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[嵌入式]点阵汉字的字模读取与显示

一、实验要求

串口传输文件的练习。将两台笔记本电脑，借助 usb转rs232 模块和杜邦线，建立起串口连接。然后用串口助手等工具软件（带文件传输功能）将一台笔记本上的一个大文件（图片、视频和压缩包软件）传输到另外一台电脑，预算文件大小、波特率和传输时间三者之间的关系，并对比实际传输时间。
学习理解汉字的机内码、区位码编码规则和字形数据存储格式。在Ubuntu下用C/C++(或python) 调用opencv库编程显示一张图片，并打开一个名为"logo.txt"的文本文件（其中只有一行文本文件，包括你自己的名字和学号），按照名字和学号去读取汉字24*24点阵字形字库（压缩包中的文件HZKf2424.hz）中对应字符的字形数据，将名字和学号叠加显示在此图片右下位置。

二、实验过程及结果

（一）串口传输文件

1. 串口连接

将两个USB TO TTL串口的RXD、TXD的引脚交叉连接，并将两个USB接口各自接上一台笔记本电脑，实现两台计算机之间的串口传输。

在这里插入图片描述

串行接口简称为串口，串行接口（Serial Interface）是指数据一位一位地顺序传送。实现双向通信就需要一对传输线，即TX与RX线。
电路连接方式：串口如果要实现双向传输，则设备1与设备2，TX与RX要交叉相连。

起始位：数据线TX由高电平变为低电平。
停止位：数据线TX由低电平变为高电平。
起始位和停止位作用：如果接收设备检测到数据线由高电平变为低电平，就是接收到了来自发送设备的起始信号，表示开始数据的传输。如果接收设备检测到数据线由低电平变为高电平，就是接收到了来自发送设备的停止信号，表示一帧数据的结束。
常用串口传输格式：1bit 起始位+8bit 数据位+1bit 停止位（无奇偶校验位）

2. 传输文件

1）设置波特率为 115200

发送：

在这里插入图片描述
接收：

在这里插入图片描述
修改保存文件的扩展名.DAT为.jpg：

在这里插入图片描述

打开文件扩展名的方法：
打开我的电脑，选择左上角菜单栏的查看，再勾选右上角的文件扩展名。

结果展示：

在这里插入图片描述

2）设置波特率为 2000000

发送：

在这里插入图片描述
接收：

在这里插入图片描述

3）设置波特率为 9600

发送：

在这里插入图片描述

接收：

在这里插入图片描述

3. 结果分析

传输时间=文件大小/波特率

① 在一定范围内，当波特率增大时，对于大小相同的文件，传输时间会减少。
② 无论波特率取何值，实际的传输时间与理论的传输时间都相差较大。

波特率和数据的传输速率有关系，但是波特率并不是数据传输速率，数据传输速率是比特率。比特率在数值上和波特率有这样的关系：
I=S*log2N
比特率=波特率*单个调制状态对应的二进制位数。
其中I为传信率，S为波特率，N为每个符号承载的信息量，而以比特为单位。

（二）点阵汉字的字模读取与显示

1. 汉字编码

1）区位码

在国标GD2312—80中规定，所有的国标汉字及符号分配在一个94行、94列的方
阵中，方阵的每一行称为一个“区”，编号为01区到94区，每一列称为一个“位”，编号为01位到94位，方阵中的每一个汉字和符号所在的区号和位号组合在一起形成的四个阿拉伯数字就是它们的“区位码”。区位码的前两位是它的区号，后两位是它的位号。用区位码就可以唯一地确定一个汉字或符号，反过来说，任何一个汉字或符号也都对应着一个唯一的区位码

2）机内码

汉字的机内码是指在计算机中表示一个汉字的编码。机内码与区位码稍有区别。如上所述，汉字区位码的区码和位码的取值均在1~94之间，如直接用区位码作为机内码，就会与基本 ASCII 码混淆。为了避免机内码与基本 ASCII 码的冲突，需要避开基本 ASCII 码中的控制码（00H~1FH），还需与基本 ASCII 码中的字符相区别。为了实现这两点，可以先在区码和位码分别加上20H，在此基础上再加80H（此处“H”表示前两位数字为十六进制数）。经过这些处理，用机内码表示一个汉字需要占两个字节，分别称为高位字节和低位字节，这两位字节的机内码按如下规则表示：

高位字节 = 区码 + 20H + 80H（或区码 + A0H）
低位字节 = 位码 + 20H + 80H（或位码 + AOH）

由于汉字的区码与位码的取值范围的十六进制数均为01H_{5EH（即十进制的01}94），所以汉字的高位字节与低位字节的取值范围则为A1H_{FEH（即十进制的161}254）。

