# 1bit-OLED-DitheringAlgorithm
**Repository Path**: Potatotatotato/1bit-OLED-DitheringAlgorithm
## Basic Information
- **Project Name**: 1bit-OLED-DitheringAlgorithm
- **Description**: ..................
- **Primary Language**: C
- **License**: MIT
- **Default Branch**: main
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No
## Statistics
- **Stars**: 2
- **Forks**: 0
- **Created**: 2023-03-10
- **Last Updated**: 2024-11-05
## Categories & Tags
**Categories**: Uncategorized
**Tags**: None
## README
# 串口接收 DMA FIFO 双缓冲区配置 + 适用于单色OLED屏幕图像显示的抖动算法
* 串口DMA、双缓冲
* STM32F407
* 0.96寸单色IIC通信OLED
* 5级灰度
* Visual studio c++
* opencv
## 抖动算法原理
[DITHER抖动算法](https://blog.csdn.net/qq_42676511/article/details/120626723)是指灰度可以用一定比例的黑白点组成的区域表示，从而达到整体图像的灰度感。简单来说，就是使用黑白点组成图案来表示像素的灰度。本文基于[一位up主的视频](https://www.bilibili.com/video/BV1vg411n7LD/?spm_id_from=333.1007.top_right_bar_window_history.content.click)实现了5级灰度图像的绘制。
先获取一帧图像：
```c
bool getVideoFrame(VideoCapture& videoCap, Mat& img);
bool getCameraFrame(VideoCapture& cameraCap, Mat& img);
bool getScreenFrame(Screenshot& screenshot, Mat& img);
```
然后将这一帧图像大小修改为屏幕大小（128*64），取灰度：
```c
resize(img, img, Size(128, 64));
cvtColor(img, img, COLOR_BGR2GRAY);
```
再将这一帧图像处理为`二值`的：
```c
for (uint32_t row = 0; row < 64; row += 2)
{
for (uint32_t column = 0; column < 128; column += 2)
{
ditheringImg(img, row, column);
}
}
```
```c
void ditheringImg(Mat& img, uint32_t row, uint32_t column)
{
uint32_t gray_average = 0;
gray_average = (img.at(row, column) + img.at(row + 1, column) + img.at(row, column + 1) + img.at(row + 1, column + 1)) / 4;
if (gray_average < 51)
{
img.at(row, column) = 0;
img.at(row + 1, column) = 0;
img.at(row, column + 1) = 0;
img.at(row + 1, column + 1) = 0;
}
else if (gray_average < 102)
{
img.at(row, column) = 0;
img.at(row + 1, column) = 0;
img.at(row, column + 1) = 255;
img.at(row + 1, column + 1) = 0;
}
else if (gray_average < 153)
{
img.at(row, column) = 0;
img.at(row + 1, column) = 255;
img.at(row, column + 1) = 255;
img.at(row + 1, column + 1) = 0;
}
else if (gray_average < 204)
{
img.at(row, column) = 0;
img.at(row + 1, column) = 255;
img.at(row, column + 1) = 255;
img.at(row + 1, column + 1) = 255;
}
else
{
img.at(row, column) = 255;
img.at(row + 1, column) = 255;
img.at(row, column + 1) = 255;
img.at(row + 1, column + 1) = 255;
}
}
```
## 串口DMA双缓冲配置
##### DMA 基础配置
单色OLED分辨率为`128*64`，那么一帧图像占用的数据量为`128*64/8=1024Bytes`。我们需要循环接收，所以配置DMA为循环模式（DMA双缓冲区也要求工作在循环模式）。
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 1024; //counter
