結構化的平板電視OSD界面設計

日益華麗的平板電視OSD開(kāi)發(fā)占據了固件工程師大量的時(shí)間，采用結構化的OSD設計可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高代碼質(zhì)量。本文在介紹OSD的實(shí)現方法、OSD類(lèi)型、OSD的UI基本元素及定義基礎上，詳細分析了使用結構化的OSD UI處理機制實(shí)現OSD開(kāi)發(fā)的方法和思路。

隨著(zhù)具有各種豐富功能的平板電視不斷上市，日益華麗的OSD界面設計占據了固件開(kāi)發(fā)工程師大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間。不少的固件工程師不斷地重復著(zhù)同樣的工作：為每一個(gè)機種編寫(xiě)著(zhù)同樣的OSD文字、圖形及人機交互的界面(UI)互動(dòng)代碼。在UI及OSD較復雜的系統里，該部分的代碼量高達30-60%，同時(shí)，調試不健壯的UI代碼也將占用大量的系統調試時(shí)間。

平板電視的UI主要具有建立在機器上的按鍵和紅外遙控器等輸入以及OSD、蜂鳴器等輸出，OSD的主要作用是提供一個(gè)直觀(guān)的圖形界面，幫助用戶(hù)完成各種對機器的控制和信息獲知等任務(wù)。圖1、2呈現了用戶(hù)可能經(jīng)?？吹降腛SD外觀(guān)。隨著(zhù)系統處理能力的提高，現在的OSD甚至可以提供內建游戲、記事本和萬(wàn)年歷等各種附件功能。本文主要討論的是OSD固件的設計及與之相關(guān)的UI控制，并試圖提供一個(gè)關(guān)于平板電視中UI的定義和解決方案，縮短固件工程師在UI OSD界面構造上的時(shí)間。本文中的概念及方案同樣適用于其它具有點(diǎn)陣顯示控制任務(wù)的場(chǎng)合。

OSD的主要實(shí)現方法和類(lèi)型

目前有兩種主要的OSD實(shí)現方法：外部OSD發(fā)生器與視頻處理器間的疊加合成；視頻處理器內部支持OSD，直接在視頻緩存內部疊加OSD信息。

外部OSD發(fā)生器與視頻處理器間的疊加合成的實(shí)現原理是：由一個(gè)MCU內建的字符發(fā)生器及顯示緩存，利用快速消隱(Fast-Blank)信號切換電視的畫(huà)面和OSD顯示內容，使OSD的字符等內容疊加在最終的顯示畫(huà)面上，在OSD和顯示畫(huà)面疊加處理過(guò)程中，通過(guò)調整兩者之間的比例可以實(shí)現OSD的半透明(Blending)效果。同時(shí)，對OSD信號中的紅綠藍信號進(jìn)行重新編碼，可以得到不同的OSD顏色效果。

另外一種實(shí)現方法是視頻處理器內部支持OSD，直接在視頻緩存內部疊加OSD信息。這一類(lèi)視頻處理通常具有外部存儲器或內部少量的行緩存，同時(shí)具有OSD發(fā)生器，OSD的合成和控制直接在視頻緩存內完成，同樣具有上述的半透明和顏色控制功能。

OSD具有字符型(Font-Based)和位圖型(Bit-Map)兩種類(lèi)型。

字符型OSD(圖1屬于字符型)：為了節約顯示緩存，早期及低成本的解決方案中使用字符型OSD發(fā)生器，其原理是將OSD中顯示內容按照特定的格式(1218、1216等)進(jìn)行分割成塊，例如數字0-9、字母a-z、常用的亮度、對比度符號等，并把這些內容固化在ROM或Flash中，在顯示緩存中僅存放對應的索引號，這樣的“字典”結構可以大幅度減少顯示緩存的需求。

同時(shí)，為了提供對每個(gè)字符的顏色等屬性的控制，通常還具有一個(gè)與顯示緩存一樣大小的屬性緩存，其屬性(前景顏色、背景顏色、閃爍等)對整個(gè)字符中的每個(gè)像素有效。為了彌補這種方式不能為每個(gè)像素指定顏色的缺點(diǎn)，OSD發(fā)生器的設計者提供了采用多個(gè)顯示緩存合并的方式呈現多色字符的方案。其原理是每個(gè)顯示緩存確定一種顏色方案，當兩個(gè)甚至更多個(gè)顯示緩存合并以后就可以“拼湊”出超過(guò)兩種顏色的多色字符。

