CN101068304A

CN101068304A - 一种基于Microwindows的优化的数字家庭机顶盒GUI系统

Info

Publication number: CN101068304A
Application number: CNA2007100279518A
Authority: CN
Inventors: 周怿; 罗笑南
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2027-05-11
Also published as: CN100496092C

Abstract

本发明公开了一个基于Microwindows的优化的数字电视机顶盒GUI系统，它涉及数字电视机顶盒技术以及计算机图形学领域。该系统包括GUI核心机制模块、图形引擎模块、GUI对象模块，其中图形引擎模块采用了优化的调色板模块，首先创建了一个缓冲池，每次查找颜色RGB值的时候，先搜索缓冲池，若缓冲池未命中，才使用最原始的每次查找匹配算法来找出最合适的RGB索引，其中缓冲池采用双向循环链表结构，存放了16个结点。利用本发明使得优化后的GUI系统在绘图操作上速度有明显提高，数字电视显示效果更佳，更能满足客户视觉要求。

Description

一种基于Microwindows的优化的数字家庭机顶盒GUI系统

技术领域

本发明涉及数字电视机顶盒技术以及计算机图形学领域，具体涉及到Microwindows这一嵌入式GUI软件的相关技术。

背景技术

数字机顶盒(STB，Set-Top-Box)是一种与电视机连接的网络终端设备，用于将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，通过对数字化压缩的图像声音信号进行解码还原，产生模拟视频和声音信号，以提供给观众高质量的电视节目。

数字机顶盒软件开发的相关工作大致分为以下几个部分：

1、嵌入式Linux操作系统平台及设备驱动的搭建；

2、EPG信息分析及数据库；

3、图形用户界面GUI系统平台及GUI应用程序的开发；

4、视频解码软件部分的改造；

5、CA加解扰软件部分；

6、存储设备Flash ROM的软件部分；

7、Tuner部分驱动程序的开发。

本发明主要设计一种基于Microwindows的更优化的机顶盒GUI系统平台。

嵌入式GUI系统的开发中较为专业的不外乎两种，其一是精简既有的系统，在开发角度来看，精简既有的系统是最快速的方式，缺点是效能不好控制，体积只能缩小到一定程度。其二是重新打造一套，对于非通用硬件差异很大的嵌入式设备，条件允许当然是重新打造一套为最好。优点如系统掌握程度，高效能及软件体积都能调整到最佳，缺点在于成本较高，需要考虑所需的开发时间和人力成本。

本发明设计的是卫星数字机顶盒，对硬件成本要求严格。同时其图形用户界面不是很复杂，GUI系统所要提供的功能也较单一，并且在开发中从系统层和设备层都有良好的软硬件技术支持，设备层有完备的设备驱动支持。自行开发的GUI系统可以方便的建立在驱动层之上，从而避开了繁琐的驱动程序开发，大大地减少了软件开发的费用，考虑到上述的限制和本发明的一些开发优势，我们最终采用独立开发自己专用的GUI系统的方式。

在本发明中，我们使用了Microwindows作为开发GUI系统的支撑工具。MicroWindows的目的是把图形视窗环境引入到运行Linux的小型设备和平台上。作为X Window系统的替代品，MicroWindows可以用更少的RAM和文件存储空间(100KB～600KB)提供相似的功能，允许设计者轻松加入各种显示设备、鼠标、触摸屏和键盘等；可移植性非常好，可用C语言实现；支持Intel 16位/32位CPU、MIPS R4000以及基于ARM内核的处理器芯片。由于和微软的windows注册商标存在冲突，从2005年月起，MicroWindows改名为Nano-X。

在GUI系统中，有一个不可缺乏的部件就是调色板。调色板查找算法是嵌入式GUI系统的重要组成之一。在具有硬件调色板的系统中，每次进行几何图形绘制之前都会调用该算法将应用程序给出的RGB参数转化成与具体显示硬件相对应的模式颜色值，以设置当前图形绘制的前景色和背景色。

