基于RT-Thread和STM32的數碼相框的設計方案（二）

4.系統軟件設計

本系統的軟件主要由系統各模塊初始化、μC/GUI建立人機交互界面、文件系統讀取圖片及字庫文件、圖片解碼算法的實現、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建立人機交互界面本系統利用μC/GUI builder建立μC/GUI人機交互界面，在μC/GUI builder中建立窗體、文本框、控件等、將編譯后產生的C文件添加到工程目錄中。μC/GUI builder的應用，縮短了界面開發周期，修改靈活方便，后期修改界面時，只需要在μC/GUI builder修改相關組件，編譯運行即可實現程序的修改。

4.2 μC/GUI顯示漢字

μC/GUI中通過查找字模的方式來實現字體的顯示。字體庫中的每一個字母都有其對應的字模，字模由結構體GUI_FONT和GUI_FONT_PROP統一管理。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。本系統在修改μC/GUI字庫顯示驅動函數的基礎上實現了漢字的顯示，以顯示12*12點陣漢字為例，具體的修改步驟如下：

第一步：在GUI.H中聲明全局結構體對象GUI_Font12_HZ;

第二步：定義存放字模數據的數組;

第三步：定義用于說明每個字母的字模數據在程序段存儲方式的結構體;

第四步：根據漢字內碼高位定義多個結構體，用于存放字庫字模編碼和字模數據存放地址的映像;

第五步：將創建的漢字庫文件HZK12.C添加至μC/GUI工程，在主函數中調用顯示函數。

通過以上步驟實現了中文漢字在μC/GUI界面的顯示，經測試，漢字顯示流暢穩定。

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DCT編碼的JPEG解碼算法處理、轉換圖像格式、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解碼的過程進行初始化，獲取JPEG頭文件中的相關信息，本系統的方法是設計一系列的結構體對應頭文件中的各個信息標記，并存儲標記內表示的信息，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DCT編碼的JPEG解碼算法

基于連續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)共三個步驟。JPEG基本系統的解碼器結構圖如圖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變換系數的量化值。通過查找Huffman解碼表將壓縮圖像數據還原成交流AC系數和直流DC系數組成的量化數據塊。

熵解碼對讀入的圖像數據進行DC直流系數和AC交流系數的Huffman解碼。JPEG算法提供標準的Huffman碼表，針對每幅圖像都有各自不同的特點，系統熵解碼采用自適應的Huffman碼表。采用自適應的Huffman碼表，首先統計輸入圖像數據的特性，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。JPEG頭文件信息一般包含4個Huffman碼：用于解碼直流DC系數的Huffman碼表，其中包括一個亮度表和一個色度表;用于解碼交流AC系數的Huffman碼表，其中包括一個亮度表和一個色度表。根據Huffman碼表在文件中的保存形式，設計Huffman解碼一個碼字的程序，程序流程圖如圖9所示。

解碼時，輸入圖像壓縮后的數據流，從數據流中讀取比特數據組成的碼字，在Huffman樹中搜索碼字的位置，根據碼字的位置確定解碼的值，解碼輸出結果是一個8位值。在Huffman解碼過程中，如果產生了一個0xFF,就用0xFF0x00代替，把0xFF0x00當做0xFF進行處理。

(2)反量化。反量化的輸入信號是熵解碼后的數據，通過查量化表進行計算，將在壓縮過程中經過DCT變換后的頻率系數還原出來，反量化成DCT系數。

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

由于數據是按8×8矩陣的“Z”字形編排，所以要對反量化運算的結果進行反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分量系數反轉成顏色空間域表示的圖像數據。對反量化后得到的DCT變換系數經過反向離散余弦變換IDCT得到圖像的像素。反離散余弦轉換的輸入是頻率域的一個8×8分量系數塊，輸出則得到空間域的一個8×8像素塊。