字符型OSD優(yōu)點(diǎn)是可以使用OSD內部較少的顯示緩存，并且MCU只需要指定顯示內容的索引即可顯示對應OSD信息，可以在比較低速的MCU上實(shí)現。但正是由于上述的顯示信息和顏色編碼方式不夠直觀(guān)，會(huì )給字符型OSD的固件開(kāi)發(fā)帶來(lái)一些麻煩。通常液晶顯示器、低成本的平板電視和CRT傳統電視上均使用這一類(lèi)OSD，目前仍占據著(zhù)市場(chǎng)主流地位。

相較字符型OSD，位圖OSD(圖2屬于位圖型)的處理原理較直觀(guān)和簡(jiǎn)單：通過(guò)對最終顯示內容上特定區域的每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行改變，直接將OSD信息疊加到最終的顯示畫(huà)面上，其按像素進(jìn)行控制的方式可以保證具有多色及足夠的表現能力。位圖OSD發(fā)生器通常內建在視頻處理器內部，并共享使用其主顯示緩存。也有獨立在視頻處理器之外的專(zhuān)業(yè)OSD位圖發(fā)生器，如美信的MAX4455，通常這一類(lèi)芯片需要外部SDRAM作為顯示緩存。

位圖OSD的顯示效果理論上可以做到非常完美的程度，可以提供類(lèi)似Windows中具有立體感的各種物件，如具有陰影的按鈕、顏色豐富的圖形和文字等，其缺點(diǎn)是必須具有足夠的OSD顯示緩存，以及按像素進(jìn)行處理而對MCU帶來(lái)的速度要求。通常在大尺寸的高端平板電視和專(zhuān)業(yè)顯示器上會(huì )使用這一類(lèi)OSD。隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展和存儲器的成本的不斷下降，未來(lái)的OSD應該都是位圖型的。

OSD的UI基本元素及定義

顯示OSD的目的是需要向用戶(hù)表達信息，那么哪些信息需要表達呢？通常包括提示、警告信息、控制參數的數值顯示等。盡管無(wú)論其顯示形狀是什么，其本質(zhì)都是一些字符或像素點(diǎn)的組合，但是對于這些信息的分類(lèi)和屬性定義有助于固件開(kāi)發(fā)人員的統一編碼和代碼處理。本文嘗試分類(lèi)，分析這些元素并在下面給出統一的固件處理方法。

1. OSD基本概念

UI語(yǔ)言：指OSD內容中的文字部分使用的語(yǔ)言類(lèi)型。
UI模式：指OSD內容適用的環(huán)境，例如不同的信號源(電視、DVD、PC)帶來(lái)的模式變化，其作用主要區分不同的環(huán)境下OSD的不同表現。
UI場(chǎng)景：特定語(yǔ)言模式下及較多信息頁(yè)面情況下，當前OSD適用的特定頁(yè)面。
UI事件：用戶(hù)利用輸入設備向UI系統提供的操作命令。
UI動(dòng)作表：指在特定UI場(chǎng)景中，對于UI輸入的命令進(jìn)行對應處理的索引表。
OSD畫(huà)布：指整個(gè)OSD呈現的區域，通常為一個(gè)矩形區域。
OSD位置：通常指在OSD畫(huà)布中，相較左上角原點(diǎn)的相對位置。
OSD物件：呈現在畫(huà)布上，表達特定信息，具有特定屬性的像素組合。

