在 LCD 上显示 png 图片-I.MX6U嵌入式Linux C应用编程学习笔记基于正点原子阿尔法开发板

在 LCD 上显示 png 图片

PNG 简介

无损压缩：PNG 使用 LZ77 派生算法进行无损压缩，确保图像质量不受损，且压缩比高

体积小：通过高压缩比，PNG 文件体积小，适合网络传输

索引彩色模式：PNG-8 格式采用8位调色板，将RGB图像转换为索引彩色图像，减少数据量

优化的网络传输显示：PNG 支持流式浏览，允许图像在未完全下载前显示基本内容，适合网络通信

支持透明效果：PNG 提供256级透明度，使图像边缘与背景平滑融合，这是GIF和JPEG不具备的特性

libpng 简介

libpng 是用于处理 PNG 图像的库

功能：支持对 PNG 图像文件进行解码和编码

性质：免费、开源的 C 语言函数库

对比：与 libjpeg 类似

zlib 移植

zlib 简介

• zlib 是一个包含数据压缩算法的函数库，是免费、开源的 C 语言库

• libpng 依赖：libpng 依赖于 zlib 库，因此在移植 libpng 之前需要先移植 zlib

下载源码包

• 下载链接： https://www.zlib.net/fossils/

• 选择 1.2.10 版本的 zlib

编译源码

• 将下载的 zlib-1.2.10.tar.gz 压缩文件拷贝到 Ubuntu 系统的用户家目录下

• tar -xzf zlib-1.2.10.tar.gz

  • 解压之后就会得到 zlib-1.2.10 文件夹，这就是 zlib 的源代码目录

• 先在 tools 目录下创建一个名为 zlib 的文件夹，作为 zlib 库的安装目录

• 配置

  • 先对交叉编译工具的环境进行初始化

    • source /opt/fsl-imx-x11/4.1.15-2.1.0/environment-setup-cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi

  • 对 zlib 工程进行配置

    • ./configure --prefix=/home/alientek/tools/zlib/

    • --prefix 选项指定 zlib 库的安装目录

• 编译

  • make

• 安装

  • make install

安装目录下的文件夹介绍

• 头文件目录 include

• 库文件目录 lib

移植到开发板

• 将出厂系统中原有的 zlib 库文件删除

  • rm -rf /usr/lib/libz.* /lib/libz.*

• 将编译得到的 zlib 库文件拷贝到开发板/usr/lib 目录，拷贝库文件时，需要注意符号

  链接的问题，不能破坏原有的符号链接

  • 开发板/usr/lib 目录下的 zlib 库文件

libpng 移植

下载源码包

• 下载链接： https://github.com/glennrp/libpng/releases

编译源码

• 将下载的 libpng-1.6.35.tar.gz 压缩包文件拷贝到 Ubuntu 系统

• 解压：tar -xzf libpng-1.6.35.tar.gz

• 解压之后得到 libpng-1.6.35 文件夹，这便是 libpng 的源码目录

• 在编译 libpng 之前，先在 tools 目录下创建一个名为 png 的文件夹，作为 libpng 库的安装目录

• 配置

  • 先对交叉编译工具的环境进行初始化

    • source /opt/fsl-imx-x11/4.1.15-2.1.0/environment-setup-cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi

  • 得告知编译器 zlib 库的安装目录，将 zlib 库安装目录下的 include 和 lib 路径导出到环境变量

    • export LDFLAGS=" L D F L A G S − L / h o m e / d t / t o o l s / z l i b / l i b " e x p o r t C F L A G S = " {LDFLAGS} -L/home/dt/tools/zlib/lib" export CFLAGS=" LDFLAGS−L/home/dt/tools/zlib/lib"exportCFLAGS="{CFLAGS} -I/home/dt/tools/zlib/include"
      export CPPFLAGS="${CPPFLAGS} -I/home/dt/tools/zlib/include"

