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矢量字庫在嵌入式機頂盒中的應用
單片機及嵌入式系統(tǒng)應用 作者：華中師范大學 萬 偉 陳明宏 夏洪星摘要：介紹嵌入式數字衛(wèi)星接收機的字符顯示原理。提出一種提取Windows矢量字庫信息以及將其轉換為點陣字庫格式的方法。給出主要模塊的流程圖和VC程序實現。在DVB-S接收機頂盒系統(tǒng)中的應用驗證了該方法的有效性。
關鍵詞：矢量字庫 機頂盒 字符轉換
引言
在當前嵌入式系統(tǒng)設計中，廣泛涉及到字符和圖標的顯示。過去的方法通常是使用硬件自帶字庫或者轉換中文操作系統(tǒng)（例如UCDOS）的點陣字庫，但隨著嵌入式開發(fā)技術的發(fā)展，人們對用戶界的要求也越來截止高，大小固定、字體有限、使用不便的點陣字庫已經難再滿足要求。于是眾多開發(fā)人員將目光投向了Windows操作系統(tǒng)豐富的字庫和圖標資源，以Widnows 2000系統(tǒng)為例，其OpenType矢量字庫有基于Unicode內碼的四萬多個字符，特殊符號以及近百種字體可以選用。但是Windows系統(tǒng)結構復雜，難以直接提取矢量字庫，并且矢量字庫解析算法涉及到Micorosoft和Adobe公司OpenType字體專利，這些問題為Windows字庫的使用帶來了很大的困難。
在筆者參與的DVB-S數字衛(wèi)星接收機頂盒用戶界面的設計工作中，也遇到了同樣的問題。按照設計要求，需要用到一套完備的，支持包括俄、德、拉丁、阿拉伯等多種語言和特殊符號的小型字庫，但是難以找到合適的現成字庫，在參考了一些商業(yè)字模提取軟件的功能后，提出了一種提取Windows矢量字符以及圖標資源的方法，并用Visual C++6.0程序實現。實際應用表明，用本方法生成的字庫字形美觀，字體多樣，完全可以替代商業(yè)字庫，同時還具有使用方便，便于擴展等優(yōu)點。
1 機頂盒圖文顯示原理
機頂盒中文字和位圖的顯示是通過OSD（圖文屏顯技術）模塊完成的。傳統(tǒng)的屏顯示OSD主要應用在VCR、LD和電視機上，采用專用的芯片修改屏幕上指定部位的信號的角度和亮度，實現模擬視頻的同步改變，從而達到顯示的目的。含有OSD的視頻輸出信號在屏幕上從底向上以6個層次顯示：邊界顏色、靜止視頻圖像、活動視頻圖像、OSD背窗口、OSD位圖區(qū)域和OSD硬件游標。本文介紹的機頂盒系統(tǒng)是基于ST公司的方案，接收機軟件是ST公司為其數字衛(wèi)星接收機硬件評估板配套提供的。其主芯片采用Sti5518微控制器，內部集成OSD處理單元。OSD功能模塊框圖如圖1所示。
圖1
OSD功能模塊位于NTSC/PAL/SECAM編碼之前，包括一張顏色查找表（LUTs）、Alpha混合濾波器和控制邏輯單元，所有子功能先于將信息從重建緩沖區(qū)傳到SDRAM或與其它靜態(tài)圖像混合前執(zhí)行。
當要輸出圖文信息時，將字符圖標的位圖信息送至OSD位圖區(qū)域的相應位置。OSD位圖區(qū)域由其頭部定義，每個OSD頭主要包括OSD顯示短形區(qū)域的起始位置、大小及兩個分別指向頂場和底場圖像數據的指針（這是針對隔行掃描顯示方式；對于逐行掃描，這兩個指針向同一塊內存區(qū)域），還有一個指向下一個OSD位圖數據頭的指針。由于采用了這種基于指針的OSD數據管理結構，理論上OSD位圖數據塊的數目不受限制，實際上它要受到內存大小的限制。頭部不僅定義了位圖區(qū)域的尺寸、位置以及及顏色信息，而且提供了顏色表更新等功能。字符的顏色設置使用OSD處理單元（LUT）的顏色查找表，也稱做調色板。2位的LUT意味著有4種顏色可以選擇，并且位圖中的每個像素僅占有存儲單元的2位。如果是透明文字，還要把第一個像素的調色板顏色值定為透明色掩碼值，這個過程由Alpha混合處理完成。如果輸出像素不在OSD區(qū)域，停止處理視頻接口處理器數據；如果輸出像素在OSD區(qū)域，OSD數據或OSD和視頻接口處理數據的混合數據經Alpha混合濾波處理后以16位YC（Cb,Cr）格式傳輸。對于調色板顏色值是透明的情況，則直接傳送視頻數據而略過OSD位圖數據。