2. OSD包含的基本元素

OSD信息中主要包括以下一些基本元素(可能本文的提法未必準確，希望讀者可以體會(huì )到其意思)：區域、標簽、圖標、文字、進(jìn)度條、動(dòng)畫(huà)、數字、可選圖標、導航信息等。下面分別給出這些元素的定義、作用、屬性和響應事件。

a. 區域
定義：在OSD畫(huà)布中，以特定的屬性(顏色、閃爍、大小等)標示出的矩形或任意形狀的區域。
作用：對OSD內容進(jìn)行分類(lèi)或標示，例如標題區域，內容區域等。
屬性：位置、顏色、閃爍特性等。
響應事件：作為固定的信息內容，通常對UI輸入的控制無(wú)響應。

b. 標簽(Label)
定義：固定不變的文字信息，可以是一行或多行。
作用：對OSD內容進(jìn)行必要的文字說(shuō)明。

屬性：位置、顏色、閃爍特性、語(yǔ)言類(lèi)別、大小寫(xiě)、對齊方式等。
響應事件：作為固定的信息內容，通常對UI輸入的控制無(wú)響應。

c. 圖標(Icon)
定義：以特定的字符或像素組合構成形狀，以表達可識別的信息。
作用：對OSD內容進(jìn)行形象的提示，如播放、禁止等特定符號。
屬性：位置、顏色、閃爍特性等。
響應事件：作為固定的信息內容，通常對UI輸入的控制無(wú)響應。

d. 文字(Text)
定義：相較標簽，其同樣為文字信息，但是可以隨用戶(hù)的操作而改變。
作用：以隨選擇而改變的文字內容，提供關(guān)于用戶(hù)選擇的文字提示。
屬性：位置、顏色、語(yǔ)言類(lèi)別、大小寫(xiě)、對齊方式等。
響應事件：用戶(hù)的選擇，通常為上一個(gè)或下一個(gè)選擇。

e. 進(jìn)度條(Bar)
定義：矩形條狀的物件，隨其數值的不同而改變相關(guān)特性，未來(lái)也許會(huì )有其它形狀的此類(lèi)物件，如油量表狀等，但它們都具有同樣的屬性。
作用：以形象的圖形界面，給出關(guān)于某項數值的圖形說(shuō)明。
屬性：位置、顏色、上下限、當前值、類(lèi)型、大小、是否顯示數值等。
響應事件：數值的改變。

f. 動(dòng)畫(huà)(Movie)
定義：隨時(shí)間而改變的圖標組合。
作用：以活動(dòng)的圖形使OSD界面更生動(dòng)，提高信息的表達效果。
屬性：位置、顏色、具有的圖標數目、變化速度等。
響應事件：作為固定的信息內容，通常對UI輸入的控制無(wú)響應。

g. 數字
定義：隨有關(guān)參數或用戶(hù)選擇改變而改變的數字組合，可以為十進(jìn)制或其它進(jìn)制，亦可以是百分比或其它數值形式。
作用：直觀(guān)地給出關(guān)于某項參數的數值量化指示，通常與進(jìn)度條聯(lián)合使用，以達到直觀(guān)與形象的雙重效果。
屬性：位置、顏色、上下限、當前值、進(jìn)制選擇等。
響應事件：對應參數的數值的改變。

h. 可選圖標(Option)
定義：隨有關(guān)參數或用戶(hù)選擇改變而改變的圖標組合。
作用：用戶(hù)選擇的圖形化表達，例如選擇、未選擇、開(kāi)啟、關(guān)閉等信息的圖形化表達。
屬性：位置、顏色、閃爍、選擇數目等。
響應事件：對應參數的選擇改變。

i. 導航信息
定義：呈現在OSD畫(huà)布上，對當前UI場(chǎng)景中的用戶(hù)操作進(jìn)行提示的信息。
作用：指引用戶(hù)操作相關(guān)按鍵，進(jìn)行OSD內容操作。通常具有可用按鍵的指示以及必要的文字說(shuō)明，通常作為OSD提示信息的完善和人機界面友好化的措施。
屬性：位置、顏色、閃爍等。
響應事件：UI場(chǎng)景、按鍵的改變。

需要說(shuō)明的是，上述的物件并不能涵蓋現在和將來(lái)所有的OSD中可能出現的內容，但卻是OSD的基本的和主要的內容，通過(guò)對它們進(jìn)行分類(lèi)和進(jìn)行統一的處理，可以幫我們完成通常意義上的OSD的80-90%的工作。

