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docs(dma2d): added async color convert programming guide
This commit is contained in:
morris
@@ -0,0 +1,295 @@
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异步色彩格式转换
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:link_to_translation:`en:[English]`
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本文介绍 ESP-IDF 中的异步色彩转换驱动。目录如下：
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.. contents::
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:local:
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:depth: 2
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概述
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{IDF_TARGET_NAME} 提供 DMA2D 引擎，可以把 2D 拷贝和色彩转换工作从 CPU 卸载到硬件执行。
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这个驱动适合用于：
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- 将图像从一种像素格式转换为另一种像素格式
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- 只转换大图中的一个矩形窗口
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- 将多个转换请求排队，而不是让 CPU 自己做像素搬运
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- 在 RGB 和 UYVY 格式之间转换，并选择 RGB/YUV 转换标准
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异步色彩转换驱动对 DMA2D 的请求准备、队列管理和完成通知做了封装，同时提供两种使用方式：
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- 带 ISR 回调通知的异步提交接口
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- 基于同一路径实现、对新手更友好的阻塞接口
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快速开始
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如果你是第一次使用这个驱动，建议从最简单的流程开始：
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1. 安装驱动
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2. 准备一个 :cpp:type:`async_color_convert_request_t`
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3. 通过阻塞或非阻塞 API 发起转换
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4. 在转换完成后使用输出 buffer
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5. 继续提交新请求，或在结束时卸载驱动
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典型使用流程如下：
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.. mermaid::
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flowchart TD
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install["安装驱动<br/>esp_async_color_convert_install_dma2d"] --> request["准备请求<br/>async_color_convert_request_t"]
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request --> blocking["阻塞路径<br/>esp_color_convert_blocking"]
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request --> nonBlocking["非阻塞路径<br/>esp_async_color_convert"]
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nonBlocking --> callback["等待回调或任务通知"]
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blocking --> result["使用转换结果 buffer"]
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callback --> result
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result --> request
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result --> uninstall["可选清理<br/>esp_async_color_convert_uninstall"]
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场景 1：先从一次阻塞转换开始
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理解这个驱动的最简单方式，就是先完成一次转换，并在函数返回时直接拿到结果。
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下面的流程与 :example:`peripherals/dma/async_color_convert` 示例一致。它把一个嵌入在 flash 中的 UYVY422 图像转换为 BGR24，然后由应用继续处理转换后的输出：
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.. code:: c
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async_color_convert_handle_t conv_hdl = NULL; // 安装驱动后返回的句柄，后续 API 都要用到它
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async_color_convert_config_t config = {
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.backlog = 1, // 这个阻塞示例一次只处理一个请求，因此 1 就够了
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.dma_burst_size = 16, // 先使用示例里的默认 burst 大小即可
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};
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// 创建一个基于 DMA2D 后端的异步色彩转换驱动实例。
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ESP_ERROR_CHECK(esp_async_color_convert_install_dma2d(&config, &conv_hdl));
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async_color_convert_request_t req = {
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.src_buffer = sample_96x64_uyvy_yuv_start, // 源图像可以在 flash 或者 RAM 中，只要 DMA 可访问即可
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.src_stride = 96, // 源图像的行跨度，单位是像素
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.src_height = 64, // 源图像高度，单位是像素
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.src_x = 0, // 从源图像左上角开始取窗口
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.src_y = 0,
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.dst_buffer = dst_bgr, // 目标 buffer 位于 DMA 可访问的 RAM 中
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.dst_stride = 96, // 目标图像的行跨度，单位是像素
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||||
.dst_height = 64, // 目标图像高度，单位是像素
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.dst_x = 0, // 从目标图像左上角开始写入结果
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.dst_y = 0,
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.copy_width = 96, // 转换整张图的宽度，单位是像素
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.copy_height = 64, // 转换整张图的高度，单位是像素
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.src_color_format = ESP_COLOR_FOURCC_UYVY, // 源像素格式为 UYVY422
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.dst_color_format = ESP_COLOR_FOURCC_BGR24, // 目标像素格式为 BGR24（本驱动里用它表示 RGB888）
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.color_conv_std = COLOR_CONV_STD_RGB_YUV_BT601, // 该 RGB/YUV 转换使用的标准
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};
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// 阻塞等待 DMA2D 完成转换。-1 表示一直等到完成为止。
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ESP_ERROR_CHECK(esp_color_convert_blocking(conv_hdl, &req, -1));
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// 所有转换结束后，释放驱动资源。
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ESP_ERROR_CHECK(esp_async_color_convert_uninstall(conv_hdl));
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这个流程里最重要的概念有：
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- :cpp:func:`esp_async_color_convert_install_dma2d` 创建驱动实例
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- :cpp:type:`async_color_convert_request_t` 描述源图像、目标图像以及要转换的窗口
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- :cpp:func:`esp_color_convert_blocking` 会一直等待，直到硬件完成转换
