基于STM32的BMP图片解码

1. 硬件描述

单片机：STM32F407VET6

TFT-LCD控制器：RA8875

SD卡：金士顿4GB

2. 第三方模块

文件系统：FATFS R0.11

3. BMP图片基础知识

BMP（全称Bitmap）是Windows操作系统中的标准图像文件格式，可以分成两类：设备相关位图（DDB）和设备无关位图（DIB），使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit、24bit及32Bit。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。

4. 结构分析

BMP虽然是图片格式，但底层仍然是二进制文件。若要将二进制文件解析成图片，需要明确每一个二进制位代表什么含义！

#pragma pack (1)

/**
* 位图 = 文件头 + 信息头 + 调色板(可选) + 数据体
*/

/* 位图文件头 */
typedef struct tagBITMAP_FILE_HEADER{
uint16_t bfType;
uint32_t bfSize;
uint16_t bfReserved1;
uint16_t bfReserved2;
uint32_t bfOffBits;
}BITMAP_FILE_HEADER;

/* 位图信息头 */
typedef struct tagBITMAP_INFO_HEADER{
uint32_t biSize;
uint32_t biWidth;
uint32_t biHeight;
uint16_t biPlanes;
uint16_t biBitCount;
uint32_t biCompression;
uint32_t biSizeImage;
uint32_t biXPelsPerMeter;
uint32_t biYPelsPerMeter;
uint32_t biClrUsed;
uint32_t biClrImportant;
}BITMAP_INFO_HEADER;

typedef struct tagRGBQUAD{
uint8_t rgbBlue;
uint8_t rgbGreen;
uint8_t rgbRed;
uint8_t rgbReserved;
}RGBQUAD;

#pragma pack ()

1、文件头的结构定义了该图片的框架信息，占14个字节：

（1）bfType：指定文件类型，必须是 0x424D，即字符串”BM”，也就是说.bmp文件的关键字都是“BM”。

（2）bfSize：指定文件大小。

（3）bfOffBits：实际数据占文件头的偏移量。

2、信息头的结构定义了该图片的具体信息，占40个字节：

（1）biWidth：指定图像宽度，单位：像素

（2）biHeight：指定图像高度，单位：像素

（3）biBitCount：指定颜色位数，常用的值为1（灰度图），4（16色图），8（256色图），24（真彩色图），32（真彩色图,增加ALPHA通道）

3、调色板

对于8位图及以下才有调色板部分，对于24位、32位图像调色板位置直接就是数据部分。

调色板的目的，就是把一张图片所有用得到的颜色依次编号，每种颜色都有一个唯一的编号。在数据区域，只显示一种颜色在调色板区域的索引值。

以8位图为例，原来一个像素需要3个字节（RGB分量各占一个字节），现在只需要1个字节即可，大大节省了存储空间。

为什么对于24位图及以上，不使用调色板了呢？以24位图、240*320分辨率的图片为例：

调色板占空间：(2^24) * 4字节

图片占空间：240 * 320 * 3 字节

相比于不使用调色板，不但没有减小图像体积，反而多了一块巨大的调色板！

4、源码

bmp.h

/*
*********************************************************************************************************
* @file     bmp.h
* @author   SY
* @version  V1.0.0
* @date     2016-8-26 09:40:47
* @IDE      V5.18.0.0
* @Chip     STM32F407VE
* @brief    BMP图片头文件
*********************************************************************************************************
* @attention
*
*
*********************************************************************************************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Define to prevent recursive inclusion
************************************
4000
*********************************************************************
*/
#ifndef __BMP_H
#define __BMP_H

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Exported Includes
*********************************************************************************************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Exported define
*********************************************************************************************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Exported types
*********************************************************************************************************
*/
typedef enum
{
eErrTypeBMP_NONE = 0,
eErrTypeBMP_OPEN_FILE,
eErrTypeBMP_FILE_HEAD,
eErrTypeBMP_MALLOC,
eErrTypeBMP_NOT_SUPPORT,
}BMP_ERR_TypeDef;