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;//Circular Mode
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;
USART1->DR寄存器接收到的数据宽度为`1 Byte`，所以配置外设数据宽度为1字节，并且禁止外设地址的自增；开辟两个`uint8_t buffer[1024]`的双缓冲区，配置内存数据宽度为1字节，并允许内存地址的自增。
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&USART1->DR;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;//Peripheral pointer no increase
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; //Peripheral size: Byte
DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = DMA_Memory0BaseAddr;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;//Memory pointer increase
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; //Memory size: Byte
##### DMA FIFO配置
这里我先提出一个问题：我们为什么要配置FIFO？对于串口的每个DMA请求，都立刻使用DMA ***直接*** 传输到目的地不好吗？
> 使用FIFO的最主要好处是：假设DMA运输方向为`寄存器至内存`，当`寄存器数据宽度>内存数据宽度`时，如果使用直接模式传输，会发生高位数据丢失的现象。FIFO可以对需要传输数据进行数据封装/解封，以`32位数据转移到16位数据`为例，直接模式传输会丢失高16位的数据，而使用FIFO就不会丢失高16位的数据，如下图所示。在DMA搬运后，0x00-0x01存放低16位数据，0x02-0x03存放高16位数据。
对于STM32F4来讲，每个DMA stream都有`4 words`即`16 bytes`FIFO可用。它用来暂存来自DMA源端的数据，每当FIFO里存放的数据达到设定的阈值后，数据就会被移走。阈值可以设置为从1个字到4个字的深度。
> DMA_FIFOThreshold_1QuarterFull
> DMA_FIFOThreshold_HalfFull
> DMA_FIFOThreshold_3QuartersFull
> DMA_FIFOThreshold_Full
启用DMA的FIFO可以最大程度地避免数据传输过程中的溢出问题，可以减少DMA对内存的访问次数从而减少总线访问竞争，通过BURST分组传输优化传输带宽以提升芯片性能。利用FIFO,通过对源端/目标端的数据进行打包或拆包以适应不同数据宽度的访问需求.让DMA的使用更为方便灵活。
在配置FIFO的过程中，我们还需要配置`DMA Burst`传输或称`DMA节拍`传输。即几个数据`4/8/16`被封装成1组，或称1个Burst,或称1节。在一节内逐个进行数据传输，每个数据的传输相当于1拍。俨如音乐里的节拍，3/4拍代表以四分音符为一拍，每小节3拍。对于每1节内的数据传输，DMA对总线的占用不会被总线矩阵仲裁器解除或打断，以保证每节数据的可靠完成。根据数据手册*STM32F4xx中文参考手册.pdf*，每拍Burst传输的数据大小通常等于外设` FIFO 大小的一半`。
我们这里配置FIFO大小为`DMA_FIFOThreshold_Full`，上面我们将内存缓冲区数据宽度配置为1 Byte，这里配置内存缓冲区每小节8拍。所以每拍Burst传输的数据为2 Words，正好等于FIFO的一半。
DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Enable; //FIFO enable
DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_Full;//Full FIFO
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_INC8;
##### 双缓冲区配置
DMA的双缓冲配置还是挺简单的，配置一下缓冲区地址，使能双缓冲就OK了。
```c
DMA_MemoryTargetConfig(DMA2_Stream2, DMA_Memory1BaseAddr, DMA_Memory_1);
DMA_DoubleBufferModeCmd(DMA2_Stream2,ENABLE);
```
##### 获取DMA工作缓冲区编号
在绘制OLED图像时，我们需要知道哪个缓冲区是DMA正在写入数据的，我们称之为`工作缓冲区`。我们不能够将工作缓冲区中的数据发送给OLED屏幕，因为工作缓冲区中的数据不是一个完整的帧。我们应该把另外一个`空闲缓冲区`中的数据发送给OLED，空闲缓冲区中保存了完整的一帧。ST给我们提供了函数获取工作缓冲区，不过我们也可以直接操作寄存器。若返回值为0，那么说明Buffer0正在被写入数据，我们应该发送Buffer1的数据。
```c
uint8_t bufferNum = 0;
bufferNum = DMA_GetCurrentMemoryTarget(DMA_Stream_TypeDef* DMAy_Streamx); //Returns the current memory target used by double buffer transfer.
