单片机拍照_将采集的RGB图像封装为BMP格式保存到SD卡

DS小龙哥2024-09-12 10:26

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一、前言

BMP (Bitmap) 图像格式是一种无损压缩的位图文件格式，最初由微软公司在Windows操作系统中引入，用于存储图像数据。BMP格式的主要优点是它简单易用，且支持多种颜色深度。这种格式不包含任何压缩算法，这意味着图像的质量不会因为保存而损失，但这也导致了文件大小相对较大。

当前做的项目是采用STM32F103ZET6单片机接上OV7725(带FIFO)摄像头实现图像采集，拍照功能。 OV7725摄像头输出的格式是RGB565像素格式，为了方便将OV7725摄像头返回的图像数据放在SD卡里存储，并且能够在电脑上打开，通过图片查看软件查看。就需要将RGB565像素数据封装成一张图片格式，也就是相当于加一个壳子。这样电脑上的图片查看器就可以正常查看图片了。

目前的图片格式有很多，平时最常见的有JPG、PNG、BMP这些格式。 这里面的JPG是压缩格式，保存的图片可以很小，JPEG使用离散余弦变换（DCT）压缩，这个算法在单片机上实现的要求毕竟高，毕竟单片机的性能摆在这里。 而BMP是不包含任何压缩算法，存储的是原始的像素格式，作为单片机里拍照存储这是首选的图片封装格式了。

整个项目设计完的核心功能是：

通过OV7725摄像头采集一帧RGB565格式的图像，并将其封装成BMP格式后，利用FATFS文件系统存储到SD卡上。项目中，STM32单片机通过SPI协议与SD卡进行通信。由于OV7725摄像头输出的是RGB565格式的数据，而标准BMP文件使用RGB888格式存储像素数据，因此还涉及到了图像格式的转换问题。

要完成这个项目涉及的技术其实也有几个的：

（1）SD卡的驱动编写，SD卡支持SDIO和SPI两种协议。 要说简单那自然首选SPI协议，不过就是速度稍微慢一点。

（2）OV7725摄像头的驱动编写，毕竟要从摄像头里读取数据。分为控制协议和数据总线。

（3）FATFS文件系统的移植，如果在单片机上要以文件的形式管理SD卡，那肯定是需要文件系统了。

（4）BMP图片的格式理解，要将图片保存为BMP图片格式。需要完全理解BMP图片格式的是如何的封装的。

这篇文章最重要的是内容是讲解" BMP图片如何封装，学习BMP图像格式封装，RGB565与RGB888像素点转换。

二、BMP文件结构

2.1 BMP图片的格式

BMP 文件的内部格式组成：

（1）文件头 (File Header)

  • 类型标识 (bfType): 两个字节，通常为 BM (0x424D)，表明文件类型为BMP。
  • 文件大小 (bfSize): 四个字节，表示整个文件的大小（包括文件头、信息头和像素数据）。
  • 保留字段 (bfReserved1, bfReserved2): 通常是0。
  • 数据偏移量 (bfOffBits): 四个字节，指明像素数据相对于文件起始位置的偏移量。

（2）信息头 (Info Header)

  • 头大小 (biSize): 四个字节，信息头的大小。
  • 宽度 (biWidth): 四个字节，图像的宽度（以像素为单位）。
  • 高度 (biHeight): 四个字节，图像的高度（以像素为单位）。高度值可以是正数也可以是负数；正数表示从左下角开始绘制，负数则表示从左上角开始绘制。
  • 平面数 (biPlanes): 通常是1。
  • 位数 (biBitCount): 每个像素的位数，常见的值有1、4、8、16、24或32。
  • 压缩方法 (biCompression): 指定使用的压缩方法，如果是0，则表示没有压缩。
  • 图像大小 (biSizeImage): 压缩后的图像大小，如果未压缩，则该值可能为0。
  • 水平分辨率 (biXPelsPerMeter): 水平方向上的分辨率（每米像素数）。
  • 垂直分辨率 (biYPelsPerMeter): 垂直方向上的分辨率（每米像素数）。
  • 调色板数目 (biClrUsed): 调色板中的颜色数目，如果为0，则表示所有可能的颜色都被使用。
  • 重要颜色数目 (biClrImportant): 重要的颜色数目，如果为0，则表示所有颜色都同样重要。

