基于RT-Thread和STM32的數(shù)碼相框的設(shè)計(jì)方案（二）

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要由系統(tǒng)各模塊初始化、μC/GUI建立人機(jī)交互界面、文件系統(tǒng)讀取圖片及字庫文件、圖片解碼算法的實(shí)現(xiàn)、觸摸瀏覽功能及幻燈片播放功能等功能模塊組成。

4.1 μC/GUI建立人機(jī)交互界面本系統(tǒng)利用μC/GUI builder建立μC/GUI人機(jī)交互界面，在μC/GUI builder中建立窗體、文本框、控件等、將編譯后產(chǎn)生的C文件添加到工程目錄中。μC/GUI builder的應(yīng)用，縮短了界面開發(fā)周期，修改靈活方便，后期修改界面時(shí)，只需要在μC/GUI builder修改相關(guān)組件，編譯運(yùn)行即可實(shí)現(xiàn)程序的修改。

4.2 μC/GUI顯示漢字

μC/GUI中通過查找字模的方式來實(shí)現(xiàn)字體的顯示。字體庫中的每一個(gè)字母都有其對應(yīng)的字模，字模由結(jié)構(gòu)體GUI_FONT和GUI_FONT_PROP統(tǒng)一管理。但是μC/GUI中本身只支持英文，沒有提供中文的字庫源碼文件。本系統(tǒng)在修改μC/GUI字庫顯示驅(qū)動(dòng)函數(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了漢字的顯示，以顯示12*12點(diǎn)陣漢字為例，具體的修改步驟如下：

第一步：在GUI.H中聲明全局結(jié)構(gòu)體對象GUI_Font12_HZ;

第二步：定義存放字模數(shù)據(jù)的數(shù)組；

第三步：定義用于說明每個(gè)字母的字模數(shù)據(jù)在程序段存儲方式的結(jié)構(gòu)體；

第四步：根據(jù)漢字內(nèi)碼高位定義多個(gè)結(jié)構(gòu)體，用于存放字庫字模編碼和字模數(shù)據(jù)存放地址的映像；

第五步：將創(chuàng)建的漢字庫文件HZK12.C添加至μC/GUI工程，在主函數(shù)中調(diào)用顯示函數(shù)。

通過以上步驟實(shí)現(xiàn)了中文漢字在μC/GUI界面的顯示，經(jīng)測試，漢字顯示流暢穩(wěn)定。

4.3 圖片解碼算法

JPEG圖片解碼顯示包括解析JPEG頭文件信息、基于連續(xù)DCT編碼的JPEG解碼算法處理、轉(zhuǎn)換圖像格式、液晶顯示等部分，總體流程圖如圖7所示。

4.3.1 解析JPEG頭文件信息

對JPEG解碼的過程進(jìn)行初始化，獲取JPEG頭文件中的相關(guān)信息，本系統(tǒng)的方法是設(shè)計(jì)一系列的結(jié)構(gòu)體對應(yīng)頭文件中的各個(gè)信息標(biāo)記，并存儲標(biāo)記內(nèi)表示的信息，如色彩信息、采樣比、圖片尺寸、量化表、Huffman解碼表等重要信息。

4.3.2 基于連續(xù)DCT編碼的JPEG解碼算法

基于連續(xù)DCT編碼的JPEG解碼算法包括熵解碼、反量化和反向離散余弦變換（IDCT）共三個(gè)步驟。JPEG基本系統(tǒng)的解碼器結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

（1）熵解碼。熵解碼的輸入信號是被壓縮編碼的比特流，輸出是被解碼得到的DCT變換系數(shù)的量化值。通過查找Huffman解碼表將壓縮圖像數(shù)據(jù)還原成交流AC系數(shù)和直流DC系數(shù)組成的量化數(shù)據(jù)塊。