使用基于對象的方法處理OSD UI

傳統的處理手法是將特定場(chǎng)景下的OSD物件逐一用代碼“畫(huà)”出來(lái)，在遇到特定的UI事件時(shí)，再利用一堆if else判斷出特定場(chǎng)景和操作對象，并做相應的OSD處理。在OSD較簡(jiǎn)單的情況下，其不失為一個(gè)可行的方法。但在遇到OSD場(chǎng)景和模式較多的情況下，這個(gè)if else的結構會(huì )變得很大，而且更為重要的是極易出錯以及維護成本提高。

隨著(zhù)OSD越來(lái)越復雜以及代碼工作量的不斷提高，人們意識到我們需要花費太多時(shí)間在這些“表面文章”上，而真正重要的應用層和設備驅動(dòng)層的開(kāi)發(fā)時(shí)間會(huì )受到影響，進(jìn)而影響新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。固件工程師也不愿不斷重復編寫(xiě)同樣代碼來(lái)滿(mǎn)足不斷改變客戶(hù)的特定OSD需要。

筆者早期也曾遭遇同樣的困擾，面對部門(mén)里工程師毫無(wú)效率地做著(zhù)同樣的事情，感覺(jué)到開(kāi)發(fā)一個(gè)統一的OSD UI平臺的重要性?，F在對于上述OSD UI進(jìn)行的分析，可以讓我們開(kāi)發(fā)出獨立于特定數字視頻處理器平臺和OSD發(fā)生機制的硬件環(huán)境的獨立統一開(kāi)發(fā)工具。

事實(shí)上，平板顯示芯片方案的重要提供者如Genesis、Pixelworks等為了加速其產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應用速度，已經(jīng)提供了具有這樣功能的基于Windows的固件開(kāi)發(fā)工具。本文試圖探討這一類(lèi)工具的運作原理，或許讀者基于本文可以開(kāi)發(fā)出自己所需要的工具，當然其應用具有更廣泛的代表性。

筆者在最近的液晶電視開(kāi)發(fā)案例中使用了這樣一個(gè)結構：

typedef struct
{
byte mode；//UI場(chǎng)景適用的模式
byte lan; // UI語(yǔ)言
byte scene; // UI場(chǎng)景
byte last; // UI上個(gè)場(chǎng)景
byte next; // UI下個(gè)場(chǎng)景
byte sel; //UI 當前場(chǎng)景對物件的選擇
byte sel_total; //UI當前場(chǎng)景中選擇項的總數
byte *info; // UI的物件指針
byte pos_v; // 物件垂直方向位置
byte pos_h; // 物件水平方向的位置
byte col_f; // 物件的前景顏色
byte col_b; // 物件的背景顏色
byte att; // 物件的其它顯示屬性
ACT_Struct (*act)[]; // 該物件的響應動(dòng)作表指針
byte *note; // 導航說(shuō)明信息
}UI_Struct;

這樣的結構是為了描述一個(gè)OSD物件的基本屬性及規定其對于動(dòng)作的相應表現。利用這樣的結構將場(chǎng)景中的每個(gè)物件描述清楚，則一個(gè)特定UI場(chǎng)景的OSD內容就可以被確定，而同時(shí)被確定的還有其上一個(gè)場(chǎng)景、下一個(gè)場(chǎng)景及動(dòng)作響應特性等所有UI特性。這樣的信息構成一個(gè)數組，由一個(gè)統一的“解釋平臺”對其進(jìn)行翻譯和描述，從而將整個(gè)UI構造完成。

這有點(diǎn)類(lèi)似解釋語(yǔ)言，而我們所需要做的就是編寫(xiě)這些“腳本”，對物件進(jìn)行OSD“繪制”的工作由“解釋”平臺去調用外部的OSD發(fā)生器的驅動(dòng)代碼來(lái)完成。當需要改變OSD發(fā)生器或基于不同平面顯示控制器平臺時(shí)，只需要更新少量OSD部分驅動(dòng)代碼，從而實(shí)現UI系統“平臺無(wú)關(guān)化”。