（3）颜色表 (Color Table)

  • 如果位数小于24，则存在一个颜色表，其中定义了每个像素值所对应的RGB颜色。

（4）像素数据 (Pixel Data)

  • 图像的实际像素数据按照从左到右、从下到上的顺序排列。为了保证每一行的字节数为4的倍数，通常会在每行末尾添加填充字节。

下面是BMP文件格式的一个详细描述，包括每个字段的名称、长度、含义以及它们在文件中的位置。

字段名称 类型 长度 (字节) 描述
bfType 字符串 2 文件类型的标识，通常为 BM (0x424D)
bfSize DWORD 4 整个文件的大小，包括文件头、信息头和像素数据
bfReserved1 WORD 2 保留字段，应设为0
bfReserved2 WORD 2 保留字段，应设为0
bfOffBits DWORD 4 像素数据相对于文件起始位置的偏移量
biSize DWORD 4 信息头的大小，通常为40 (0x28)
biWidth LONG 4 图像的宽度（以像素为单位），可以是正数或负数
biHeight LONG 4 图像的高度（以像素为单位），可以是正数或负数
biPlanes WORD 2 平面数，通常为1
biBitCount WORD 2 每个像素的位数，常见的值有1、4、8、16、24或32
biCompression DWORD 4 压缩方法，如果是0，则表示没有压缩
biSizeImage DWORD 4 压缩后的图像大小，如果未压缩，则该值可能为0
biXPelsPerMeter LONG 4 水平方向上的分辨率（每米像素数），通常为0
biYPelsPerMeter LONG 4 垂直方向上的分辨率（每米像素数），通常为0
biClrUsed DWORD 4 调色板中的颜色数目，如果为0，则表示所有可能的颜色都被使用
biClrImportant DWORD 4 重要的颜色数目，如果为0，则表示所有颜色都同样重要
Color Table RGBQUAD 0 or more 调色板（仅当位数小于24时存在），每个颜色占用4字节
Pixel Data BYTE[] 变长 像素数据，按从左到右、从下到上的顺序排列，每行可能有填充字节

说明

  • 文件头 (File Header) : 从文件的开头到 bfOffBits 字段结束。
  • 信息头 (Info Header) : 从 biSize 字段开始，直到 biClrImportant 字段结束。
  • 颜色表 (Color Table): 如果位数小于24，则存在一个颜色表，用于定义每个像素值所对应的RGB颜色。
  • 像素数据 (Pixel Data): 图像的实际像素数据按照从左到右、从下到上的顺序排列。为了保证每一行的字节数为4的倍数，会在每行末尾添加填充字节。

对于24位的BMP文件（即 biBitCount 的值为24），不会存在颜色表，每个像素直接由三个字节（RGB888格式）表示。

2.2 RGB888与RGB565格式是什么？

RGB565和RGB888都是色彩模型在计算机图形学中的具体实现方式，它们分别代表了不同位深的颜色编码方式。这两种格式主要用于存储图像数据，特别是在显示设备和图像处理软件中。

（1）RGB565

RGB565 是一种16位的彩色图像格式，其中红色和蓝色各占用5位，绿色占用6位。这是因为人眼对绿色更为敏感，因此给绿色分配更多的位数来提高颜色精度。这种格式通常用于节省存储空间或减少内存带宽的需求，尤其是在早期的移动设备和嵌入式系统中非常常见。

  • 位分配 :
    • 11-15位: 5位红色 ®
    • 5-10位: 6位绿色 (G)
    • 0-4位: 5位蓝色 (B)

这种格式的总位数为16位，可以表示 (2^{16}) 或者 65,536 种不同的颜色。

（2）RGB888

RGB888 是一种24位的彩色图像格式，每种颜色（红、绿、蓝）都使用8位来表示。这意味着每种颜色都有256级灰度等级，总共可以表示 (2^{24}) 或者 16,777,216 种不同的颜色。

  • 位分配 :
    • 16-23位: 8位红色 ®
    • 8-15位: 8位绿色 (G)
    • 0-7位: 8位蓝色 (B)

由于RGB888格式使用更多的位数来表示颜色，所以它能够提供更丰富的色彩细节，这对于高保真度的图像来说是非常重要的。

（3）区别

  1. 位深:

