点阵墨水屏的使用以及图像预处理

我们电子日历的产品，选用的屏幕尺寸为5.83寸，分辨率为648*480。屏幕本身支持黑白红三色，我们使用黑白两色，单色位图表示的话，每个位都能表示一个像素点。所以对于这个屏幕而言，要显示一整幅图，需要的字节数为 38880。然后，由于屏幕需要的只是像素点，所以不能直接将一个位图数据写进去，需要预先转换一下。然后屏幕本身对于像素点的处理方式的不同，也会导致图片的预处理过程不一样。

对于这个墨水屏的屏幕而言，非专业人员读他们这个datasheet难度较大，各种术语和参数意义不是很容易看懂。我开发主要是先按照官方给的示例程序和图像跑一遍，然后基本跑通了大致的操作也就清楚了，然后开始看datasheet这么个流程。

我们前后接触了三个厂商，一个是大连奇云电子，这个是纯从淘宝上找的一个，他们这个有四灰度的屏幕，我是用他们这个demo刷了一副太祖的画像进去想要膜拜一下，由于像素密度不太够，看起来效果不是很好，这个后边没有继续接触了。后边使用了龙宁科技和威锋科技的屏幕，我们之前很多产品也使用了他们俩的段码墨水屏，算是比较熟悉的了。电子日历这个产品，这两家的屏幕都调好了，现在可以通用。

不论是哪个厂商，其上游技术都是元太科技垄断，厂家再进行二次开发。因此不论是硬件上还是软件上，基本都差不太多。屏幕本身带有一个简单的驱动IC，我们应用开发的话，主要是和这个IC打交道。IC提供了二十多个各种接口供选择，除了电源和GND之外，我们还使用了SPI（由于不需要读取屏幕的数据，少了一根MISO），RST复位、BUSY状态、BS选择SPI类型（这个一般只会采用一个，要么三线要么四线，如果硬件设计上直接拉低应该就不用这个了），CD命令/数据输入。

比较曲折的是，一开始技术方案没有考虑好，选择了最难的那种，想要实现根据文本样式和内容生成图像数据这样的复杂方案，研究FreeType怎么渲染文本，折腾了三个多星期，倒是把这玩意儿差不多给搞出来了。不过对于一个裸奔的MCU程序而言，自己渲染的实现过于复杂了。最后采用的简化方案是：直接下载一整副图像或者将小图标的数据进行组合显示出来。

最开始厂家提供了一个软件，用于帮助从图像生成数据文件。就是下面这货：

按照厂家的说明可以使用这个软件快速提取一副图像的数据，刷入到demo中即可以运行。

需要注意的是，用于生成数据的图像必须是单色位图，且分辨率必须和屏幕的分辨率严格对应，480*648或者648*480也可以。

然后开始研究我们自己的应用场景。因为如果每出一张图都要手工使用这个软件生成数据再转换成bin文件放到服务器上，太麻烦了！所以得有一个可以自动根据图片生成h文件或者二进制文件的程序，因为都是我在研究屏幕相关的技术，所以由我自己来写预处理的程序。

IC的分辨率为648*480，带FPC的那一边为下方。根据datasheet，扫描数据的时候，每个字节8位共可以表示8个像素，从左到右（或反过来，UD参数）逐个扫描直至填满本行所有的像素，扫完一行之后，根据SHL参数可以向上或者向下扫描第二行。

我们这个日历，是竖着的，和屏厂默认的横着有90度的差。所以这里如果不想要美工MM每次都给出横着的日历，我就得在程序中处理这种转换。

对于符合屏厂默认方向的数据而言，不论是从左到右从上到下还是反过来，写入一整个屏幕的数据为每行81个字节*480行，所以如果应用的UI是648*480的分辨率的，提取图像的时候，可以直接按照逐行扫描每8个像素合并一个字节即可。但是如果是像我们这种竖着的，则不太一样。要符合屏幕的扫描逻辑，则应该改为每一列共8行合并一个字节，然后是从左向右从上向下还是反过来根据参数决定。这里我前期研究的时候，选定的方向是更适合理解的从左到右从上到下，不过实际上这不符合Bitmap的扫描方向，Bitmap是从左到右从下往上扫描的，导致处理图像的时候我需要额外翻转一下数据。