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Exported constants
*********************************************************************************************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Exported macro
*********************************************************************************************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Exported variables
*********************************************************************************************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Exported functions
*********************************************************************************************************
*/
BMP_ERR_TypeDef LCD_ShowBMP( uint16_t x, uint16_t y, const char *bmpPathPtr );

#endif
/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics **********END OF FILE*************************/

bmp.c

/*
*********************************************************************************************************
* @file     bmp.c
* @author   SY
* @version  V1.0.0
* @date     2016-8-26 09:40:47
* @IDE      V5.18.0.0
* @Chip     STM32F407VE
* @brief    BMP图片源文件
*********************************************************************************************************
* @attention
*
*
*********************************************************************************
14d6b
************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Private Includes
*********************************************************************************************************
*/
#include "bsp.h"
#include "bmp.h"

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Private define
*********************************************************************************************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Private typedef
*********************************************************************************************************
*/
#pragma pack (1)

/**
* 位图 = 文件头 + 信息头 + 调色板(可选) + 数据体
*/

/* 位图文件头 */
typedef struct tagBITMAP_FILE_HEADER{
uint16_t bfType;
uint32_t bfSize;
uint16_t bfReserved1;
uint16_t bfReserved2;
uint32_t bfOffBits;
}BITMAP_FILE_HEADER;

/* 位图信息头 */
typedef struct tagBITMAP_INFO_HEADER{
uint32_t biSize;
uint32_t biWidth;
uint32_t biHeight;
uint16_t biPlanes;
uint16_t biBitCount;
uint32_t biCompression;
uint32_t biSizeImage;
uint32_t biXPelsPerMeter;
uint32_t biYPelsPerMeter;
uint32_t biClrUsed;
uint32_t biClrImportant;
}BITMAP_INFO_HEADER;

typedef struct tagRGBQUAD{
uint8_t rgbBlue;
uint8_t rgbGreen;
uint8_t rgbRed;
uint8_t rgbReserved;
}RGBQUAD;

#pragma pack ()

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Private constants
*********************************************************************************************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Private macro
*********************************************************************************************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Private variables
*********************************************************************************************************
*/
extern uint16_t file_buff[];

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Private function prototypes
*********************************************************************************************************
*/

/*
*********************************************************************************************************
*                                           Private functions
*********************************************************************************************************
*/
/*
*********************************************************************************************************
* Function Name : LCD_ShowBMP
* Description   : 显示BMP图片（支持8、24、32位格式）
* Input         : None
* Output        : None
* Return        : None
*********************************************************************************************************
*/
BMP_ERR_TypeDef LCD_ShowBMP( uint16_t x, uint16_t y, const char *bmpPathPtr )
{
FRESULT fresult;
FIL file_obj;
uint32_t br;

/* 打开文件 */
fresult = f_open(&file_obj,bmpPathPtr,FA_OPEN_EXISTING | FA_READ);
if (fresult != FR_OK)
{
return eErrTypeBMP_OPEN_FILE;
}

/* 打开文件头 */
BITMAP_FILE_HEADER fileHead;
fresult = f_read(&file_obj,&fileHead,sizeof(BITMAP_FILE_HEADER),&br);
if (fresult != FR_OK)
{
f_close(&file_obj);
return eErrTypeBMP_OPEN_FILE;
}

/* 验证"BM" */
if (fileHead.bfType != 0x4D42)
{
f_close(&file_obj);
return eErrTypeBMP_FILE_HEAD;
}

/* 打开信息头 */
BITMAP_INFO_HEADER infoHead;
fresult = f_read(&file_obj,&infoHead,sizeof(BITMAP_INFO_HEADER),&br);
if (fresult != FR_OK)
{
f_close(&file_obj);
return eErrTypeBMP_OPEN_FILE;
}