2. 点阵字库结构

1）点阵字库存储

在汉字的点阵字库中，每个字节的每个位都代表一个汉字的一个点，每个汉字都是由一个矩形的点阵组成，0代表没有，1代表有点，将0和1分别用不同颜色画出，就形成了一个汉字，常用的点阵矩阵有12 *12, 14 * 14, 16 * 16三种字库。
字库根据字节所表示点的不同有分为横向矩阵和纵向矩阵，目前多数的字库都是横向矩阵的存储方式（用得最多的应该是早期 UCDOS 字库），纵向矩阵一般是因为有某些液晶是采用纵向扫描显示法，为了提高显示速度，于是便把字库矩阵做成纵向，省得在显示时还要做矩阵转换。我们接下去所描述的都是指横向
矩阵字库。

2）16 * 16 点阵字库

对于16 * 16的矩阵来说，它所需要的位数共是16*16＝256个位，每个字节为8位，因此，每个汉字都需要用256/8=32个字节来表示。
即：每两个字节代表一行的16个点，共需要16行，显示汉字时，只需一次性读取32个字节，并将每两个字节为一行打印出来，即可形成一个汉字。

点阵结构如下图所示：

在这里插入图片描述

3）14 * 14 与 12 * 12 点阵字库

对于14 * 14和12 * 12的字库，理论上计算，它们所需要的点阵分别为(14* 14/8)=25, (12* 12/8)=18 个字节，但是，如果按这种方式来存储，那么取点阵和显示时，由于它们每一行都不是 8 的整位数，因此，就会涉到点阵的计算处理问题，会增加程序的复杂度，降低程序的效率。
为了解决这个问题，有些点阵字库会将14* 14和12* 12的字库按16* 14和16* 12来存储，即每行还是按两个字节来存储，但是14* 14的字库，每两个字节的最后两位是没有使用，12* 12的字节，每两字节的最后4位是没有使用，这个根据不同的字库会有不同的处理方式，所以在使用字库时要注意这个问题，特别是14*14的字库。

3. 汉字点阵获取

1）利用区位码获取汉字

汉字点阵字库是根据区位码的顺序进行存储的，因此，我们可以根据区位来获取一个字库的点阵，它的计算公式如下：

点阵起始位置 = ((区码- 1) * 94 + (位码 – 1)) * 汉字点阵字节数

获取点阵起始位置后，我们就可以从这个位置开始，读取出一个汉字的点阵。

2）利用汉字机内码获取汉字

汉字的区位码和机内码的关系如下：

机内码高位字节 = 区码 + 20H + 80H（或区码 + A0H）
机内码低位字节 = 位码 + 20H + 80H（或位码 + AOH）

反过来说，我们也可以根据机内码来获得区位码：

区码 = 机内码高位字节 - A0H
位码 = 机内码低位字节 - AOH

将这个公式与获取汉字点阵的公式进行合并计就可以得到汉字的点阵位置。

4. 实验步骤

1）创建文本

在这里插入图片描述
使用ultraEdit查看文本中的十六进制编码：

在这里插入图片描述

2）项目实现

创建并进入项目文件夹Chinese：

mkdir Chinese
cd Chinese

在这里插入图片描述
将Asci0816.zf，HZKf2424.hz，logo.txt和Q.jpg放在该文件夹下：

在这里插入图片描述
使用FONTSHOW查看Asci0816.zf和HZKf2424.hz：

在这里插入图片描述

使用gedit命令创建HZ.cpp文件：

gedit HZ.cpp

编写代码：

#include<iostream>
#include<opencv/cv.h>
#include"opencv2/opencv.hpp"
#include<opencv/cxcore.h>
#include<opencv/highgui.h>
#include<math.h>

using namespace cv;
using namespace std;

void paint_chinese(Mat& image,int x_offset,int y_offset,unsigned long offset);
void paint_ascii(Mat& image,int x_offset,int y_offset,unsigned long offset);
void put_text_to_image(int x_offset,int y_offset,String image_path,char* logo_path);