熵解碼對讀入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行DC直流系數(shù)和AC交流系數(shù)的Huffman解碼。JPEG算法提供標(biāo)準(zhǔn)的Huffman碼表，針對每幅圖像都有各自不同的特點(diǎn)，系統(tǒng)熵解碼采用自適應(yīng)的Huffman碼表。采用自適應(yīng)的Huffman碼表，首先統(tǒng)計(jì)輸入圖像數(shù)據(jù)的特性，生成碼樹，再反推得到各級Huffman碼表。

在JPEG頭文件信息的標(biāo)記中，定義了一張表用來記錄Huffman樹其代碼長度限制在16bit以內(nèi)。JPEG頭文件信息一般包含4個(gè)Huffman碼：用于解碼直流DC系數(shù)的Huffman碼表，其中包括一個(gè)亮度表和一個(gè)色度表；用于解碼交流AC系數(shù)的Huffman碼表，其中包括一個(gè)亮度表和一個(gè)色度表。根據(jù)Huffman碼表在文件中的保存形式，設(shè)計(jì)Huffman解碼一個(gè)碼字的程序，程序流程圖如圖9所示。

解碼時(shí)，輸入圖像壓縮后的數(shù)據(jù)流，從數(shù)據(jù)流中讀取比特?cái)?shù)據(jù)組成的碼字，在Huffman樹中搜索碼字的位置，根據(jù)碼字的位置確定解碼的值，解碼輸出結(jié)果是一個(gè)8位值。在Huffman解碼過程中，如果產(chǎn)生了一個(gè)0xFF,就用0xFF0x00代替，把0xFF0x00當(dāng)做0xFF進(jìn)行處理。

（2）反量化。反量化的輸入信號是熵解碼后的數(shù)據(jù)，通過查量化表進(jìn)行計(jì)算，將在壓縮過程中經(jīng)過DCT變換后的頻率系數(shù)還原出來，反量化成DCT系數(shù)。

JPEG文件中包括亮度量化表和色度量化表兩張量化表，將Huffman解碼得到的系數(shù)矩陣與相應(yīng)的量化矩陣相乘，即得到反量化結(jié)果。

由于數(shù)據(jù)是按8×8矩陣的“Z”字形編排，所以要對反量化運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行反Zig-Zag變換。

（3）反向離散余弦變換（IDCT）。反向離散余弦變換把頻率域DCT分量系數(shù)反轉(zhuǎn)成顏色空間域表示的圖像數(shù)據(jù)。對反量化后得到的DCT變換系數(shù)經(jīng)過反向離散余弦變換IDCT得到圖像的像素。反離散余弦轉(zhuǎn)換的輸入是頻率域的一個(gè)8×8分量系數(shù)塊，輸出則得到空間域的一個(gè)8×8像素塊。

在程序運(yùn)行過程中，IDCT運(yùn)算量較大，有大量浮點(diǎn)乘法和加法運(yùn)算，程序執(zhí)行速度較慢，這對圖片能否流暢的顯示有很大影響?；诖吮窘y(tǒng)軟件對IDCT算法了優(yōu)化，采用一種快速IDCT算法[5],把二維IDCT分解成行和列兩個(gè)一維IDCT,再將IDCT算法通過數(shù)學(xué)變換轉(zhuǎn)化為離散傅里葉逆變換（IDFT），利用矩陣變換簡化計(jì)算。在開始進(jìn)行二維IDCT轉(zhuǎn)換時(shí)，先對輸入的反量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行8次一維的行變換，并將存儲運(yùn)行結(jié)果，再對運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行8次一維的列變換，經(jīng)過兩次變換，得到的就是二維IDCT運(yùn)算變換的結(jié)果。程序流程圖如圖10所示。

4.3.3 色彩模式轉(zhuǎn)換

由于液晶支持的是RGB格式的圖像數(shù)據(jù)，需要把執(zhí)行完解碼過程得到的YCrCb格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB模式，將256級的YCrCb色彩模型轉(zhuǎn)換成RGB色彩模型的計(jì)算公式如式（1）。