/* 行必须是4的倍数 */
const uint32_t MULTIPLE = 4;
uint32_t originBiWidth = infoHead.biWidth;
uint8_t rowRemain = infoHead.biWidth % MULTIPLE;
if (rowRemain != 0)
{
uint32_t div = infoHead.biWidth / MULTIPLE;
infoHead.biWidth = (div + 1) * MULTIPLE;
}

uint32_t virtualWidth = 0;
switch ( infoHead.biBitCount )
{
case 8:
virtualWidth = infoHead.biWidth;
break;
case 24:
virtualWidth = 3 * infoHead.biWidth;
break;
case 32:
virtualWidth = 4 * infoHead.biWidth;
break;
default:
f_close(&file_obj);

return eErrTypeBMP_NOT_SUPPORT;
}

/* 行、列合法性 */
if ((infoHead.biHeight==0) || (infoHead.biWidth==0))
{
f_close(&file_obj);
return eErrTypeBMP_NONE;
}

/* 是否存在调色板 */
bool isIncludePalette = true;
if (fileHead.bfOffBits == sizeof(BITMAP_FILE_HEADER) + sizeof(BITMAP_INFO_HEADER))
{
isIncludePalette = false;
}

/* 为调色板申请内存 */
RGBQUAD *palettePtr = NULL;
uint32_t paletteNums = 0;
if (isIncludePalette == true)
{
paletteNums = fileHead.bfOffBits - \
sizeof(BITMAP_FILE_HEADER) - sizeof(BITMAP_INFO_HEADER);

palettePtr = (RGBQUAD *)calloc(1,paletteNums);
if (palettePtr == NULL)
{
f_close(&file_obj);
return eErrTypeBMP_MALLOC;
}
}

/* 读取调色板数据 */
if (isIncludePalette == true)
{
fresult = f_read(&file_obj,palettePtr,paletteNums,&br);
if (fresult != FR_OK)
{
f_close(&file_obj);
if (isIncludePalette == true)
{
free(palettePtr);
}
return eErrTypeBMP_OPEN_FILE;
}
}

/*
* 显示图像数据
* 注：
* 1、BMP文件数据顺序为： 从左到右，从下向上。而液晶屏加载显示顺序为：从左到右，从上向下。需要重新定位！
* 2、无论是否含有调色板，数据区的起始地址(fileHead.bfOffBits)都不是4的倍数。
* 3、由于底层使用DMA读取数据，必须保证 f_read() 函数起始地址是4的倍数。
*/
const uint8_t OPPSET_POS = 2;
const uint16_t BMP_BUFF_SIZE = 4000;

uint8_t *bmpBuffPtr = (uint8_t *)&file_buff;
uint32_t maxBuffSize = BMP_BUFF_SIZE - OPPSET_POS; //由于后面会多读取 OPPSET_POS 个字节，因此需要留有余量
uint32_t maxReadLenth = maxBuffSize;
if (maxBuffSize % virtualWidth != 0)
{
uint32_t div = maxBuffSize / virtualWidth;
maxReadLenth = div * virtualWidth;
}
uint32_t maxColumnNums = maxReadLenth / virtualWidth;
uint32_t remainColumnNums = infoHead.biHeight;
uint16_t start_x = x;
uint16_t start_y = y + infoHead.biHeight;

/* 从该地址开始读取数据，保证读取的起始地址是4的倍数 */
uint32_t offset = fileHead.bfOffBits - OPPSET_POS;
while (1)
{
f_lseek(&file_obj,offset);
fresult = f_read(&file_obj,bmpBuffPtr,maxReadLenth+OPPSET_POS,&br);
br -= OPPSET_POS;
offset += br;

if (fresult != FR_OK)
{
f_close(&file_obj);
if (isIncludePalette == true)
{
free(palettePtr);
}
return eErrTypeBMP_OPEN_FILE;
}

if (br == 0)
{
break;
}

memmove(bmpBuffPtr,bmpBuffPtr+OPPSET_POS,maxReadLenth);

/* 设置像素窗口 */
if (remainColumnNums >= maxColumnNums)
{
remainColumnNums -= maxColumnNums;
start_x = x;
start_y -= maxColumnNums;
}
else
{
remainColumnNums = 0;
start_x = x;
start_y = y;
}