然后Bitmap格式的图像本身也不全是像素。其文件格式为文件头+信息头+调色板三部分组成。其中文件头固定为14个字节，信息头为40个字节，然后颜色表的长度根据图片的颜色模式决定：24位或36位真彩色模式无颜色表，黑白单色图的颜色表大小是8字节，16色图像的颜色表大小是64字节，256色图像的颜色表大小是1024字节。每4字节表示一种颜色，并以B（蓝色）、G（绿色）、R（红色）、alpha（像素的透明度值，一般不需要）。即首先4字节表示颜色号0的颜色，接下来表示颜色号1的颜色，依此类推。

以下定义为使用Visualstudio研究FreeType渲染Bitmap的时候梳理的Bitmap文件格式：

//位图文件头定义：
typedef struct  tagBITMAPFILEHEADER {WORD bfType;//位图类别，根据不同的操作系统而不同，在Windows中，此字段的值总为‘BM’DWORD bfSize; // 位图文件的大小，以字节为单位（3-6字节）WORD bfReserved1; // 位图文件保留字，必须为0(7-8字节）WORD bfReserved2; // 位图文件保留字，必须为0(9-10字节）DWORD bfOffBits; // 位图数据的起始位置，以相对于位图（11-14字节）// 文件头的偏移量表示，以字节为单位
}BITMAPFILEHEADER;  //14字节

//BMP位图信息头数据用于说明位图的尺寸等信息：
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER {DWORD biSize; // 本结构所占用字节数（15-18字节）LONG biWidth; // 位图的宽度，以像素为单位（19-22字节）LONG biHeight; // 位图的高度，以像素为单位（23-26字节）WORD biPlanes; // 目标设备的级别，必须为1(27-28字节）WORD biBitCount;// BMP图像的色深，即一个像素用多少位表示，常见有1、4、8、16、24和32，分别对应单色、16色、256色、16位高彩色、24位真彩色和32位增强型真彩色// 4(16色），8(256色）或24（真彩色）之一DWORD biCompression; // 压缩方式，0表示不压缩，1表示RLE8压缩，2表示RLE4压缩，3表示每个像素值由指定的掩码决定// 1(BI_RLE8压缩类型）或2(BI_RLE4压缩类型）之一DWORD biSizeImage; // BMP图像数据大小，必须是4的倍数，图像数据大小不是4的倍数时用0填充补足LONG biXPelsPerMeter; // 位图水平分辨率，每米像素数（39-42字节）LONG biYPelsPerMeter; // 位图垂直分辨率，每米像素数（43-46字节)DWORD biClrUsed;//   BMP图像使用的颜色，0表示使用全部颜色，对于256色位图来说，此值为100h = 256DWORD biClrImportant;// 重要的颜色数，此值为0时所有颜色都重要，对于使用调色板的BMP图像来说，当显卡不能够显示所有颜色时，此值将辅助驱动程序显示颜色
}BITMAPINFOHEADER; //位图信息头定义，40字节

#if (BMP_BIT_COUNT<24)
typedef struct tagRGBQUAD {BYTE colors[(2 << (BMP_BIT_COUNT - 1)) * 4];//BYTE rgbBlue;// 蓝色的亮度（值范围为0-255)//BYTE rgbGreen; // 绿色的亮度（值范围为0-255)//BYTE rgbRed; // 红色的亮度（值范围为0-255)//BYTE rgbReserved;// 保留，必须为0} RGBQUAD;
#endif

//BMP整体信息：
typedef struct tagBMP_BUFFER
{BITMAPFILEHEADER    hand;BITMAPINFOHEADER    info;#if (BMP_BIT_COUNT<24)RGBQUAD rgbQuad;#endifBYTE* BUFFER;
}BMP_BUFFER;

然后根据以上信息来处理一个480*648分辨率的单色图，里边需要注意的一个问题是，对于非4字节对齐的尺寸，Bitmap会对行进行填充。比如15*18分辨率的图像，在数据上看，是有4字节*18行的，每行多余的字节为填充位。屏幕设计上没有这种对齐填充的说法，处理的时候，需要将填充的数据去掉。

对于单色图的颜色表，只有黑和白两种情况。颜色表也有两种：1表是白色0表示黑色，或者反过来0表示白色1表示白色。这两种情况都存在，我用的Windows10 和设计师的Mac就刚好反过来了。由于屏幕没有颜色表，0和1代表黑还是白依靠一个参数来确定，所以这里需要将不同的颜色表统一生成同样的像素数据。

对于屏幕的C语言处理程序，我定义了一个文件头，规定每一幅要显示的图像的数据必须包含这么一个文件头，类似于Bitmap的文件头。这里有个Keil的强制编译对齐的操作，是由于早期设计的文件头长度不足以自动对齐。图像的日期yDays包含年份（从2000年开始）和当年的第几天，由于不能单独使用1个字节表示，这里合并使用两个字节。早期的格式中，没有定义crc,所以后边的python代码中也没有生成crc的相关内容。