OSD的軟件部分可以分為兩部分：硬件抽象層和圖形函數接口。OSD模塊軟件部分為整個系統(tǒng)軟件部分提供一系列的圖形函數接口，是實現圖文顯示的基礎，也是給用戶提供一個方便直觀的圖形文字交互方式的保障。本文中硬件抽象層為ST公司提供的STAPI函數庫，圖形函數接口在中間件的基礎上自行開發(fā)。
由此可見，在機頂盒系統(tǒng)中字符輸出有三個主要步驟：①系統(tǒng)專用字庫的建立；②字符數據的查找；③調用OSD模塊功能將字符在屏幕上輸出。下面介紹如何通過轉換Windows矢量字符，建立一套功能完善，使用方便的字庫系統(tǒng)。
2 提取矢量字符
Winodws矢量字庫存儲漢字的矢量圖形。因為存儲的是筆樣條，對于字符做旋轉、縮放、甚至三維拉伸都不會產生失真，但在字符顯示的時候需要計算樣條曲線而增加了計算量。由于嵌入式系統(tǒng)只是針對專一控制應用的系統(tǒng)，處理器的性能和資源還不如PC機，一般使用的仍然是點陣字庫。本文介紹的DVB-S機頂盒系統(tǒng)同樣沒有直接使用矢量字庫；而是通過提取Windows中矢量字庫的方法將矢量字符轉換成相應的點陣信息。在本開發(fā)方案中，字庫文件中所有漢字的字模信息和圖標信息被存儲到兩個大的數組中，并作為一個頭文件包含在漢字顯示模塊中。利用計算出的偏移值得到字模數組中的下標，從而得到漢字存放在數組中的字模點陣信息。使用程序存儲器空間做字庫，這在漢字用量不大的情況下是一種較完美的解決方案。本系統(tǒng)中負責屏顯功能的API函烽是STOSD函數庫，里面已把位圖的寬度定義為32像素的整數倍。這是由于系統(tǒng)的內存操作函數只能對16字節(jié)整數倍的塊進行拷貝操作，否則內存只
能一個字節(jié)一個字節(jié)地填充，速度非常慢。例如在16色的調色板情況下，無論是24×24點陣還是32×32點陣，基于字符單元寬度統(tǒng)一為32像素。一個寬為32像素，高為28像素的基本字符點陣信息需要一個大小為28字節(jié)的整型數組為記錄。以開發(fā)方案為例，大小為500字符的24×24點陣小型字庫將需要24 000字節(jié)的ROM空間。
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轉換的關鍵是要獲得矢量字庫的點陣信息。程序中，回避了較困難的直接解板矢量字庫問題，巧妙地從PC顯示緩沖區(qū)中獲得位映像數據，再將其轉換成OSD模塊函數支持的點陣格式。位圖法轉換矢量字符的算法如下。
①把漢字以位圖的形式顯示在指定的32×28的點陣區(qū)域內，然后按行提取像素點，每1行以8個像素點為1個字節(jié)（1行4個字節(jié)），以二進制補碼的形式分別存放在4個字節(jié)里。最低字節(jié)存放每一點陣行的前8位。每一行結束后將其轉化為十六進制點陣碼并保存于一個整型數組中。
②整個字符轉換結束后放在字庫信息文件里，生成一個字符區(qū)域地址映射表，為后面的字符分組查找提供方便。同時生成字符寬度、高度、字體、風格以及代碼頁等相關信息。
西文“特殊”字符（拉丁字符集里的第128～255字符，碼值大于0x80）的轉換是提取矢量字符過程中需要注意的問題。通過VC 6.0開發(fā)環(huán)境可以把執(zhí)行文件編譯成Unicode和ASCII兩片版本。對于Unicode內碼版本的應用程序，Windows 2000對其字符的顯示有著很好的支持，但對于ASCII版本的應用程序則存在一定問題。當在應征程序中輸入字符時，因編輯框只支持單字節(jié)，系統(tǒng)會將雙字節(jié)的Unicode輸入字符重新解釋，造成的后果是程序無法正確接收這些字符，輸出的特殊字符也一律被顯示為“？”。本文的矢量字庫提取程序為了和Win9x操作系統(tǒng)兼容而被設計為ASCII版本。為了解決上述問題，程序沿用了代碼頁的方法。代碼頁是一個內部表，操作系統(tǒng)將字符、數字和標點等符號映射為字符編號，不同的代碼而支持不同國家所使用的字符集。代碼頁通過編號引用，例如，代碼頁932代表日 本字符集，950代表繁體中文字符集。由代碼頁確定字符集，首先把需要轉換的特殊矢量字符編輯后以RTF富文本格式的文本保存，矢量字符提取程序打開RTF文件并插入文本到視圖中，讀取每個特殊字符的值并轉換成十六進制。然后讀取RTF文件內的代碼頁編號和字體，尺寸和風格等標簽。根據代碼頁確定對應的字符集，根據標簽設置顯示字符屬性。最后按一般字符的輸出方法將特殊字符顯示在視圖中。