我們需要構造相關(guān)物件的數據結構，以便“解釋”平臺識別物件類(lèi)型并進(jìn)行正確的繪制。例如下面的結構完成了一個(gè)語(yǔ)言選項(文字物件)的描述：

void UI_ChangeLan()
{
UI_Lan=VAL_Lan;
ReDraw();
}
code byte *STR_LAN_CHN[]=
{
“中文”,
“英文”,
“法文”,
“西班牙文”,
};
code word TXT_LAN_CHN[]=
{
//文字物件的標志 對應的文字資源 對應的變量 具有的可選項目總數 當該物件被改變時(shí)的執行動(dòng)作
RES_TXT,STR_LAN_CHN,VAL_LAN,sizeof(STR_LAN_CHN)/sizeof(byte *),UI_ChangeLan
};

第一個(gè)數據RES_TXT向“解釋”平臺表明這個(gè)物件是文字，具有文字的數據結構?！敖忉尅逼脚_依據這一點(diǎn)，按照事先約定的結構讀取后繼數據，第二個(gè)數據表明其文字內容的來(lái)源是STR_LAN_CHN，第三個(gè)數據表明需要根據哪個(gè)變量來(lái)決定獲取文字資源中第幾個(gè)數據，而第四個(gè)數據表明，該物件具有多少個(gè)可供選擇的文字內容，最后一個(gè)數據規定了當該物件發(fā)生改變時(shí)需要做什么。這樣，“解釋”平臺獲得了足夠的信息去“繪制”這樣一個(gè)語(yǔ)言選項，并可以在發(fā)生改變時(shí)去自動(dòng)執行UI_ChangeLan()這個(gè)函數，幫助程序員去完成語(yǔ)言改變所需要進(jìn)行的操作。

事實(shí)上，所有這些結構完全可以進(jìn)行定制，只要與“解釋”平臺保持一致就可以了。

利用這樣一個(gè)OSD驅動(dòng)結構，一旦“解釋”平臺構建完成，OSD開(kāi)發(fā)人員需要做的就變成利用平臺支持的各種物件積木，進(jìn)行擺放、堆積來(lái)構造OSD圖形表現，而不必要重復編寫(xiě)實(shí)現代碼和關(guān)心與特定硬件平臺相關(guān)的驅動(dòng)代碼細節。

更進(jìn)一步，甚至連這些積木的擺放和設計，我們可以設計一個(gè)直觀(guān)的Windows應用程序來(lái)完成諸如圖形-->字符元件生成器、OSD圖形界面設計，以及最終的資源文件和UI資料數組的生成，并與底層的“解釋”平臺進(jìn)行聯(lián)接編譯，得到最后的MCU代碼。

這樣的OSD界面開(kāi)發(fā)環(huán)境會(huì )擺脫抽象、枯燥和低效率，變得直觀(guān)、有趣，甚至可以由客戶(hù)自己設計相關(guān)的OSD的界面，而完全不需要編程經(jīng)驗和對OSD底層驅動(dòng)的了解。

需要指出的是，相較傳統的if else，結構化的OSD UI處理機制會(huì )帶來(lái)最終程序體積的增加和運行速度的變慢，但是這些缺點(diǎn)在MCU內部程序空間不斷增加和支持的時(shí)鐘頻率不斷提高的情況下是微不足道的。所以，如果讀者面對的案例是對MCU處理速度和程序存儲器受限的情況下，可能并不適用這樣的方案。以筆者開(kāi)發(fā)的液晶電視項目為例，在支持所有電視功能、圖文、麗音及游戲、日歷等附加功能的情況下，基于MCS51的多任務(wù)系統的總程序小于32KB，而基于Myson MTV230的OSD+MCU處理器的運行速度非?？?，并不會(huì )感到任何延遲。而通常支持位圖OSD的開(kāi)發(fā)環(huán)境使用的是X86或更快速的ARM等處理器，并具有大于2MB的程序存儲空間。

本文小結

當固件開(kāi)發(fā)工程師面對越來(lái)越復雜的應用時(shí)，面向對象、結構化的編程方式會(huì )變得越來(lái)越重要，其直接的好處是編程效率的提高和維護成本的下降，同時(shí)對于程序的健壯性也有幫助。本文提供的方法的優(yōu)越性已經(jīng)在實(shí)際的開(kāi)發(fā)案例中得到檢驗，這樣完成同樣的OSD界面，筆者可以縮短到原來(lái)的1/4的時(shí)間，并提高了代碼的質(zhì)量。