#pragma pack(1)
typedef struct{uint32_t magic_number;//for quickly check data valid.uint16_t data_length;uint8_t res_ver;      //version,the last ver is 2 with crc section.uint8_t compress_flag;uint16_t yDays;uint16_t width;uint16_t height;uint16_t crc;
}res_header;
#pragma pack()#define GET_RES_YEAR(yDays)    ((((uint16_t)yDays)>>10)&0x3F)
#define GET_RES_DAYS(yDays)    (((uint16_t)yDays)&0x3FF)
#define RES_YEAR_FROM          2000

然后因为我们还有一些小图标，这些小图标尺寸不固定，所以需要根据大小记录存放到NandFlash中的位置，会生成一个小图标专用的索引。对于占用一整副图的日历而言，地址都是固定的，不需要索引。对于一整副的日历，由于不能自动识别bitmap中这张日历代表哪一天，最好的处理方式是图片的文件名字中包含有那一天的信息，程序读取后自动写入到头文件中，我这里早期由于日历图片不多没有这么处理。

索引的结构为：

//4 bytes pack to one word.
typedef struct{uint16_t nand_page_num;//page num.uint16_t pack;//invalid.
}icon;

索引，mcu程序根据这个索引在flash中定位小图标的地址：

//save index file in MCU
const icon res_init_icons[116]={{0x0,0},/** res: beautiful ,data size:38896, pages:19 **/
{0x13,0},/** res: a_mmc_footer_56x16 ,data size:128, pages:1 **/
{0x14,0},/** res: icon_batt ,data size:112, pages:1 **/
{0x15,0},/** res: icon_drunk ,data size:88, pages:1 **/
{0x16,0},/** res: icon_medical ,data size:88, pages:1 **/
{0x17,0},/** res: icon_time_separate ,data size:40, pages:1 **/
{0x18,0},/** res: icon_tomato ,data size:88, pages:1 **/
{0x19,0},/** res: icon_unit_C ,data size:112, pages:1 **/
{0x1a,0},/** res: icon_wifi_1_32x24 ,data size:112, pages:1 **/
{0x1b,0},/** res: icon_wifi_2_32x24 ,data size:112, pages:1 **/
{0x1c,0},/** res: icon_wifi_3_32x24 ,data size:112, pages:1 **/
//...
}

下边是图像预处理程序，如果是用于生成小图标索引，START_BLOCK的值应该修改为NandFlash存储小图标的起始block。然后这里我使用的NandFlash一共1024个block，每个block为64个page，每个page为2kB。

由于对python不是特别的熟悉，图片预处理代码里边对于全局变量的处理不是很规范，后边我把预处理的代码给服务器的同事参考使用的时候，遭到了他们的一致鄙视。回头我找着机会了也会鄙视回去的。