Active_Window(start_x,start_x+originBiWidth-1,start_y,start_y+maxColumnNums-1);
XY_Coordinate(start_x,start_y);
WriteCommand(0x02);

uint16_t pixel = 0;
RGBQUAD tempQuad;
switch (infoHead.biBitCount)
{
case 8:
{
uint32_t increase = 0;
uint32_t initValue = br - virtualWidth;

for (int32_t i=initValue; i>=0; ++i)
{
tempQuad = *(RGBQUAD *)(palettePtr + *(uint8_t *)(bmpBuffPtr + i));
pixel = RGB(tempQuad.rgbRed, tempQuad.rgbGreen, tempQuad.rgbBlue);
*(__IO uint16_t *)(LCD_DATA_ADD) = pixel;

if (++increase >= originBiWidth)
{
increase = 0;

initValue -= virtualWidth;
i = initValue - 1;
}
}
break;
}
case 24:
{
uint32_t increase = 0;
uint32_t initValue = br - virtualWidth;

for (int32_t i=initValue; i>=0; i+=3)
{
tempQuad.rgbBlue =      *(uint8_t *)(bmpBuffPtr+i+0);
tempQuad.rgbGreen =     *(uint8_t *)(bmpBuffPtr+i+1);
tempQuad.rgbRed =       *(uint8_t *)(bmpBuffPtr+i+2);
tempQuad.rgbReserved =  0x00;

pixel = RGB(tempQuad.rgbRed, tempQuad.rgbGreen, tempQuad.rgbBlue);
*(__IO uint16_t *)(LCD_DATA_ADD) = pixel;

if (++increase >= originBiWidth)
{
increase = 0;

initValue -= virtualWidth;
i = initValue - 3;
}
}
break;
}
case 32:
{
uint32_t increase = 0;
uint32_t initValue = br - virtualWidth;

for (int32_t i=initValue; i>=0; i+=4)
{
tempQuad.rgbBlue =      *(uint8_t *)(bmpBuffPtr+i+0);
tempQuad.rgbGreen =     *(uint8_t *)(bmpBuffPtr+i+1);
tempQuad.rgbRed =       *(uint8_t *)(bmpBuffPtr+i+2);
tempQuad.rgbReserved =  *(uint8_t *)(bmpBuffPtr+i+3);

pixel = RGB(tempQuad.rgbRed, tempQuad.rgbGreen, tempQuad.rgbBlue);
*(__IO uint16_t *)(LCD_DATA_ADD) = pixel;

if (++increase >= originBiWidth)
{
increase = 0;

initValue -= virtualWidth;
i = initValue - 4;
}
}
break;
}
default:
{
break;
}
}
}

/* 关闭文件 */
f_close(&file_obj);
if (isIncludePalette == true)
{
free(palettePtr);
}

return eErrTypeBMP_NONE;
}

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics **********END OF FILE*************************/

要点：

（1）BMP的文件顺序为：从左到右，从下到上。而液晶屏显示顺序为：从左到右，从上到下。因此，代码中需要调换BMP图像显示顺序。

（2）由于内存中BMP缓存只有4000字节，对于较大尺寸的图片，需要分段加载。

（3）BMP协议规定，行长度必须为4的倍数，如果不足，则填充0！

（4）在调试过程中遇到最难的并不是协议上的，我遇到一个问题。

原图：



显示：



将读取的数据与原始图片的数据作对比，发现在某一行数据之后，数据均发生2个字节的偏移！这是分段加载的结果，如果我将图片缓存区加大，一次性将数据全部读取出来，图片显示正常，因此我推测可能是文件系统的问题。

顿时灵光一现！特么我不是遇到过类似问题吗！

将数据写入SD卡正确，从SD卡读取到内存发现数据发生偏移，后来发现是因为SD卡读写数据是使用DMA传输数据，DMA要求内存起始地址必须4字节对齐！

计算数据起始地址，文件头（14） + 信息头（40） + 调色板(8位数据，1024) + 数据体（若干），14 + 40 + 1024 = 1078,

1078 / 4 = 269.5，不能被4整除，也就是说可能问题就是出在这里，这样使用f_read()读取的数据，第一次读取是正确的，在之后的某个地方只要一读取就偏移2个字节。结论：使用 f_read() 必须保证4字节对齐！

因此，每次分段读取数据时，使用 f_lseek() 向前偏移2个字节，保证4字节对齐，这样显示就OK啦！

看一下显示效果，Perfect！