因?yàn)镽、G、B的取值范圍為[0,255],需要對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行閾值保護(hù)，對超過255的數(shù)值，限定在255,小于0的數(shù)值，限定在0.經(jīng)過運(yùn)算最終可以得到RGB模式的圖像數(shù)據(jù)，完成解碼過程。

4.4 圖片瀏覽模式

本系統(tǒng)的圖片瀏覽模式有觸摸手動(dòng)瀏覽和定時(shí)自動(dòng)瀏覽兩種模式可供選擇。在觸摸手動(dòng)瀏覽模式下，有“下一張”,“上一張”,“退出”控件。通過操作觸摸屏上下翻頁的控件，實(shí)現(xiàn)瀏覽圖片的功能。在瀏覽完最后一張時(shí)，系統(tǒng)會自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到第一張。在定時(shí)自動(dòng)瀏覽模式下，界面僅有退出控件，每隔3秒，自動(dòng)進(jìn)行下一張圖片的瀏覽，并循環(huán)顯示。

5.系統(tǒng)調(diào)試

5.1 硬件調(diào)試

通過硬件電路設(shè)計(jì)，檢查元器件之間的電氣連接，下載基本調(diào)試程序，檢測系統(tǒng)板運(yùn)行狀況，在對USB枚舉測試時(shí)，通過USB數(shù)據(jù)線連接至電腦，可以對flash存儲設(shè)備進(jìn)行讀寫操作。

5.2 軟件調(diào)試

5.2.1 LIB庫的編譯

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境是MDK,在程序基本模塊的底層驅(qū)動(dòng)編寫完善以后，將STM32的底層外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫和μC/GUI庫函數(shù)編譯封裝成LIB庫，在后期程序開發(fā)時(shí)，大大提高了程序的編譯效率，縮短了軟件開發(fā)周期。

5.2.2 Finsh Shell調(diào)試組件本系統(tǒng)采用RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng)，通過其自帶的用戶命令行組件Finsh Shell查看系統(tǒng)運(yùn)行狀況。通過超級終端輸入相應(yīng)的命令來使用Finsh Shell.Finsh Shell在RT-Thread中被設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的線程，通過串口設(shè)備輸入相應(yīng)的命令，系統(tǒng)對用戶命令進(jìn)行解析執(zhí)行，可用來獲取系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)信息，對任意寄存器和內(nèi)存地址進(jìn)行讀寫操作，還能夠直接在shell中調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)，訪問系統(tǒng)變量。FinshShell組件的使用，在很大程度上提高了調(diào)試程序的效率。

5.2.3 圖片解碼調(diào)試

由于圖片解碼算法占用內(nèi)存較大，考慮到圖片解碼算法在STM32中可能會因?yàn)閮?nèi)存分配不足而無法正常運(yùn)行，在驗(yàn)證圖片解碼函數(shù)的正確性時(shí)，先在PC機(jī)的VC模擬器上運(yùn)行，用以給圖片解碼算法提供一個(gè)理想的運(yùn)行平臺。在模擬器中，用數(shù)組存儲圖片二進(jìn)制源碼，用解碼算法對圖片的數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，驗(yàn)證解碼算法的正確性。在模擬器運(yùn)行正確后，再將圖片解碼算法移植到本系統(tǒng)上運(yùn)行，實(shí)踐證明，STM32的內(nèi)存足以支持圖片解碼算法正常執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)在VC模擬器中運(yùn)行的效果圖如圖11所示。

6.結(jié)論

本文介紹了基于RT-Thread和STM32的數(shù)碼相框的設(shè)計(jì)方案，通過設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路和軟件算法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼相框?qū)PEG格式圖片文件的瀏覽功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于連續(xù)IDCT變換的JPEG解碼算法能夠正確穩(wěn)定完成JPEG格式圖像的解碼，解碼速度較快，恢復(fù)圖像的質(zhì)量良好。實(shí)際測試表明，本方案具有很強(qiáng)的實(shí)用性。（作者：吳宇翔，李鑫，劉清）