这里边主要的关键步骤是读取bitmap文件信息，然后删除填充的字节，翻转数据顺序，将横向8字节一扫描改为每一列8行一扫描。

#!/usr/bin/pythonimport sys
import os
from shutil import copyfile
import glob
import json
from datetime import datetimeBMP_CONFIG = "release_config.json"  #配置图像的保存位置，生成的数据文件的保存位置等FILE_SIZE_POS = 2  #文件大小
FILE_SIZE_BYTES = 4 # 4bytes
DATA_OFFSET_POS = 0x0a  # 像素数据的开始地址
DATA_OFFSET_BYTES = 4PX_WIDTH_POS = 0x12  #度的偏移量
PX_HEIGHT_POS = 0x16 #高度的偏移量
BMP_SIZE_BYTES = 4   #宽和高各自4个字节PX_RGBQUAD_FIRST = 0x36  #颜色表第一个颜色索引的位置
PX_GRBQUAD_SECOND = 0x3a #颜色表第二个颜色索引的位置
PX_RGB_BYTES = 3  # 4 bytes for r.g.b.alpha.PX_RGBQUAND_THRESHOLD = 0x808080 #用于区分颜色表中1和0哪个在前边#生成的h文件的格式和注释，前期研究的时候我生成的是h文件直接烧录，后边放服务器上供下载使用的时候要改为生成bin文件
H_FILE_PREFIX_COMMENT1 = "/**--------- File:%s.bmp ------------**/\r\n"
H_FILE_PREFIX_COMMENT2 = "/**--------width X height: %s X %s **/\r\n"
H_FILE_PREFIX_1 = "const unsigned char "
H_FILE_PREFIX_2 = "[]={\r\n"
H_FILE_UINT8_PRE = "(unsigned char) "
H_FILE_SUFFIX = "};\r\n"
H_FILE_FORMAT = ".h"H_FILE_VALID_FLAG = 1
H_FILE_COMPRESS_FLAG = 0H_FILE_RECORD_VALID_FLAG = 0xabcd
HEADER_BYTES = 14START_DATE = datetime(1970, 1, 1)# index file
BLOCK_SIZE = 64
PAGE_SIZE = 2048
START_BLOCK = 5  # block index
START_PAGE = 0  # page index in a block
INDEX_FILE = "___res_data_index.h"
NAME_ADDR_REPLACE = "const icon name_replace[]={\r\n"
INDEX_COMMON_RES_FILE = "/****for img res: %s *****/"
INDEX_ADDR_GROUP = "{%s,0},/** res: %s ,data size:%s, pages:%s **/\r\n"
block_acc = START_BLOCK
page_acc = START_PAGE      # current page in a block
##################destPath = None          #数据保存的位置
resPath = None           #图像保存的位置
rbgQuandReverse = False  #是否翻转颜色
px_bytes = None
patch_bytes = None       #用于对齐的填充字节数#移除填充的字节
def remove_filling_invalid_data(datas, px_width, px_height):if(px_bytes == patch_bytes):return datasbuffer = []for i in range(0, px_height):# item = list((datas[i*px_width//8])[0:px_bytes])item = datas[i*patch_bytes:i*patch_bytes+px_bytes]buffer.extend(item)return buffer#翻转数据的顺序，Bitmap从下往上扫描，改为从上往下扫描
def data_sort_to_epd(datas, px_width, px_height):for i in range(px_height-1):datas.extend(datas[((px_height-2-i)*px_width // 8)                           :((px_height-1-i)*px_width//8)])del datas[0:((px_height-1)*px_width//8)]return#判断var从左往右的第bit位的值是0还是1
# var and (1 left shift bit) ,return 0 or 1.
def bit_x_to_bit01(var, bit):return 0 if(var & (1 << (7-bit)) == 0) else 1#将0或1的颜色值填充到var从左到右的第bit位
# var( 1 or 0) left shift bit.
# 1-var:reverse 0/1.
def bit01_to_bit_x(var, bit):global rbgQuandReversereturn ((1-var) << (7-bit)) if(rbgQuandReverse) else (var << (7-bit))#每张图像都会生成一个h文件，并且向索引文件添加一行索引
def create_h_file(destPath, fileName, datas, px_width, px_height, file_index):print("h file path:"+destPath)print("h file name:"+fileName)global block_accglobal page_accdays = datetime.now().__sub__(START_DATE).days# data lengthdata_len = HEADER_BYTES+px_width*px_height//8# page numspage_nums = data_len//PAGE_SIZE+(0 if(data_len % PAGE_SIZE == 0) else 1)if(BLOCK_SIZE-page_acc % (BLOCK_SIZE+1) < page_nums):block_acc += 1page_acc = 0file_index.write(bytes(INDEX_ADDR_GROUP % (hex(block_acc*BLOCK_SIZE+page_acc), fileName, str(data_len), str(page_nums)), encoding='utf-8'))page_acc += page_numswith open(os.path.join(destPath, (fileName+H_FILE_FORMAT)), 'wb') as file_res:# header prefixfile_res.write(bytes(H_FILE_PREFIX_COMMENT1 %fileName, encoding='utf-8'))file_res.write(bytes(H_FILE_PREFIX_COMMENT2 %(px_width, px_height), encoding='utf-8'))file_res.write(bytes(H_FILE_PREFIX_1, encoding='utf-8'))file_res.write(bytes(fileName, encoding='utf-8'))file_res.write(bytes(H_FILE_PREFIX_2, encoding='utf-8'))#后期的应用中，这个字节改为了数据格式的版本，早期的数据文件的文件头中没有crc# record_valid_flagfile_res.write(bytes(hex(H_FILE_RECORD_VALID_FLAG & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(bytes(hex(H_FILE_RECORD_VALID_FLAG >> 8 & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(bytes(hex(H_FILE_RECORD_VALID_FLAG >> 16 & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(bytes(hex(H_FILE_RECORD_VALID_FLAG >> 24 & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(b"/*magic number.