int main()
{
    String image_path="Q.jpg";//图片路径
    char* logo_path=(char*)"logo.txt";//学号姓名路径
    put_text_to_image(660,660,image_path,logo_path);
    return 0;
}
void paint_ascii(Mat& image,int x_offset,int y_offset,unsigned long offset)
{
    //绘制的起点坐标
	Point p;
	p.x=x_offset;
	p.y=y_offset;
	char buff[16];    //存放ascii字模      
	//打开ascii字库文件
	FILE *ASCII;
	if((ASCII=fopen("Asci0816.zf","rb"))==NULL)
	{
		printf("Can't open ascii.zf,Please check the path!");
		//getch();
		exit(0);
	}
	fseek(ASCII,offset,SEEK_SET);
	fread(buff,16,1,ASCII);
	int i,j;
	Point p1=p;
	for(i=0;i<16;i++)                  //十六个char
	{
		p.x=x_offset;
		for(j=0;j<8;j++)              //一个char八个bit
		{
			p1=p;
			if(buff[i]&(0x80>>j))    //测试当前位是否为1
			{
				//由于原本ascii字膜是8*16的，不够大，所以原本的一个像素点用4个像素点替换，替换后就有16*32个像素点
				circle(image,p1,0,Scalar(0,0,255),-1);
				p1.x++;
				circle(image,p1,0,Scalar(0,0,255),-1);
				p1.y++;
				circle(image,p1,0,Scalar(0,0,255),-1);
				p1.x--;
				circle(image,p1,0,Scalar(0,0,255),-1);			
			}						
			p.x+=2;            //原来的一个像素点变为四个像素点，所以x和y都应该+2
		}
		p.y+=2;
	}
}
void paint_chinese(Mat& image,int x_offset,int y_offset,unsigned long offset)
{
    //实际在图片上绘制的像素点坐标
    Point p;
    p.x=x_offset;
    p.y=y_offset;
    //打开hzk24汉字库文件
    FILE *HZK;
    char buff[72];//存放汉字字模
    if((HZK=fopen("HZKf2424.hz","rb"))==NULL)
    {
        printf("Can't open HZKf2424.hz,Please check the path!");
        //getch();
        exit(0);//退出
    }
    fseek(HZK,offset,SEEK_SET);//将文件指针移动到偏移量的位置
    fread(buff,72,1,HZK);//从偏移量的位置读取72个字节，每个汉字占72个字节
    bool mat[24][24];//定义一个新的矩阵存放转置后的文字字模
    //转置汉字字模矩阵，因为汉字字模存储的是装置后的数据（反的）
    int i,j,k;
    for(i=0;i<24;i++)                 //24x24点阵汉字，一共有24行
	{
		for(j=0;j<3;j++)               //横向有3个字节，循环判断每个字节的
			for(k=0;k<8;k++)          //每个字节有8位，循环判断每位是否为1
				if(buff[i*3+j]&(0x80>>k))    //测试当前位是否为1
				{
					mat[j*8+k][i]=true;          //为1的存入新的字模中
				}
				else 
				{
					mat[j*8+k][i]=false;
				}
	}
    for(i=0;i<24;i++)
	{
		p.x=x_offset;
		for(j=0;j<24;j++)
		{		
			if(mat[i][j])
			  circle(image,p,1,Scalar(255,0,0),-1);	//写(替换)像素点
			p.x++;                                  //右移一个像素点
		}
		p.y++;                                      //下移一个像素点
	}
}
void put_text_to_image(int x_offset,int y_offset,String image_path,char* logo_path)
{
    //通过图片路径获取图片
    Mat image=imread(image_path);
    int length=18;//要打印的字符长度
    unsigned char qh,wh;//定义区号，位号
    unsigned long offset;//偏移量
    unsigned char hexcode[30];//用于存放记事本读取的十六进制
    FILE* file_logo;
    if ((file_logo=fopen(logo_path,"rb"))==NULL)
    {
		printf("Can't open txtfile,Please check the path!");
		//getch();
		exit(0);
	}
    fseek(file_logo,0,SEEK_SET);//将文件指针移动到偏移量的位置
    fread(hexcode,length,1,file_logo);
    int x=x_offset,y=y_offset;//x,y:在图片上绘制文字的起始坐标
    for(int m=0;m<length;)
    {
        if(hexcode[m]==0x23)
        {
            break;//读到#号时结束
        }
        //判断高阶两个十六进制数，大于或等于b0（汉字第一个是b0a1）的都应从汉字字库找
        else if(hexcode[m]>0xaf)
        {
            qh=hexcode[m]-0xaf;//计算区码
            wh=hexcode[m+1]-0xa0;//计算位码
            offset=(94*(qh-1)+(wh-1))*72L;//计算该汉字在字库中偏移量
            paint_chinese(image,x,y,offset);
            m=m+2;//一个汉字占两个char，所以加2 
            x+=24;//一个汉字在图片上占24个像素点，所以水平坐标每次+24
        }
        else
        {
            wh=hexcode[m];
            offset=wh*16l;//计算英文字符的偏移量
            paint_ascii(image,x,y,offset);
            m++;//一个char
            x+=16;//原本8*16，改为16*32，原本的一个像素点现用四个像素点绘画
        }
    }
    cv::imshow("image",image);
    cv::waitKey();
}

在这里插入图片描述
g++编译生成可执行文件：

g++ HZ.cpp -o HZ `pkg-config --cflags --libs opencv`

运行可执行文件：

./HZ

在这里插入图片描述

3）运行结果

在这里插入图片描述

三、实验总结

通过本次实验，我学会了如何使用串口进行文件传输、如何在Ubuntu下使用C/C++调用opencv库来将logo中的名字和学号叠加显示在图片右下位置，同时，我还了解到了文件大小、波特率和传输时间三者之间的关系，以及汉字的机内码、区位码编码规则和字形数据存储格式。在实验的过程中，我发现sscom5.13.1串口调试助手比fireTools多功能调试助手要更为好用些。因为，在最初使用fireTools传输图片时，无论是修改扩展名为.jpg/.jpeg或者.png，打开时都显示不支持此文件格式，但是在使用sscom5.13.1传输图片时都可以成功修改扩展名并打开。总而言之，这次实验让我受益匪浅。