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06 CSI模块指南

上一节介绍了 OV5640 的处理流程。流程中的参数由寄存器控制，STM32H7 再通过接口配置这些寄存器。

这些底层细节已经封装在 OpenMV 固件的 csi 模块中。和入门课的 HelloWorld 一样，导入模块、创建实例后，就可以调用相应函数。

1. 传感器调节项​

基础配置已经在 HelloWord和IDE工具介绍 中介绍。这里再看 PPT 中列出的几个调节项：

csi0.hmirror(True)  # 左右翻转
csi0.vflip(True)    # 上下翻转
csi0.auto_exposure(False, exposure_us=8000)  # 曝光
csi0.auto_gain(True, gain_db_ceiling=16)    # 增益
csi0.auto_whitebal(False, rgb_gain_db=(0.0, 0.0, 0.0))  # 白平衡
csi0.framerate(15)  # 帧率上限

这些语句使用前面已经创建的 csi0 对象，按需要放在初始化部分。参数含义可以在本站 csi 模块库 中搜索。

曝光​

OpenMV 默认开启自动曝光、自动增益和自动白平衡。

像素单元及预充电、曝光、采样、读出四个阶段

曝光控制像素收集光信号的时间。曝光时间越长，积累的光生电荷通常越多，图像也越明亮。

但它不是越长越好：光照充足时，曝光过长会使像素接近饱和，导致图像过曝。上面的 exposure_us=8000 使用微秒作为单位。

增益​

增益可以把采集到的信号放大。在光线较暗，又不适合继续延长曝光时，可以通过增益提高画面亮度。

图像传感器信号放大与增益调节

增益也不是越大越好，因为信号放大的同时，噪声也会被放大。

白平衡​

白平衡通过调整 RGB 三个通道，校正不同光源造成的颜色偏差。例如白炽灯的光偏暖黄，而冷白 LED 的光偏蓝。

暖黄白炽灯与冷白LED光源下的白平衡

人眼会适应不同光源，自动白平衡也在做类似的调整。但它会改变图像中的 RGB 数值，因此进行色块追踪等与颜色有关的任务时，通常要在画面稳定后关闭自动白平衡。

2. snapshot 如何获取图像​

img = csi0.snapshot() 返回一个 image.Image 对象，后续图像处理大多围绕它进行。

OV5640 配置完成后会持续输出图像数据。采图时，STM32H7 的 DCMI 接收数据，DMA 把数据搬运到 SDRAM 缓冲区。

OV5640经DCMI和DMA传输到SDRAM的单缓冲示意

按图中的过程来看：

  1. DCMI 等待帧起始信号。
  2. 开始接收这一帧的数据，并触发 DMA 搬运。
  3. 一帧数据传输完成，产生完成通知。
  4. snapshot() 返回对应的图像对象。

这个对象关联着图像缓冲区中的数据。可以借助 C 语言结构体的概念理解：对象里保存了图像相关信息，像素数据则位于对应的内存中。

3. 单缓冲、双缓冲与多缓冲​

单缓冲​

只有一块缓冲区时，采集和处理需要轮流使用它。CPU 等待图像采集完成，再处理这一帧；处理结束后，缓冲区才能交给下一次采集。

双缓冲​

CPU与DMA使用两块图像缓冲区的示意

双缓冲允许 CPU 处理一块缓冲区时，DMA 向另一块缓冲区采图。

如果 CPU 还没处理完，而另一块缓冲区已经采满，就可能发生丢帧。CPU 再取图时，也可能需要等待当前采集完成。因此双缓冲的实际效果仍取决于采集时间和处理时间。

多缓冲与预览​

多块缓冲区可以排成队列，让图像采集与 CPU 处理衔接起来。默认的自动清理会在丢帧时清理排队的旧帧，使后续 snapshot() 尽量取得较新的画面。

多帧缓冲队列与独立IDE预览缓冲区

图中的队列是示意图。具体缓冲数量通过 framebuffers() 配置；单缓冲、双缓冲、三缓冲与更多缓冲的 FIFO 模式，见 csi 模块库。

程序开始下一次采图时，上一帧处理后的图像可更新到单独的预览缓冲区，再经 USB 传到 IDE。预览用的缓冲区和采图用的缓冲区并不是同一块。

后续进入图像处理模块，主要通过具体项目学习它的用法。