*/")file_res.write(b"\r\n")# H_FILE_RECORD_VALID_FLAG# data_lenfile_res.write(bytes(hex(data_len & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(bytes(hex(data_len >> 8 & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(b"/*data length.*/")file_res.write(b"\r\n")# valid.file_res.write(bytes(hex(H_FILE_VALID_FLAG), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(b"/*res valid flag.*/")file_res.write(b"\r\n")# compressfile_res.write(bytes(hex(H_FILE_COMPRESS_FLAG), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(b"/*res compress flag.*/")file_res.write(b"\r\n")# days from 1970file_res.write(bytes(hex(days & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(bytes(hex(days >> 8 & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(b"/*res days from 1970.*/")file_res.write(b"\r\n")# width.file_res.write(bytes(hex(px_width & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(bytes(hex(px_width >> 8 & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(b"/*res width.*/")file_res.write(b"\r\n")# heightfile_res.write(bytes(hex(px_height & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(bytes(hex(px_height >> 8 & 0xFF), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")file_res.write(b"/*res height.*/")file_res.write(b"\r\n")file_res.write(b"/*******now is res px data.**********/\r\n")col = 0row = 0lines = 0temp = 0writed_cnt = 0cvt_index = 0print("h_px_height:"+str(px_height))for i in range(px_height//8):for j in range(px_width):temp = 0for k in range(8):temp |= bit01_to_bit_x(bit_x_to_bit01(datas[(i*8+k)*(px_width//8)+j//8], j % 8), k)file_res.write(bytes(hex(temp), encoding='utf-8'))file_res.write(b",")writed_cnt += 1if writed_cnt % 16 == 0:file_res.write(b"\r\n")file_res.write(bytes(H_FILE_SUFFIX, encoding='utf-8'))returndef auto_release_check():global destPathglobal resPathif(os.path.exists(BMP_CONFIG)):with open(BMP_CONFIG, 'r') as file_read:json_str = json.load(file_read)destPath = json_str["destPath"]resPath = json_str["resPath"]print("destPath:"+destPath)print("resPath:"+resPath)if(os.path.exists(destPath) and os.path.exists(resPath)):return Truereturn Falsedef run_convert(resPath, destPath):global rbgQuandReverseglobal px_bytesglobal patch_bytesfs = os.listdir(resPath)with open(os.path.join(destPath, (INDEX_FILE)), 'wb') as file_index:for f in fs:# header include.file_index.write(bytes("#include \"%s.h\"\r\n" %(f[:-4]), encoding='utf-8'))file_index.write(bytes(NAME_ADDR_REPLACE, encoding='utf-8'))for f in fs:with open(os.path.join(resPath, f), 'rb') as file_read:file_read.seek(FILE_SIZE_POS, 0)file_size = int.from_bytes(file_read.read(FILE_SIZE_BYTES), byteorder='little', signed=False)file_read.seek(DATA_OFFSET_POS, 0)data_offset = int.from_bytes(file_read.read(DATA_OFFSET_BYTES), byteorder='little', signed=False)file_read.seek(PX_WIDTH_POS, 0)px_width = int.from_bytes(file_read.read(BMP_SIZE_BYTES), byteorder='little', signed=False)file_read.seek(PX_HEIGHT_POS, 0)px_height = int.from_bytes(file_read.read(BMP_SIZE_BYTES), byteorder='little', signed=False)file_read.seek(PX_RGBQUAD_FIRST, 0)rgbQuadFirst = int.from_bytes(file_read.read(PX_RGB_BYTES), byteorder='little', signed=False)file_read.seek(PX_GRBQUAD_SECOND, 0)rgbQuadSecond = int.from_bytes(file_read.read(PX_RGB_BYTES), byteorder='little', signed=False)px_bytes = px_width//8patch_bytes = ((px_bytes+3)//4)*4file_read.seek(data_offset)resDatas = file_read.read(patch_bytes*px_height)print("rgbQuadFirst:"+str(rgbQuadFirst))print("rgbQuadSecond:"+str(rgbQuadSecond))if(rgbQuadFirst < PX_RGBQUAND_THRESHOLD and rgbQuadSecond > PX_RGBQUAND_THRESHOLD):rbgQuandReverse = Trueelse:rbgQuandReverse = FalsemidDatas = list(resDatas)midDatas = remove_filling_invalid_data(midDatas, px_width, px_height)data_sort_to_epd(midDatas, px_width, px_height)create_h_file(destPath, f[:-4], midDatas,px_width, px_height, file_index)file_index.write(bytes(H_FILE_SUFFIX, encoding='utf-8'))return# start application
if __name__ == "__main__":os.system('cls')  # clear screenif(auto_release_check()):run_convert(resPath, destPath)else:print("path error!")

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