    • RGB565: 使用16位，每像素5:6:5的位分配。
    • RGB888: 使用24位，每像素8:8:8的位分配。

  2. 颜色范围:

    • RGB565: 可以表示大约65,536种颜色。
    • RGB888: 可以表示大约16,777,216种颜色。

  3. 用途:

    • RGB565: 更适合于需要节省存储空间的应用，如旧式的显示器、手机屏幕等。
    • RGB888: 适用于需要高色彩保真的应用，如专业摄影、图形设计等领域。

  4. 性能:

    • RGB565: 在存储和传输方面更加高效，但是颜色精度较低。
    • RGB888: 颜色精度更高，但需要更多的存储空间和传输带宽。

（4）如何构成

  • RGB565:

    • 每个像素由两个字节组成。
    • 例如，一个红色像素可能表示为 0xF800（红色部分接近最大值，绿色和蓝色部分接近最小值）。

  • RGB888:

    • 每个像素由三个字节组成。
    • 例如，一个红色像素可能表示为 0xFF0000（红色部分为最大值255，绿色和蓝色部分为0）。

（5）示例

可以创建一个简单的例子来说明这些格式是如何工作的。假设有一个像素，它的红色、绿色和蓝色分量分别为128（十六进制为0x80）。

  • RGB565: 对于每个颜色通道，需要将8位的值转换为相应的位数。

    • 红色: 0x80 -> 0x1F (5位)
    • 绿色: 0x80 -> 0x20 (6位)
    • 蓝色: 0x80 -> 0x1F (5位)

    所以，一个灰色像素在RGB565格式下的值可能是 0x1F201F。

  • RGB888: 我们直接使用8位值。

    • 红色: 0x80
    • 绿色: 0x80
    • 蓝色: 0x80

    这样，一个灰色像素在RGB888格式下的值将是 0x808080。

三、实现代码

3.1 RGB565转RGB888的代码

下面是一个将 RGB565 数组转换为 RGB888 数组的 C 语言函数：

c 复制代码 
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

// 将 RGB565 转换为 RGB888 的函数
void RGB565_to_RGB888_array(const uint16_t *rgb565_array, size_t length, uint8_t *rgb888_array) {
    for (size_t i = 0; i < length; i++) {
        uint16_t rgb565 = rgb565_array[i];

        // 提取 RGB565 中的颜色分量
        uint8_t red = (rgb565 >> 11) & 0x1F;  // 5 bits
        uint8_t green = (rgb565 >> 5) & 0x3F; // 6 bits
        uint8_t blue = rgb565 & 0x1F;         // 5 bits

        // 将颜色分量扩展到 8 位
        uint8_t r = (red << 3) | (red >> 2);     // 5 bits to 8 bits
        uint8_t g = (green << 2) | (green >> 4); // 6 bits to 8 bits
        uint8_t b = (blue << 3) | (blue >> 2);   // 5 bits to 8 bits

        // 将结果存储到 RGB888 数组
        rgb888_array[i * 3] = r;
        rgb888_array[i * 3 + 1] = g;
        rgb888_array[i * 3 + 2] = b;
    }
}

int main() {
    // 示例 RGB565 数组
    uint16_t rgb565_array[] = {0x1F3F, 0x07E0, 0xF800};
    size_t length = sizeof(rgb565_array) / sizeof(rgb565_array[0]);

    // 分配 RGB888 数组内存
    uint8_t *rgb888_array = (uint8_t *)malloc(length * 3 * sizeof(uint8_t));
    if (rgb888_array == NULL) {
        perror("Unable to allocate memory for RGB888 array");
        return 1;
    }

    // 转换 RGB565 数组到 RGB888 数组
    RGB565_to_RGB888_array(rgb565_array, length, rgb888_array);

    // 打印 RGB888 结果
    for (size_t i = 0; i < length; i++) {
        printf("RGB888[%zu]: R=%d, G=%d, B=%d\n", i, rgb888_array[i * 3], rgb888_array[i * 3 + 1], rgb888_array[i * 3 + 2]);
    }

    // 释放分配的内存
    free(rgb888_array);

    return 0;
}

这个函数 RGB565_to_RGB888_array 接收一个 RGB565 数组和数组的长度，并返回一个 RGB888 数组。每个 RGB565 值被转换为三个 8 位的 RGB 分量，并存储在提供的 RGB888 数组中。示例中的 main 函数展示了如何调用这个转换函数并打印结果。

