文章目录
- 一、前言
- 二、BMP文件结构
- 2.1 BMP图片的格式
- 说明
- 2.2 RGB888与RGB565格式是什么?
- (1)RGB565
- (2)RGB888
- (3)区别
- (4)如何构成
- (5)示例
- 三、实现代码
- 3.1 RGB565转RGB888的代码
- 3.2 BMP图片封装: 头文件
- 3.3 BMP图片封装: 源文件
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
-
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。
-
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。
-
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。
-
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
。 - 红色:
-
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
。 - 红色:
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:
#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
#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
#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);
}