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STM32內存受限情況下攝像頭驅動方式與圖像裁剪的選擇

1、STM32圖像接收接口


使用stm32芯片，128kB RAM，512kB Rom，資源有限，接攝像頭採集圖像，這種情況下，內存利用制約程序設計。


STM32使用DCMI接口讀取攝像頭，協議如下。行同步信號指示了一行數據完成，場同步信號指示了一幀圖像傳輸完成。所以出現了兩種典型的數據接收方式，按照行信號一行一行處理，按照場信號一次接收一副圖像。



 


2、按行讀取


以網絡上流行的野火的demo為例，使用行中斷，用DMA來讀取一行數據。


//記錄傳輸了多少行
 static uint16_t line_num =0;
 //DMA傳輸完成中斷服務函數
 void DMA2_Stream1_IRQHandler(void)
 {
   if ( DMA_GetITStatus(DMA2_Stream1,DMA_IT_TCIF1) == SET )
   {
    /*行計數*/
 　　line_num++;
 　　if (line_num==img_height)
 　　{
 　　/*傳輸完一幀,計數複位*/
 　　line_num=0;
 　　}
 　　/*DMA 一行一行傳輸*/
 　　OV2640_DMA_Config(FSMC_LCD_ADDRESS+(lcd_width*2*(lcd_height-line_num-1)),img_width*2/4);
 　　DMA_ClearITPendingBit(DMA2_Stream1,DMA_IT_TCIF1);
 　　}
 }
 
  //幀中斷服務函數，使用幀中斷重置line_num,可防止有時掉數據的時候DMA傳送行數出現偏移
 void DCMI_IRQHandler(void)
 {
 　　if ( DCMI_GetITStatus (DCMI_IT_FRAME) == SET )
 　　{
 　　/*傳輸完一幀，計數複位*/
 　　line_num=0;
 　　DCMI_ClearITPendingBit(DCMI_IT_FRAME);
 　　}
 }

DMA中斷服務函數中主要是使用了一個靜態變量line_num來記錄已傳輸了多少行數據，每進一次DMA中斷時自加1，由於進入一次中斷就代表傳輸完一行數據，所以line_num的值等於lcd_height時(攝像頭輸出的數據行數)，表示傳輸完一幀圖像，line_num複位為0，開始另一幀數據的傳輸。line_num計數完畢后利用前面定義的OV2640_DMA_Config函數配置新的一行DMA數據傳輸，它利用line_num變量計算顯存地址的行偏移，控制DCMI數據被傳送到正確的位置，每次傳輸的都是一行像素的數據量。


當DCMI接口檢測到攝像頭傳輸的幀同步信號時，會進入DCMI_IRQHandler中斷服務函數，在這個函數中不管line_num原來的值是什麼，它都把line_num直接複位為0，這樣下次再進入DMA中斷服務函數的時候，它會開始新一幀數據的傳輸。這樣可以利用DCMI的硬件同步信號，而不只是依靠DMA自己的傳輸計數，這樣可以避免有時STM32內部DMA傳輸受到阻塞而跟不上外部攝像頭信號導致的數據錯誤。


圖像按幀讀取比按行讀取效率更高，那麼為什麼要按行讀取呢？上面的例子是把圖像送到LCD，如果是送到內存，按幀讀取就需要芯片有很大的內存空間。以752*480的分辨率為例，需要360kB的RAM空間，遠遠超出了芯片RAM的大小。部分應用不需要攝像頭全尺寸的圖像，只需要中心區域，比如為了避免畸變影響一般只用圖像中間的部分，那麼按行讀取就有一個好處，讀到一行后，可以把不需要的丟棄，只保留中間部分的圖像像素。


那麼問題來了？為什麼不直接配置攝像頭的屬性，來實現只讀取圖像的中間部分呢，全部讀取出來然後在arm的內存中裁剪丟棄不要的像素，第一浪費了讀取時間，第二浪費了讀取的空間。更優的做法是直接配置攝像頭sensor，使用sensor的裁剪功能輸出需要的像素區域。


 