3.2 BMP图片封装: 头文件

cpp 复制代码 
#ifndef BMP_H
#define BMP_H
#include "ff.h"
#include "string.h"
#include "sys.h"
#pragma pack(1)    /* 必须在结构体定义之前使用,这是为了让结构体中各成员按1字节对齐 */

/*需要文件信息头:14个字节 */
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER
{
	unsigned short bfType;      //保存图片类似。 'BM'
	unsigned long  bfSize;      //图片的大小
	unsigned short bfReserved1;
	unsigned short bfReserved2; 
	unsigned long  bfOffBits;  //RGB数据偏移地址
}BITMAPFILEHEADER;

/* 位图信息头 */
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER { /* bmih */
	unsigned long  biSize;      //结构体大小
	unsigned long  biWidth;		  //宽度
	unsigned long  biHeight;	  //高度
	unsigned short biPlanes;
	unsigned short biBitCount;	//颜色位数
	unsigned long  biCompression;
	unsigned long  biSizeImage;
	unsigned long  biXPelsPerMeter;
	unsigned long  biYPelsPerMeter;
	unsigned long  biClrUsed;
	unsigned long  biClrImportant;
}BITMAPINFOHEADER;

#define RGB888_RED      0x00ff0000  
#define RGB888_GREEN    0x0000ff00  
#define RGB888_BLUE     0x000000ff  
 
#define RGB565_RED      0xf800  
#define RGB565_GREEN    0x07e0  
#define RGB565_BLUE     0x001f  

u8 photograph_BMP(u8 *filename,int Width,int Height);
void photograph_open(u8 *filename,int Width,int Height);
void  photograph_write(u16 *buff);
void photograph_close(void);
#endif

3.3 BMP图片封装: 源文件

cpp 复制代码 
#include "bmp.h"  
unsigned short RGB888ToRGB565(unsigned int n888Color)  
{  
    unsigned short n565Color = 0;  
  
    // 获取RGB单色，并截取高位  
    unsigned char cRed   = (n888Color & RGB888_RED)   >> 19;  
    unsigned char cGreen = (n888Color & RGB888_GREEN) >> 10;  
    unsigned char cBlue  = (n888Color & RGB888_BLUE)  >> 3;  
  
    // 连接  
    n565Color = (cRed << 11) + (cGreen << 5) + (cBlue << 0);  
    return n565Color;  
}  
  
unsigned int RGB565ToRGB888(unsigned short n565Color)  
{  
    unsigned int n888Color = 0;  
  
    // 获取RGB单色，并填充低位  
    unsigned char cRed   = (n565Color & RGB565_RED)    >> 8;  
    unsigned char cGreen = (n565Color & RGB565_GREEN)  >> 3;  
    unsigned char cBlue  = (n565Color & RGB565_BLUE)   << 3;  
  
    // 连接  
    n888Color = (cRed << 16) + (cGreen << 8) + (cBlue << 0);  
    return n888Color;  
} 


//拍摄BMP的图片
u8 photograph_BMP(u8 *filename,int Width,int Height)
{
		u32 cnt;
		int x,y;
	  u8 res;
	  char *p;
		u16 c16; //16位颜色值
	  u32 c32; //24位颜色值
	
	  BITMAPFILEHEADER BmpHead; //保存图片文件头的信息
	  BITMAPINFOHEADER BmpInfo; //图片参数信息
	
	  /*1. 创建BMP文件*/
		FIL  file;
		res = f_open(&file,(char*)filename, FA_OPEN_ALWAYS | FA_READ | FA_WRITE); //读写加创建
	  if(res!=0)return 1;
	  
	  /*2. 填充图片数据头*/
		memset(&BmpHead,0,sizeof(BITMAPFILEHEADER));
		p=(char*)&BmpHead.bfType; //填充BMP图片的类型
		*p='B';
		*(p+1)='M';
		//BmpHead.bfType=0x4d42;//'B''M'   //0x4d42
		BmpHead.bfSize=Width*Height*3+54; //图片的总大小
		BmpHead.bfOffBits=54;             //图片数据的偏移量
	  res=f_write(&file,&BmpHead,sizeof(BITMAPFILEHEADER),&cnt);//写入图片文件头到文文件
	  if(res!=0)return 1;
	  