在程序運行過程中，IDCT運算量較大，有大量浮點乘法和加法運算，程序執行速度較慢，這對圖片能否流暢的顯示有很大影響。基于此本統軟件對IDCT算法了優化，采用一種快速IDCT算法[5],把二維IDCT分解成行和列兩個一維IDCT,再將IDCT算法通過數學變換轉化為離散傅里葉逆變換(IDFT)，利用矩陣變換簡化計算。在開始進行二維IDCT轉換時，先對輸入的反量化后的數據進行8次一維的行變換，并將存儲運行結果，再對運行的結果進行8次一維的列變換，經過兩次變換，得到的就是二維IDCT運算變換的結果。程序流程圖如圖10所示。

4.3.3 色彩模式轉換

由于液晶支持的是RGB格式的圖像數據，需要把執行完解碼過程得到的YCrCb格式的數據轉換成RGB模式，將256級的YCrCb色彩模型轉換成RGB色彩模型的計算公式如式(1)。

因為R、G、B的取值范圍為[0,255],需要對運算結果進行閾值保護，對超過255的數值，限定在255,小于0的數值，限定在0.經過運算最終可以得到RGB模式的圖像數據，完成解碼過程。

4.4 圖片瀏覽模式

本系統的圖片瀏覽模式有觸摸手動瀏覽和定時自動瀏覽兩種模式可供選擇。在觸摸手動瀏覽模式下，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，實現瀏覽圖片的功能。在瀏覽完最后一張時，系統會自動跳轉到第一張。在定時自動瀏覽模式下，界面僅有退出控件，每隔3秒，自動進行下一張圖片的瀏覽，并循環顯示。

5.系統調試

5.1 硬件調試

通過硬件電路設計，檢查元器件之間的電氣連接，下載基本調試程序，檢測系統板運行狀況，在對USB枚舉測試時，通過USB數據線連接至電腦，可以對flash存儲設備進行讀寫操作。

5.2 軟件調試

5.2.1 LIB庫的編譯

本系統的軟件開發環境是MDK,在程序基本模塊的底層驅動編寫完善以后，將STM32的底層外設驅動庫和μC/GUI庫函數編譯封裝成LIB庫，在后期程序開發時，大大提高了程序的編譯效率，縮短了軟件開發周期。

5.2.2 Finsh Shell調試組件本系統采用RT-Thread嵌入式操作系統，通過其自帶的用戶命令行組件Finsh Shell查看系統運行狀況。通過超級終端輸入相應的命令來使用Finsh Shell.Finsh Shell在RT-Thread中被設計成一個獨立的線程，通過串口設備輸入相應的命令，系統對用戶命令進行解析執行，可用來獲取系統運行時信息，對任意寄存器和內存地址進行讀寫操作，還能夠直接在shell中調用系統函數，訪問系統變量。FinshShell組件的使用，在很大程度上提高了調試程序的效率。

5.2.3 圖片解碼調試

由于圖片解碼算法占用內存較大，考慮到圖片解碼算法在STM32中可能會因為內存分配不足而無法正常運行，在驗證圖片解碼函數的正確性時，先在PC機的VC模擬器上運行，用以給圖片解碼算法提供一個理想的運行平臺。在模擬器中，用數組存儲圖片二進制源碼，用解碼算法對圖片的數組數據進行解碼，驗證解碼算法的正確性。在模擬器運行正確后，再將圖片解碼算法移植到本系統上運行，實踐證明，STM32的內存足以支持圖片解碼算法正常執行。實驗在VC模擬器中運行的效果圖如圖11所示。

6.結論

本文介紹了基于RT-Thread和STM32的數碼相框的設計方案，通過設計相關硬件電路和軟件算法，實現了數碼相框對JPEG格式圖片文件的瀏覽功能。本系統設計的基于連續IDCT變換的JPEG解碼算法能夠正確穩定完成JPEG格式圖像的解碼，解碼速度較快，恢復圖像的質量良好。實際測試表明，本方案具有很強的實用性。