint16_t bmpheadsize; /* bmp头大小 */ BITMAPINFO1 hbmp; /* bmp头 */ uint8_t res = 0; uint16_t tx, ty; /* 图像尺寸 */ uint32_t *databuf; /* 数据缓存区地址 */ uint16_t pixcnt; /* 像素计数器 */ uint16_t bi4width; /* 水平像素字节数 */ uint32_t *addr = (uint32_t *)image_addr + 320 / 2 * 239; /* 偏移到最后一行开头 */ if (width == 0 || height == 0)return PIC_WINDOW_ERR; /* 区域错误 */ #if BMP_USE_MALLOC == 1 /* 使用malloc */ /* 开辟至少bi4width大小的字节的内存区域 ,对320宽的屏,640个字节就够了 */ databuf = (uint32_t *)iomem_malloc(320); if (databuf == NULL)return PIC_MEM_ERR; /* 内存申请失败. */ f_bmp = (FIL *)iomem_malloc(sizeof(FIL)); /* 开辟FIL字节的内存区域 */ if (f_bmp == NULL) /* 内存申请失败 */ { iomem_free(databuf); return PIC_MEM_ERR; } #else databuf = (uint16_t *)bmpreadbuf; f_bmp = &f_bfile; #endif bmpheadsize = sizeof(hbmp); /* 得到bmp文件头的大小 */ memset((uint8_t *)&hbmp, 0, sizeof(hbmp)); /* 置零空申请到的内存 */ hbmp.bmiHeader.biSize = sizeof(BITMAPINFOHEADER1); /* 信息头大小 */ hbmp.bmiHeader.biWidth = width; /* bmp的宽度 */ hbmp.bmiHeader.biHeight = height; /* bmp的高度 */ hbmp.bmiHeader.biPlanes = 1; /* 恒为1 */ hbmp.bmiHeader.biBitCount = 16; /* bmp为16位色bmp */ hbmp.bmiHeader.biCompression = BI_BITFIELDS; /* 每个象素的比特由指定的掩码决定 */ hbmp.bmiHeader.biSizeImage = hbmp.bmiHeader.biHeight * hbmp.bmiHeader.biWidth * hbmp.bmiHeader.biBitCount / 8; /* bmp数据区大小 */ hbmp.bmfHeader.bfType = ((uint16_t)'M' << 8) + 'B'; /* BM格式标志 */ hbmp.bmfHeader.bfSize = bmpheadsize + hbmp.bmiHeader.biSizeImage; /* 整个bmp的大小 */ hbmp.bmfHeader.bfOffBits = bmpheadsize; /* 到数据区的偏移 */ hbmp.RGB_MASK[0] = 0X00F800; /* 红色掩码 */ hbmp.RGB_MASK[1] = 0X0007E0; /* 绿色掩码 */ hbmp.RGB_MASK[2] = 0X00001F; /* 蓝色掩码 */ if (mode == 1) { res = f_open(f_bmp, (const TCHAR *)filename, FA_READ | FA_WRITE); /* 尝试打开之前的文件 */ } if (mode == 0 || res == 0x04) { res = f_open(f_bmp, (const TCHAR *)filename, FA_WRITE | FA_CREATE_NEW); /* 模式0,或者尝试打开失败,则创建新文件 */ } if ((hbmp.bmiHeader.biWidth * 2) % 4) /* 水平像素(字节)不为4的倍数 */ { bi4width = ((hbmp.bmiHeader.biWidth * 2) / 4 + 1) * 4; /* 实际要写入的宽度像素,必须为4的倍数 */ } else { bi4width = hbmp.bmiHeader.biWidth * 2; /* 刚好为4的倍数 */ } if (res == FR_OK) /* 创建成功 */ { res = f_write(f_bmp, (uint8_t *)&hbmp, bmpheadsize, &bw); /* 写入BMP首部 */ for (ty = height - 1; hbmp.bmiHeader.biHeight; ty--) { pixcnt = 0; for (tx = 0; tx <= width / 2;tx++) { /* 硬件原因在摄像头采集时已对相邻的数据调转，此处针对本硬件设计 */ databuf[pixcnt] = ((addr[tx] & 0x0000FFFF) << 16) | ((addr[tx] & 0xFFFF0000) >> 16); /* 读取RGB565数据*/ pixcnt++; } addr = addr - width / 2; hbmp.bmiHeader.biHeight--; res = f_write(f_bmp, (uint8_t *)databuf, bi4width, &bw); /* 写入数据 */ } f_close(f_bmp); } #if BMP_USE_MALLOC == 1 /* 使用malloc */ iomem_free(databuf); iomem_free(f_bmp); #endif return res; } 该函数类似实现了对LCD屏幕的任意指定区域进行截屏保存，用到的方法就是25.1节我们所介绍的方法，该函数实现了将用于LCD显示的RGB565数据保存为16位BMP格式，存放在指定位置（由filename决定）。