基于RT-Thread和STM32的數(shù)碼相框設計方案

4.系統(tǒng)軟件設計

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、圖片解碼算法的實現(xiàn)、觸摸瀏覽功能及幻燈片播放功能等功能模塊組成。

4.1μC/GUI建立人機交互界面本系統(tǒng)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(chǎn)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(fā)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(xiàn)程序的修改。

4.2μC/GUI顯示漢字

μC/GUI中通過查找字模的方式來實現(xiàn)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(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字庫顯示驅動函數(shù)的基礎上實現(xiàn)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(shù)據(jù)的數(shù)組；

第三步：定義用于說明每個字母的字模數(shù)據(jù)在程序段存儲方式的結構體；

第四步：根據(jù)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(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)中調用顯示函數(shù)。

通過以上步驟實現(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(tǒng)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(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）共三個步驟。JPEG基本系統(tǒng)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(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)進行DC直流系數(shù)和AC交流系數(shù)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(tǒng)熵解碼采用自適應的Huffman碼表。采用自適應的Huffman碼表，首先統(tǒng)計輸入圖像數(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(shù)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(shù)的Huffman碼表，其中包括一個亮度表和一個色度表。根據(jù)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(shù)據(jù)流，從數(shù)據(jù)流中讀取比特數(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，解碼輸出結果是一個8位值。在Huffman解碼過程中，如果產(chǎn)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(shù)據(jù)，通過查量化表進行計算，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)矩陣與相應的量化矩陣相乘，即得到反量化結果。

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(shù)反轉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。反離散余弦轉換的輸入是頻率域的一個8×8分量系數(shù)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(zhí)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(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分解成行和列兩個一維IDCT，再將IDCT算法通過數(shù)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(shù)據(jù)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(jīng)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。