所谓硬件调色板就是为了提高显示速度，专用嵌入式系统的显示芯片硬件查找表，通过索引的方法来完成从显存到RGB值的映射。于是我们称硬件查找表及其相应的硬件索引电路为硬件调色板。它的工作原理是基于调色板索引的，也就是将一组(容量上限取决于实际显示硬件，一般为256)预定义的RGB值写入硬件调色板中，当绘制屏幕上某点时，只需要向对应的显缓中写入该点的RGB值在硬件调色板中对应的RGB索引值即可。这样在每次显示刷新中，由调色板硬件自动完成显缓中到调色板的映射，向显示屏输出与显缓相对应的RGB值。

发明内容

针对以上的不足，本发明设计一种基于Microwindows的优化的数字电视机顶盒GUI系统，通过改进其中的调色板查找算法，使数字电视显示效果更佳，显示速度大大提高，进一步满足用户的需求。

通过分析，考虑到GUI系统的通用性，决定对本发明使用一种多模块结构的GUI系统。从功能上可以分为三个模块：GUI核心机制模块、图形引擎模块、GUI对象模块，其中图形引擎模块采用了优化的调色板模块。

核心机制模块采用C/S工作模式，包括图形设备子模块、消息机制子模块、定时器子模块、输入设备子模块等四个子模块，主要功能是为图形显示提供内存缓冲区，负责消息接受和分发工作，为上层应用提供定时器的支持，还有就是提供输入设备输入消息的收集功能；

图形引擎模块是最重要的部分，具有屏幕和区域管理，调色板查找等等功能，同时该模块向GUI对象模块提供图形输出功能，其中函数可以直接被应用程序调用；

GUI对象模块主要包含预定义完整的窗口环境元素集合，含多种属性和风格Window和control等，要求这些元素能够对不同的GUI事件有不同的响应。

所述调色板模块的优化具体指增加了一个缓冲池，每次查找颜色RGB值的时候，先搜索缓冲池，若缓冲池未命中，才使用最原始的每次查找匹配算法来找出最合适的RGB索引。目前大部分GUI系统采用的调色板查找方法是每次匹配查找方法，该方法过程如下：

(1)初始化当前最小误差σmin为系统可接受的最大误差和最优调色板索引初值I best＝0。

(2)计算当前调色板索引对应的R’G’B’与要查找的RGB各分量的误差σR、σG、σB。

(3)根据绝对值求和法计算RGB总误差σ。

(4)当σ≥σmin时，若下一个调色板索引存在，则跳转至(2)；否则返回在当前调色板中与要查找的RGB最接近的索引值I best。

(5)令σmin＝σ，I best＝当前调色板索引，若σmin＝0则返回在当前调色板中与RGB相等的索引值I best；否则若下一个调色板索引存在则跳转至(2)。

所述缓冲池结构为双向循环链表，存放了16个结点，每个结点结构如下：

Prior

RGB

Index

Flag

其中Prior和Next分别是指向前一个和后一个结点的指针，RGB是该结点的RGB值，Index为该RGB值的索引值，Flag指示该元素是否正被使用，链表另外有两个指针分别指向链表的头结点和尾结点。

所述缓冲池的查找策略为：每次需要查找一个RGB值时，先按顺序从缓冲池中查找，如果命中，则将该结点移动到链表头，并将Flag设置为1；如果未命中，则按照前面所述的每次查找匹配算法从硬件调色板中查找。

所述缓冲池的替换策略为：缓冲池采用随机淘汰法来替换缓冲池元素，当查找没有命中缓冲池时，将会从缓冲池外部将刚找到的RGB替换到缓冲池内，此时，如果发现被选定为淘汰的元素其Flag值为1，说明该RGB值上一次正被使用，那么我们将淘汰改元素之后的一个元素，并将前一个元素的Flag值改为0，被替换进缓冲池的元素Flag值设置为1，说明它正被使用。

所述缓冲池性能分析为：调色板平均查找时间＝缓冲池查找时间+缓冲池缺失率×缓冲池缺失代价。其中缓冲池缺失代价就是使用每次查找匹配算法来进行查找的时间，由于嵌入式系统中常用的颜色大概在10种左右，所以缓冲池缺失率约等于零，也就是说调色板平均查找时间约等于缓冲池查找时间。