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- :cpp:func:`esp_async_color_convert_uninstall` 释放驱动资源
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对于阻塞 API，``timeout_ms = -1`` 表示永久等待。其他 timeout 值目前不支持，会返回 ``ESP_ERR_INVALID_ARG``。
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理解 ``async_color_convert_request_t``
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这个驱动最容易出错的地方，通常不是安装驱动，而是请求参数填写不正确，因此理解 :cpp:type:`async_color_convert_request_t` 很重要。
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.. important::
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在 :cpp:type:`async_color_convert_request_t` 中，所有几何相关字段的单位都是 **像素**，不是字节。包括 ``src_stride``、``src_height``、``src_x``、``src_y``、``dst_stride``、``dst_height``、``dst_x``、``dst_y``、``copy_width`` 和 ``copy_height``。
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``src_stride`` 和 ``dst_stride`` 表示的是每一整行在内存中跨越多少像素，也就是行跨度，不是本次转换窗口的宽度。当你只转换大图中的一个窗口时，它们可以大于 ``copy_width``。
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这个结构体同时描述了两件事：
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- 源图像和目标图像在内存中的完整布局
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- 本次实际要转换的矩形窗口
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关键字段含义如下：
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::src_buffer`
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源图像基地址
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::src_stride`
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源图像的行跨度，单位为像素
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::src_height`
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源图像高度，单位为像素
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::src_x` 和 :cpp:member:`async_color_convert_request_t::src_y`
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源窗口左上角坐标
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::dst_buffer`
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目标图像基地址
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::dst_stride`
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目标图像的行跨度，单位为像素
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::dst_height`
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目标图像高度，单位为像素
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::dst_x` 和 :cpp:member:`async_color_convert_request_t::dst_y`
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转换结果写入目标图像时的左上角坐标
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::copy_width` 和 :cpp:member:`async_color_convert_request_t::copy_height`
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本次要转换的矩形窗口尺寸
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::src_color_format` 和 :cpp:member:`async_color_convert_request_t::dst_color_format`
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源和目标像素格式
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- :cpp:member:`async_color_convert_request_t::color_conv_std`
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RGB/YUV 转换标准，用于 RGB 和 YUV 之间的转换
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源窗口和目标窗口都必须完整落在各自图像的边界之内。
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支持的转换格式
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本驱动支持以下格式组合：
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.. list-table::
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:header-rows: 1
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* - 源格式
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- 目标格式
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- 转换标准
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* - 与目标格式相同（跳过转换）
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- 与源格式相同（跳过转换）
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- 不适用
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* - RGB565
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- RGB888
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||||
- 不适用
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* - RGB888
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- RGB565
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||||
- 不适用
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* - RGB888
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- UYVY422
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- BT.601
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* - RGB888
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||||
- UYVY422
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||||
- BT.709
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||||
* - UYVY422
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||||
- RGB888
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||||
- BT.601
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||||
* - UYVY422
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||||
- RGB888
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||||
- BT.709
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.. note::
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在本驱动中，RGB888 使用 ``ESP_COLOR_FOURCC_BGR24``，UYVY422 使用 ``ESP_COLOR_FOURCC_UYVY``。
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所有请求都需要设置 :cpp:member:`async_color_convert_request_t::src_color_format` 和
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:cpp:member:`async_color_convert_request_t::dst_color_format`。
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当在 RGB 和 YUV 之间转换时，还需要设置 :cpp:member:`async_color_convert_request_t::color_conv_std`。
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场景 2：使用异步接口和回调函数
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理解了阻塞流程之后，下一步就是把请求排入队列，并在硬件完成后由中断上下文中的回调通知你。
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.. code:: c
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static bool color_conv_done_cb(async_color_convert_handle_t conv_hdl,
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async_color_convert_event_data_t *edata,
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void *cb_args)
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{
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BaseType_t high_task_wakeup = pdFALSE; // FreeRTOS 在 ISR 中唤醒任务时需要这个变量
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SemaphoreHandle_t sem = (SemaphoreHandle_t)cb_args; // 提交请求时传进来的用户上下文
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// 用 ISR-safe 的方式通知等待中的任务：这次转换已经完成。