注意，代码中的BMP_USE_MALLOC是在bmp.h定义的一个宏，用于设置是否使用malloc，本章我们选择使用malloc。 25.3.2 main.c代码 main.c中的代码如下所示： /** * @brief 文件名自增（避免覆盖） * @note bmp组合成: 形如 "0:PHOTO/PIC13141.bmp" 的文件名 * jpg组合成: 形如 "0:PHOTO/PIC13141.jpg" 的文件名 * @param pname : 有效的文件名 * @param mode : 0, 创建.bmp文件; 1, 创建.jpg文件; * @retval 无 */ void camera_new_pathname(uint8_t *pname, uint8_t mode) { uint8_t res; uint16_t index = 0; FIL *ftemp; ftemp = (FIL *)iomem_malloc(sizeof(FIL)); /* 开辟FIL字节的内存区域 */ if (ftemp == NULL) return; /* 内存申请失败 */ while (index < 0XFFFF) { sprintf((char *)pname, "0:PHOTO/PIC%05d.bmp", index); res = f_open(ftemp, (const TCHAR *)pname, FA_READ); /* 尝试打开这个文件 */ if (res == FR_NO_FILE) break; /* 该文件名不存在, 正是我们需要的 */ index++; } iomem_free(ftemp); } int main(void) { uint8_t key; uint8_t *disp; FRESULT res; FATFS fs; uint8_t *pname; /* 带路径的文件名 */ sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL0, 800000000); sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL1, 400000000); sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL2, 45158400); sysctl_set_power_mode(SYSCTL_POWER_BANK6, SYSCTL_POWER_V18); sysctl_set_power_mode(SYSCTL_POWER_BANK7, SYSCTL_POWER_V18); sysctl_set_spi0_dvp_data(1); lcd_init(); lcd_set_direction(DIR_YX_LRUD); key_init(); camera_init(0); camera_set_pixformat(PIXFORMAT_RGB565); camera_set_framesize(320, 240); pname = iomem_malloc(30); /* 为带路径的文件名分配30个字节的内存 */ /* Initialize SD card */ if (sd_init() != 0) { printf("SD card initialization failed!\n"); while (1); } printf("SD card initialization succeed!\n"); /* Filesystem mount SD card */ res = f_mount(&fs, _T("0:"), 1); if (res != FR_OK) { printf("SD card mount failed! Error code: %d\n", res); while (1); } printf("SD card mount succeed!\n"); lcd_draw_string(10, 30, "KEY0:Take BMP ", RED); sleep(3); while (1) { key = key_scan(0); /* 得到键值 */ if (camera_snapshot(&disp, NULL) == 0) { lcd_draw_picture(0, 0, 320, 240, (uint16_t *)disp); camera_snapshot_release(); } if (key == KEY0_PRES) { camera_new_pathname(pname, 0); /* 得到文件名 */ res = bmp_encode(pname,(uint16_t *)disp ,320, 240, 1); } } } camera_new_pathname函数生成用于生成新的带路径的文件名，且不会重复，防止文件互相覆盖。 main函数完成对各相关硬件的初始化，然后挂载SD卡，完成挂载后LCD显示模块提示通过按下KEY0进行拍照，3秒后进入进入主循环以后，LCD模块实时显示摄像头数据，按下KEY0按键，可以实现BMP拍照（实际上就是将摄像头数据进行BMP编码，通过bmp_encode函数实现）； 25.4 运行验证 将DNK210开发板连接到电脑主机，通过VSCode将固件烧录到开发板中，可以看到LCD上实时地显示这摄像头采集到的画面，此时若按下KEY0按键，便会将最近一次获取到的摄像头数据保存到SD卡根目录下的PHOTO文件夹中，如下图所示： 图25.4.1 拍摄到的图像
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