本发明的最大优点在于优化了数字电视机顶盒的GUI系统中的图形引擎模块，使得优化后的GUI系统在绘图操作上速度有明显提高，数字电视显示效果更佳，更能满足客户视觉要求。

附图说明

图1为优化的数字电视机顶盒GUI系统结构图；

图2为数字电视机顶盒的架构图；

图3为图形引擎模块的调色板查找过程优化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图2所示，本发明要优化的数字电视机顶盒GUI系统位于数字电视机顶盒架构的上层。

如图1所示，优化的数字电视机顶盒GUI系统包括三个模块：

1、GUI核心机制模块：采用C/S工作模式，包括图形设备子模块、消息机制子模块、定时器子模块、输入设备子模块等四个子模块。主要功能是为图形显示提供内存缓冲区，负责消息接受和分发工作，为上层应用提供定时器的支持，还有就是提供输入设备输入消息的收集功能。

2、图形引擎模块：具有屏幕和区域管理，调色板颜色查找调度等等功能，同时该模块向GUI对象模块提供图形输出功能，这些函数也可以直接被应用程序调用。包括：

1)基本绘图操作，如点、直线、圆、矩形和矩形填充等。

2)图像格式支持，如BMP等图像格式文件输出。

3)其他高级图形功能。

由于目前大多数GUI系统采用的调色板查找方法原始而低效，所以本发明主要在此处进行优化，最后实现一个优化过的GUI系统。

3、GUI对象模块：主要包含预定义完整的窗口环境元素集合，含多种属性和风格Window和control等，要求这些元素能够对不同的GUI事件有不同的响应。

下面就附图3描述如何优化图形引擎模块的过程：

本发明主要对于图形引擎模块做优化，因为该模块直接负责屏幕和区域管理，同时还负责从硬件调色板中查找需要调度的颜色RGB值，对于它的优化能够直接影响数字电视的显示效果。

本发明对图形引擎模块的优化主要集中在调色板的查找速度上。由于用户界面画图所需的各种颜色RGB值都是通过调色板来查找调度的，所以调色板的查找速度快不快，颜色调度准不准确，直接影响到了图形图像组件的显示速度和视觉效果。

由于调色板索引值范围从1到256，如果每次都查找匹配的RGB值，将会极大地浪费系统资源，造成图形图像组件的效率低下。因此，本发明提出了一种改进的方法，具体如下：

首先建立一个包括16个结点的双向循环链表，并且初始化该链表。初始化的过程包括申请大小为16个结点的链表内存空间，每个结点结构为：

Prior

RGB

Index

Flag

Prior和Next分别是指向前一个和后一个结点的指针，RGB是该结点的RGB值，Index为该RGB值的索引值(取值范围为1到256)，Flag指示该元素是否正被使用。链表另外有两个指针分别指向链表的头结点和尾结点。

第二步将要查找的RGB值与缓冲池结点逐一比较，可以采用顺序查找的方法，在缓冲池中发现是否存在该RGB值。

如果缓冲池命中，则将上一次命中的结点Flag值修改为0，并将本次命中的结点Flag值修改为1。并且向上一级返回命中的RGB索引值。

如果缓冲池缺失，将采用原始的每次匹配算法从硬件调色板中查找RGB值，并将查找到的RGB值替换进缓冲池，然后随机淘汰除了上一次命中的结点之外的其他任一结点，最后将上一次命中的结点Flag值改为0，并将新替换进来的结点Flag值设置为1。

之所以不淘汰上一次命中的结点，是因为防止该结点在接下来的显示过程中，需要多次用到该RGB值。如果将其淘汰出缓冲池，有可能下一次又将它替换进来，如此可能存在频繁替换调度缓冲池元素的抖动现象。