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xSemaphoreGiveFromISR(sem, &high_task_wakeup);
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// 如果刚才唤醒了更高优先级任务，就请求在 ISR 退出后立刻切换过去。
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return high_task_wakeup == pdTRUE;
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}
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async_color_convert_request_t req = {
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.src_buffer = src_buf, // 源图像基地址
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.src_stride = src_width, // 源图像的行跨度，单位是像素
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.src_height = src_height,
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.src_x = 0,
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.src_y = 0,
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.dst_buffer = dst_buf, // 目标图像基地址
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.dst_stride = dst_width, // 目标图像的行跨度，单位是像素
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.dst_height = dst_height,
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||||
.dst_x = 0,
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||||
.dst_y = 0,
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.copy_width = copy_width,
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||||
.copy_height = copy_height,
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||||
.src_color_format = ESP_COLOR_FOURCC_RGB16,
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||||
.dst_color_format = ESP_COLOR_FOURCC_BGR24,
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};
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// 提交一个异步请求。函数返回时，硬件可能还在执行转换。
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ESP_ERROR_CHECK(esp_async_color_convert(conv_hdl, &req, color_conv_done_cb, sem));
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// 在任务上下文中等待回调释放信号量。
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xSemaphoreTake(sem, portMAX_DELAY);
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回调运行在 ISR 上下文中，因此应尽量保持简短，并且只调用 ISR-safe API，例如 ``xSemaphoreGiveFromISR`` 或 ``xQueueSendFromISR``。
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运行注意事项
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驱动配置
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驱动配置字段如下：
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- :cpp:member:`async_color_convert_config_t::backlog`
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最大待处理请求数。``0`` 表示使用驱动默认值。
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- :cpp:member:`async_color_convert_config_t::dma_burst_size`
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DMA burst 大小，单位为字节。``0`` 表示使用驱动默认值。
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- :cpp:member:`async_color_convert_config_t::intr_priority`
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DMA2D 中断优先级。``0`` 表示使用默认低/中优先级。
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DMA 突发大小
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``dma_burst_size`` 会影响 DMA 传输效率：
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- 较大的突发大小可能提高吞吐量
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- 较大的突发大小也可能增加总线占用，因此并不一定适合所有工作负载
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- 常见的起始取值有 16、32 和 64 字节
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最佳取值取决于芯片的 DMA 控制器能力，以及系统中其他活跃组件对内存带宽的共享情况。
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线程安全与 ISR 规则
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- 驱动是线程安全的。不同任务提交的请求会通过内部队列串行化。
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- :cpp:func:`esp_async_color_convert` 可以在任务上下文中调用，用于排队请求。
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- 回调类型 :cpp:type:`async_color_convert_isr_cb_t` 运行在 ISR 上下文中。
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- 不要在回调里调用阻塞 API。
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- :cpp:func:`esp_color_convert_blocking` 不能在 ISR 上下文中调用。
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卸载驱动
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当驱动不再需要时：
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.. code:: c
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// 只有在所有排队请求都完成后，才能安全卸载驱动。
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ESP_ERROR_CHECK(esp_async_color_convert_uninstall(conv_hdl));
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如果仍有请求未完成，:cpp:func:`esp_async_color_convert_uninstall` 会返回 :c:macro:`ESP_ERR_INVALID_STATE`。
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应用示例
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- :example:`peripherals/dma/async_color_convert` 展示了一个面向初学者的阻塞转换流程：
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- 从映射到 flash 的嵌入式 ``.yuv`` 图像直接读取输入
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- 使用 DMA2D 将图像从 UYVY422 转换为 BGR24
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- 将转换结果做 base64 编码后输出到控制台
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- 由 pytest 重建为 PNG 工件，并与 golden 参考图进行比对
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API 参考
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异步颜色转换驱动程序函数
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.. include-build-file:: inc/esp_async_color_convert.inc
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@@ -1,6 +1,6 @@
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异步 CRC (Async CRC)
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====================
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异步 CRC 计算
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:link_to_translation:`en:[English]`
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@@ -9,6 +9,7 @@
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:SOC_ADC_SUPPORTED: adc/index
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:SOC_ANA_CMPR_SUPPORTED: ana_cmpr
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:SOC_GDMA_SUPPORT_CRC: async_crc
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:SOC_DMA2D_SUPPORTED: async_color_convert
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:SOC_ASYNC_MEMCPY_SUPPORTED: async_memcpy
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:SOC_BITSCRAMBLER_SUPPORTED: bitscrambler
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:SOC_MIPI_CSI_SUPPORTED: camera_driver
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