3 程序實現
3．1 功能設計和界面設計
主程序為MFC生成的SDI單文檔程序。視圖類由CscrollView派生，顯示的字符和位圖可以自由地放大和縮小，當字符超過窗口大小時視圖自動滾動，以滿足提取不同大小庫點陣的需要，用一個RichEditBox控件來接收輸入字符。添加靜態(tài)控件，顯示字符點陣的寬、高等信息。在菜單欄分別添加插入位圖、插入圖標、插入特殊字符、字體設置、字體放大和字體縮小等菜單項。
程序的界面如圖2所示。圖中程序正在提取阿拉伯矢量字符集，使用該程序時直接在該工具的圖形操作界面下輸入需要提取的字符或者插入位圖和圖標。待調整好全部所需的字符圖標后點擊保存，程序自動轉換矢量字符和圖形并生成存入文件。實現的功能有：①能在視圖顯示RichEditBox控件內輸入英文、漢字等矢量字符，并通過圖形設備上下文CDC讀取視圖的點陣信息；②能讀取所有插入RTF文本內的特殊字體點陣信息；③能讀取插入的位圖和圖標點陣信息；④能將點陣信息保存在font.h文件中，并添加字庫索引表和字符寬、高、字體等信息。
3．2 主要類和模塊
CfontView為CscrollView派生類，負責字符和圖標的縮放顯示，CfontModule類封裝了字符串操作函數，CtextSetDlg類負責字符屬性的設定。程序中點陣信息的數據、位圖和圖標的數據和字符串數據分別封裝在類CdotMatrix、CimageElemnt和CwordElement中。在主要的模塊函數里，Create_Text_Dot_Matrix和Create_Bmp_Dot_Matrix函數是本程序的核心函數。功能是在內存中形式位映射數據，完成矢量漢字或矢量圖形向點陣數據的轉換。設向量圖型尺寸寬width像素，高height像素，程序流程如下：
①計算該位圖對應的緩沖區(qū)尺寸。每行長度為：BytePerLine=(width+1)/8，緩沖區(qū)大小為Buffersize=BytePerLine*height。
②申請內存緩沖區(qū)。如果內存不足以容納整 個圖形，則可以分段處理。
BufferPtr=(unsigned char*)malloc(BufferSize)。
③計算坐標點在所申請內存緩沖區(qū)的偏移量和屏蔽位。設原點（0，0）在內存中的偏移量為0，則圖中任意一點P（x,y）相對于原點（0，0）的偏移量為
offset=y*
BytePerLine+x/8,該點對應的字節(jié)內屏蔽位為mask=0x80>>(X%8)。
④讀取點P（x,y）在內存中對應的顏色值Value，讀取所在的字節(jié)。
byte=(unsigned char)*(Bufferptr+offset),取該點對應的位，
Value=byte & mask最后得到點陣信息，輸出到屏幕或磁盤文件。
3．3 主程序流程
主程序流程圖如圖3所示。首先進入響應用戶消息分支，當從編輯框輸入標準漢字或ASCII字符，程序檢查字符同碼判斷字符有效性，若滿足條件則跳至顯示部分；當用戶從外部磁盤插入圖標或位圖圖片，程序直接讀入文件數據；如果插入的是特殊字符則進入RTF格式文本解析部分，得到特殊字符的代碼頁、字體、大小等信息。然后將字符圖標信息在視圖中顯示，此時可通過圖形界面調整字符外觀。通過獲得內存中圖像信息形成位映射數據，計算點陣數據。最后將字庫點陣和索引表、字體、大小等附加信息按頭文件格式保存到字庫文件中。程序源代碼見網站www.qkfawen.com收集整理。
4 結論
實際應用中，本方法可以有關鍵人物 地提取Windows環(huán)境下矢量字庫的字模，滿足嵌入式機頂盒系統(tǒng)的開發(fā)需要。字模提取程序具有多種功能，可以生成各種大小風格的字體、符號和圖形點陣信息，從而使機頂盒能利用Windows中豐富的字體和圖像資源，顯示更為精彩的圖形用戶界面。
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