最后将查找到的RGB索引值返回上一级。而上一级通过该索引值从硬件调色板中取出RGB值。

整个调色板查找过程大概涉及到三个函数，定义如下：

void Pallete_Cache_Init()；

该函数没有返回值和参数，负责初始化调色板缓冲池，包括申请大小为16个结点的链表内存空间，每个结点所需空间我们在前面已说明，接下来该函数为链表赋初始值。

RGBValue Pallete_Cache_Search(int index)；

该函数实现缓冲池查找过程，通过参数index在缓冲池内顺序查找RGB值。如果缓冲池命中，将命中的结点Flag值设置为1，然后返回结构为RGBValue的值，该结构保存了对应于index的RGB值；如果缓冲池缺失，调用原有的每次调色板查找匹配函数从硬件调色板中查找对应的RGB值，然后调用缓冲池替换函数将刚查找到的RGB索引值替换进缓冲池内，最后返回新查找到的RGBValue值。如果index值取值范围不在1-256之间，函数返回null，说明查找过程出错。

int Pallete_Cache_Replace(int index)；

该函数实现了缓冲池的替换过程，函数输入参数为从缓冲池外部查找到的RGB索引值，此函数被缓冲池查找函数所调用。在替换过程中，采用随机函数来选定将要淘汰的结点，首先判断该结点的Flag值是否为1，如果是1，说明该结点上一次被使用。因为该RGB值接下来可能被频繁使用，为了避免频繁的将它从缓冲池置换出和置换入，函数在此干脆不置换该结点，只将该结点Flag值设为0，并将该结点的下一个结点置换出缓冲池，使用新的RGB索引值代替置换出去的结点；如果链表尾结点的Flag值是0，则直接置换尾结点。最后函数返回置换进缓冲池的RGB索引值。如果参数index取值范围不在1-256之间，函数返回0，说明置换过程出错。

调色板平均查找时间＝缓冲池查找时间+缓冲池缺失率×缓冲池缺失代价

缓冲池缺失代价就是使用每次查找匹配算法来进行查找的时间。由于嵌入式系统中常用的颜色大概在10种左右，所以缓冲池缺失率约等于零，也就是说调色板平均查找时间约等于缓冲池查找时间。由此可见，本发明大大提高了调色板查找效率，从而极大提高了图形图像组件的画图效率。

Claims

1、一种基于Microwindows的优化的数字家庭机顶盒GUI系统，它包括GUI核心机制模块、图形引擎模块和GUI对象模块，其特征在于所述图形引擎模块采用了优化的调色板模块：

2、根据权利要求1所述的基于Microwindows的优化的数字家庭机顶盒GUI系统，其特征在于，所述调色板模块的优化具体指增加了一个缓冲池，每次查找颜色RGB值的时候，先搜索缓冲池，若缓冲池未命中，才使用最原始的每次查找匹配算法来找出最合适的RGB索引。

3、根据权利要求2所述的基于Microwindows的优化的数字家庭机顶盒GUI系统，其特征在于，所述缓冲池结构为双向循环链表，存放了16个结点，每个结点结构如下： Prior RGB Index Flag Next

4、根据权利要求2所述的基于Microwindows的优化的数字家庭机顶盒GUI系统，其特征在于，所述缓冲池的查找策略为：每次需要查找一个RGB值时，先按顺序从缓冲池中查找，如果命中，则将该结点移动到链表头，并将Flag设置为1；如果未命中，则按照前面所述的每次查找匹配算法从硬件调色板中查找。

5、根据权利要求2所述的基于Microwindows的优化的数字家庭机顶盒GUI系统，其特征在于，所述缓冲池的替换策略为：缓冲池采用随机淘汰法来替换缓冲池元素，当查找没有命中缓冲池时，将会从缓冲池外部将刚找到的RGB替换到缓冲池内，此时，如果发现被选定为淘汰的元素其Flag值为1，说明该RGB值上一次正被使用，那么我们将淘汰改元素之后的一个元素，并将前一个元素的Flag值改为0，被替换进缓冲池的元素Flag值设置为1，说明它正被使用。

6、根据权利要求2所述的基于Microwindows的优化的数字家庭机顶盒GUI系统，其特征在于，所述缓冲池性能分析为：调色板平均查找时间＝缓冲池查找时间+缓冲池缺失率×缓冲池缺失代价，

其中缓冲池缺失代价就是使用每次查找匹配算法来进行查找的时间，由于嵌入式系统中常用的颜色大概在10种左右，所以缓冲池缺失率约等于零，也就是说调色板平均查找时间约等于缓冲池查找时间。