3、圖像裁剪--使用STM32 crop功能裁剪


STM32F4系列的DCMI接口支持裁剪功能，對攝像頭輸出的像素點進行截取，不需要的像素部分不被DCMI傳入內存，從硬件接口一側就丟棄了。


HAL_DCMI_EnableCrop(&hdcmi);
 HAL_DCMI_ConfigCrop(&hdcmi, CAM_ROW_OFFSET, CAM_COL_OFFSET, IMG_ROW-1, IMG_COL-1);

裁剪的本質如下所述，從接收到的數據里選擇需要的矩形區域。所以STM32 DCMI裁剪功能可以完成節約內存，只選取需要的圖像存入內存的作用。


此方法相比於一次讀一行，然後丟棄首尾部分后把需要的區域圖像像素存入buffer后再讀下一行，避免了時序錯誤，代碼簡潔了，DCMI硬件計數丟掉不要的像素，也提高了程序可靠性、可讀性。



成也蕭何敗也蕭何，如上面所述，STM32的crop完成了選取特定區域圖像的功能，那麼也要付出代價，它是從接收到的圖像數據里進行選擇的，這意味着那些不需要的數據依然會傳輸到MCU一側，只不過MCU的DCMI對數據進行計數是忽略了它而已，那麼問題就來了，哪些不需要的數據的傳輸會帶來什麼問題呢？


有圖為證，下圖是使用了STM32 crop裁剪的時序圖，通道1啟動採集IO置高，frame中斷里拉低，由於使用dma傳輸，那麼被crop裁剪后dma計數的數據量變少，所以DCMI frame中斷能在行數據傳輸完成前到達，通道1高電平部分就代表一有效分辨率的幀的採集時間。通道2 曝光信號管腳，通道3是行掃描信號。其中通道1下降沿到通道3下降沿4.5ms。代表單片機已經收到crop指定尺寸的圖像，採集有效區域（crop區域）的圖像完成，但是line信號沒有結束還有很多行沒傳輸，即CMOS和DCMI接口要傳輸752*480圖像還沒完成。



 舉例說明，如果使用752*480分辨率採集圖像，你只取中間的360*360視野，有效分辨率是360*360，但是總線上的數據依然是752*480，所以幀率無法提高，多餘的數據按說就不應該傳輸出來，如何破解，問題追到這裏，STM32芯片已經無能為力了，接下來需要在CMOS一側發力了。


 


4、圖像裁剪--配置CMOS寄存器裁剪


下圖是MT9V034 攝像頭芯片的寄存器手冊，Reg1--4配置CMOS的行列起點和寬度高度。



修改寄存器后，攝像頭CMOS就不再向外傳輸多餘的數據，被裁剪丟棄的數據也不會反應在接口上，所以STM32 DCMI接收到的數據都是需要保留的有效區數據，極大地減少了數據輸出，提高了傳輸效率。本人也在STM324芯片上，實現了220*220分辨率120幀的連續採集。


下面是序圖，通道1高電平代表開始採集和一幀結束，不同於使用STM32 的crop裁剪，使用CMOS寄存器裁剪有效窗口，使得幀結束時行信號也同時結束，後續沒有任何需要傳輸的行數據。



 


5、一幀數據一次性傳輸


一幀數據一次全部讀入到MCU的方式，其實是最簡單的驅動編寫方式，缺點就是太占內存，但是對於沒有壓縮功能的cmos芯片來說，一般都無力實現。對部分有jpg壓縮功能的cmos芯片而言，比如OV2640可以使用這種方式，一次性讀出一幀圖像。


__align(4) u32 jpeg_buf[jpeg_buf_size];    //JPEG buffer
 //JPEG 格式
 const u16 jpeg_img_size_tbl[][2]=
 {
     176,144,    //QCIF
     160,120,    //QQVGA
     352,288,    //CIF
     320,240,    //QVGA
     640,480,    //VGA
     800,600,    //SVGA
     1024,768,    //XGA
     1280,1024,    //SXGA
     1600,1200,    //UXGA
 };


//DCMI 接收數據
void DCMI_IRQHandler(void)
{
　　if(DCMI_GetITStatus(DCMI_IT_FRAME)==SET)// 一幀數據
　　{
　　　　jpeg_data_process();  
　　　　DCMI_ClearITPendingBit(DCMI_IT_FRAME); 
　　}
}


 

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