COMPRESSION AND STORAGE OF VIDEO DATA BASED
ON OV2640
ABSTRACT
As in recent years the rapid development of information technology, improve the speed of information dissemination, way, people depend on the image information more and more, so far, the application of image processing has been very widely, industrial, medical, education, security, and so on, image processing has penetrated in our life. This design is based on the OV2640 image sensor module and the Italian method of semiconductor (ST) production of STM32 series microcontroller for image acquisition, compression, transmission and storage.
The design based on stm32f103zet6 and ov2640 establishment of embedded image processing system, the main content of the design: hardware circuit and the main program, driver program preparation, after the collection of image compression and the application of the STM32 DMA transfers. The main program is mainly responsible for the initialization of the hardware, as well as the operation of the system, etc.. The main driver of the OV2640 image sensor driver, control the way the image acquisition, data format, acquisition speed, and so on. TFT-LCD driver, mainly control the display, and the initialization sequence.
KEY WORDS: STM32,OV2640 ,embedded system ,image processing
- V -
目 录
摘 要 ....................................................................................................................................... IV ABSTRACT ............................................................................................................................. V 第1章 绪 论 ......................................................................................................................... 1
1.1 课题研究的目的及其意义 ........................................................................................ 1 1.2 视频采集、压缩与存储国内外研究现状 ................................................................ 2
1.2.1 图像传感器发展历程 ..................................................................................... 2 1.2.2 图像压缩技术发展 ......................................................................................... 3 1.2.3 图像压缩技术现阶段应用 ............................................................................. 5 1.3 本文的主要内容 ........................................................................................................ 5 第2章 OV2640工作原理及内部结构 .................................................................................. 6
2.1 OV2640简介 .............................................................................................................. 6 2.2 OV2640工作原理 ...................................................................................................... 6
2.2.1 OV2640 传感器功能模块。 .......................................................................... 7 2.2.2 OV2640时序 ................................................................................................... 9 2.3 本章小结 .................................................................................................................. 10 第3章 视频压缩存储系统硬件设计 ................................................................................... 11
3.1 系统结构设计 .......................................................................................................... 11 3.2 图像采集模块电路 .................................................................................................. 11 3.3 微控制器相关电路 .................................................................................................. 12 3.4 本章小结 .................................................................................................................. 14 第4章 视频压缩存储系统软件设计 ................................................................................... 15