bufferNum = DMAy_Streamx->CR & DMA_SxCR_CT);
```
##### Code
```c
void uart_init(u32 baudrate)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1);
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10; //GPIOA9 and GPIOA10
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
USART_InitStructure.USART_BaudRate = baudrate;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//WordLength: 8bits
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//StopBit number: 1
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
USART1_DMA_Init((u32)USART1_RX_BUFF0, (u32)USART1_RX_BUFF1);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}
void USART1_DMA_Init(u32 DMA_Memory0BaseAddr, u32 DMA_Memory1BaseAddr)
{
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2,ENABLE);
DMA_DeInit(DMA2_Stream2);
while (DMA_GetCmdStatus(DMA2_Stream2) != DISABLE);
DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_4;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&USART1->DR;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;//Peripheral pointer no increase
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; //Peripheral size: Byte
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;
DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = DMA_Memory0BaseAddr;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;//Memory pointer increase
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; //Memory size: Byte
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 1024; //counter
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;//Circular Mode
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Enable; //FIFO enable
DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_Full;//Full FIFO
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_INC16;
DMA_Init(DMA2_Stream2, &DMA_InitStructure);
//Double Buffer Mode
DMA_MemoryTargetConfig(DMA2_Stream2, DMA_Memory1BaseAddr, DMA_Memory_1);
DMA_DoubleBufferModeCmd(DMA2_Stream2,ENABLE);
USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Rx, ENABLE);
DMA_Cmd(DMA2_Stream2, ENABLE);
}
```
##### 注意事项
1. 修改DMA的配置的时候需要先`DISABLE`DMA
2. 只有启用了循环模式，才能使用双缓冲模式
3. 无论是源端还是目标端，只有地址指针被允许自增，相应的Burst传输才被允许使用，否则BurstInc数值固定为`DMA_PeripheralBurst_Single`
4. 与标志位有关的小坑。我的工程中设置了一个定时器，目的是在串口空闲`500ms`后重置DMA，防止DMA接收到不完整的数据（例如多接受了10个字节），这会导致下次接收一帧图像时，缓冲区从`buffer[10]`开始写入数据，导致显示的图像出问题。当时debug时发现，程序莫名其妙地进中断，后来发现`TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStructure)`这句代码执行后，会将定时器`update flag`置1，导致立马进入TIM中断。对于DMA来说，估计也存在这样的情况，如果大家发现DMA在没有传输数据的情况下将`transfer complete flag`置1或者产生中断，那么可以加一条`DMA_ClearFlag(DMAy_Streamx, DMA_FLAG_TCIFx)`试试
##### 参考文献
1. [STM32 DMA详解](https://www.stmcu.org.cn/module/forum/forum.php?mod=viewthread&tid=626817&highlight=DMA)
2. [STM32带FIFO的DMA传输应用示例](https://www.stmcu.org.cn/module/forum/forum.php?mod=viewthread&tid=626579&highlight=stm32%2Bdma%2Bfifo)
3. [强烈推荐这个入门视频](https://www.bilibili.com/video/BV1th411z7sn?p=23&vd_source=e6cfc8577ccc9621465b12d49ef2c1c3)
## PC图像预处理
##### 需要安装配置的库
1. opencv
2. Windows Screenshot [原作者](https://www.cnblogs.com/zhiyiYo/p/14800601.html)
3. c++串口通信 [原作者Repository： LairdXavier/MyTool](https://github.com/LairdXavier/MyTool/tree/master/serial_win_cplus)
##### 实现功能
1. 截取`视频`图像并进行图像处理
2. 截取`显示器`画面并进行图像处理
3. 获取`摄像头`画面并进行图像处理
4. 将图像流保存至[ditheringVideo.bin](https://github.com/Potatotatotato/1bit-OLED-DitheringAlgorithm/blob/main/VisualStudio_Project/1bit-OLED-DitheringAlgorithm/ditheringVideo.bin "This is an example file that you can send to MCU.")，该文件可以使用串口助手直接发送至单片机