	  /*3. 填充图片参数*/
	  memset(&BmpInfo,0,sizeof(BITMAPINFOHEADER));
		BmpInfo.biSize=sizeof(BITMAPINFOHEADER); //当前结构体大小
		BmpInfo.biWidth=Width;
		BmpInfo.biHeight=Height;
		BmpInfo.biPlanes=1;
		BmpInfo.biBitCount=24;
		res=f_write(&file,&BmpInfo,sizeof(BITMAPINFOHEADER),&cnt);//写入图片文件头到文文件
	  if(res!=0)return 1;
		
		/*4. 读取图像参数进行填充*/
		for(y=Height-1;y>=0;y--) //因为BMP图片特性，所有需要从LCD最后一行开始读
		{
			for(x=0;x<Width;x++)
			{
				//c16=LcdReadPoint(x,y);      //LCD读点函数
				c32=RGB565ToRGB888(c16);    //将16位的颜色转为32位
				f_write(&file,&c32,3,&cnt); //写入图片数据
			}
		}
		
		/*. 关闭文件*/
		f_close(&file);
		return 0;
}


BITMAPFILEHEADER BmpHead; //保存图片文件头的信息
BITMAPINFOHEADER BmpInfo; //图片参数信息
#include <stdio.h>
FIL  BMP_file;
//拍摄1: 创建文件
void photograph_open(u8 *filename,int Width,int Height)
{
		u32 cnt;
	  u8 res;
	  char *p;

	  /*1. 创建BMP文件*/
		res = f_open(&BMP_file,(char*)filename, FA_OPEN_ALWAYS | FA_READ | FA_WRITE); //读写加创建
	  if(res!=0)
    {
      printf("%s文件打开失败.!\r\n",filename);
      return;
    }
	  
	  /*2. 填充图片数据头*/
		memset(&BmpHead,0,sizeof(BITMAPFILEHEADER));
		p=(char*)&BmpHead.bfType; //填充BMP图片的类型
		*p='B';
		*(p+1)='M';
		//BmpHead.bfType=0x4d42;//'B''M'   //0x4d42
		BmpHead.bfSize=Width*Height*3+54; //图片的总大小
		BmpHead.bfOffBits=54;             //图片数据的偏移量
	  res=f_write(&BMP_file,&BmpHead,sizeof(BITMAPFILEHEADER),&cnt);//写入图片文件头到文文件
	  if(res!=0)
    {
       printf("%s BMP文件头1写入失败.!\r\n",filename);
       return;
    }
    else
    {
         printf("%s BMP文件头1写入成功!.%d字节.\r\n",filename,cnt);
    }
	  
	  /*3. 填充图片参数*/
	    memset(&BmpInfo,0,sizeof(BITMAPINFOHEADER));
		BmpInfo.biSize=sizeof(BITMAPINFOHEADER); //当前结构体大小
		BmpInfo.biWidth=Width;
		BmpInfo.biHeight=Height;
		BmpInfo.biPlanes=1;
		BmpInfo.biBitCount=24;
		res=f_write(&BMP_file,&BmpInfo,sizeof(BITMAPINFOHEADER),&cnt);//写入图片文件头到文文件
	  if(res!=0)
    {
        printf("%s BMP文件头2数据写入失败.!\r\n",filename);
        return;
    }
    else
    {
         printf("%s BMP文件头2数据写入成功.!%d字节\r\n",filename,cnt);
    }
}


//拍摄2: 写文件
void photograph_write(u16 *buff)
{
    u32 c32; //24位颜色值
    UINT cnt;
    u8 res;
    int x;
    /*4. 读取图像参数进行填充*/
    for(x=0;x<320;x++)
    {
        c32=RGB565ToRGB888(buff[x]);    //将16位的颜色转为32位
        res=f_write(&BMP_file,&c32,3,&cnt); //写入图片数据
        if(res!=0)
        {
            printf("图像数据写入失败.%d\r\n",x);
            break;
        }
    }
}


//拍摄3: 关闭文件
void photograph_close(void)
{
     /*. 关闭文件*/
	f_close(&BMP_file);
}
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