4.1 系统流程图 .............................................................................................................. 15 4.2 系统硬件初始化 ...................................................................................................... 16
4.2.1 LED初始化 ................................................................................................... 16 4.2.2 串口初始化 ................................................................................................... 16 4.2.3 按键初始化 ................................................................................................... 16 4.2.4 LCD初始化 ................................................................................................... 16 4.2.5 OV2640初始化 ............................................................................................. 16 4.3 系统主程序设计 ...................................................................................................... 17
4.3.1 OV2640图像采集程序 ................................................................................. 17 4.3.2 直接存储器访问（DMA） .......................................................................... 19
- VI -
4.3.3 主函数设计 ................................................................................................... 20
第5章 功能测试结果 ........................................................................................................... 22 第6章 结论 ........................................................................................................................... 24 参考文献 ................................................................................................................................. 25 致 谢 ....................................................................................................................................... 27
- VII -
第1章 绪 论
1.1 课题研究的目的及其意义
计算机处理视频的前提是进行图像压缩。图像信号数字化以后数据带宽比较高，一般会达到20MB/秒，所以计算机将会很难对其进行保存、传输和处理。采用数据压缩后数据带宽可以下降到1-10MB/秒，便于计算机将图像信号储存并且容易做相应的处理。IOS制订了常用的算法，即JPEG和MPEG算法。JPEG是静态图像压缩标准，适用于连续色调彩色或灰度图像，它包括两部分：一是基于DPCM（空间线性预测）技术的无失真编码，一是基于DCT（离散余弦变换）和哈夫曼编码的有失真算法，前者压缩比很小，主要应用的是后一种算法[1]。
OV2640 是OmniVision公司生产的一颗 1/4 寸的 CMOS UXGA（1632*1232）图 像传感器。该传感器工作电压要求低、传感器尺寸小，在很小的体积上集成了单片UXGA摄像头以及图像处理器的所有功能。可以通过SCCB对其进行各方面参数的控制，可以输出整帧、子采样、缩放和取窗口等方式的各种分辨率 8/10 位影像数据。该产品 UXGA 图像最高达到 15 帧/秒（SVGA 可达 30 帧，CIF 可达 60 帧）。 使用者可以根据需要控制采集图像质量、数据输出格式和传输方式。片上图像处理功能主要包括伽玛曲线、 白平衡、对比度、色度等。都可以通过SCCB对其进行控制。OmmiVision 公司生产的图像传感器使用了独有的传感器制造技术，通过减少光学或电子缺陷如拖尾、固定图案噪声、浮散等，以提高图像的最终质量，最终得到清晰稳定的图像。
目前需要设计一种低成本，低功耗的视频采集及输出的设备，可以将图像数据采集并且传输到计算机并且储存。在此次设计中，需要掌握有关视频图像压缩的相关知识，ARM微控制器的应用、编程相关知识，通过研究现有的视频采集、传输设备帮助自己完成自己的设计。
信息如何被高效存储和传递的问题一直是计算机研究的一个重要课题, 而解决这一问题的最常用的就是数据压缩技术。计算机为什么需要数据压缩技术呢? 一是因为容量的限制, 促使各程序员开始开发各种压缩软件对软件进行压缩。二是信息通讯量的限制, 人们希望在网上下载的软件越小越好。随着数码技术的发展,压缩技术也在不断发展, 因为硬盘和光盘的空间毕竟是有限的, 而游戏、音频、视频、图片在计算机中应用中越来越普遍, 但它们又非常占据空间, 所以压缩技术前景非常广阔并且不断在发展。与压缩相关的有两个步骤: 第一个步骤是压缩, 第二个步骤则是解压缩。
–1–
在计算机中所有信息都是以二进制代码形式存在的, 这些信息具体形式可以是声音、图像、软件, 因此我们把只用二进制编码的像片、音频等可以称为数码像片或数码音频。以数码图片为例, 压缩就是要把的图像的二进制代码中冗长的、重复的代码遵循一定的算法用简短的代码来代替。如果把软件中的冗长的、重复的代码如果都按一定的算法用简短的代码来替换的话, 最后重新生成的软件一定会小得多。这个过程, 就叫做压缩。
一般而言, 被压缩的文件是不能直接运行的, 那是因为它的代码都被简化了。被压缩了的文件只是变小了空间而已, 是不能直接使用的。要想再使用这些压缩过的文件, 就必须解压缩。解压缩文件要用到对应的压缩软件。解压缩的过程正好和压缩的过程相反, 即通过算法将简短的压缩代码还原为程序的真正代码。
在多媒体应用中，数字化信息的数据量相当庞大，对存储器的存储器的存储容量、网络带宽以及计算机的处理速度都有较高的要求，完全通过增加硬件设施来满足现实需求是不可能的，必须采用有效的压缩技术。多媒体数据之所以能够进行压缩时因为原始数据存在以下三种形式的冗余：（1）编码冗余。如频率相差很大的像素用相同长度的代码进行编码；（2）像素间冗余。如相邻像素间具有时域或空域相关性；（3）视觉信息冗余。即人的视觉图像边缘急剧变化不敏感，对色彩的分辨能力弱，只对图像的亮度敏感，对经压缩和解压缩后的图像失真难以察觉或影响甚微。这些数据本身的冗余和人的感官特性构成了多媒体数据压缩的基础，同时也确定了数据压缩的研究方向。
1.2 视频采集、压缩与存储国内外研究现状
1.2.1 图像传感器发展历程
上世纪五十年代左右，宾·克罗司比实验室率先发明了录像机，该设备可以将电视转播中的电流脉冲信号记录到当时使用的磁带上。20世纪60年代美国国家航空航天局（NASA）在探月工程中由于探测器传送回来的模拟信号质量较差，导致地面站无法将接收到的图像还原，此后其工程师开始向新的技术研究，数字图像技术开始飞速发展，其次冷战时期的科技竞争也加快了其发展，多数间谍卫星上都使用了数字图像技术[2]。关于传感器，20世纪60年代就开始了“CCD芯片”的研究与开发。1969年，贝尔实验室将科室电话和半导体泡存储技术结合，发明了CCD器件的原型。当时CCD的目的是改进存储技术，随后人们意识到可以利用其光电效应来拍摄并且存储图像。1972年，喷气推进实验室研制出尺寸100*100像素阵列的CCD传感器阵列。1975年，柯达实验室创造出世界上第一台数码相机，同时拍摄了世界上第一张数码照片，至此，CCD
–2–