  • 对 libpng 源码工程进行配置

    • ./configure --prefix=/home/alientek/tools/png --host=arm-poky-linux-gnueabi

    • --prefix 选项指定 zlib 库的安装目录

• 编译

  • make

• 安装

  • make install

安装目录下的文件夹介绍

• 同样包含了 bin、include、lib 这些目录

移植到开发板

• 将开发板出厂系统中已经移植好的

  libpng 库文件删除

  • rm -rf /lib/libpng* /usr/lib/libpng*

• 将编译得到的 libpng 库文件拷贝到开发板/usr/lib 目录

  • 开发板/usr/lib 目录下的 libpng 相关库文件

libpng 使用说明

libpng 还包含编码功能，但本文不作介绍。libpng 官方提供了详细使用文档

• PDF 文档：http://www.libpng.org/pub/png/libpng-1.4.0-manual.pdf

• TXT 文档：

  http://www.libpng.org/pub/png/libpng-manual.txt

libpng 的数据结构

• 头文件：使用 libpng 需要包含头文件 <png.h>，其中包含 API 和数据结构的声明

• 关键数据结构：libpng 有两个重要的数据结构体：png_struct 和 png_info

• png_struct

  • 用于 libpng 函数内部

  • 作为传递给每个 libpng 函数调用的第一个变量

  • 用户需要创建并初始化这个对象，但通常不会直接使用

• png_info

  • 描述 PNG 图像的信息

  • 旧版本中，用户可以直接访问 png_info 成员，如图像宽、高、像素深度等

  • 新版本中，建议通过 png_get_XXX 和 png_set_XXX 接口来访问和修改 png_info 成员，以避免问题

创建和初始化 png_struct 对象

• 使用 png_create_read_struct() 创建一个用于 PNG 解码的 png_struct 对象

  • png_structp png_create_read_struct(png_const_charp user_png_ver, png_voidp error_ptr, png_error_ptr error_fn,

    png_error_ptr warn_fn);

  • 第一个参数 user_png_ver 通常设置为 PNG_LIBPNG_VER_STRING(png.h 头文件中定义的一个宏)，包含 libpng 的版本信息

    • #define PNG_LIBPNG_VER_STRING "1.6.35"

  • error_ptr、error_fn、warn_fn 参数用于自定义错误处理和警告处理函数，也可设置为 NULL，使用 libpng 默认的处理函数

  • 返回一个指向 png_struct 对象的指针（png_structp）

  • 如果创建失败，返回 NULL，通过判断返回值是否为 NULL 来确认函数执行是否成功

  • 示例：

    png_structp png_ptr = NULL;

    png_ptr = png_create_read_struct(PNG_LIBPNG_VER_STRING, NULL, NULL, NULL);

    if (!png_ptr)

    return -1;

• 使用 png_create_write_struct() 创建一个用于 PNG 编码的 png_struct 对象

创建和初始化 png_info 对象

• 创建 png_info 对象

  • 使用 png_create_info_struct() 函数创建 png_info 对象

  • png_infop png_create_info_struct(png_const_structrp png_ptr);

  • 需要传入一个 png_struct 对象的指针，内部会建立 png_struct 和 png_info 对象之间的关联

  • 返回一个指向 png_info 对象的指针（png_infop）

  • 如果创建成功，返回指向 png_info 对象的指针。

    如果创建失败，返回 NULL，调用者可通过判断返回值是否为 NULL 来确认函数调用是否成功

• 当销毁 png_struct 对象时，也可以销毁 png_info 对象

  • 示例：

    png_infop info_ptr = NULL;

    info_ptr = png_create_info_struct(png_ptr);

    if (NULL == info_ptr) {

    png_destroy_read_struct(&png_ptr, NULL, NULL);

    return -1;

    }

  • png_destroy_read_struct()函数用于销毁 png_struct 对象的函数

设置错误返回点

• 错误处理函数

  • 调用 png_create_read_struct() 时，可以指定一个自定义的错误处理函数

  • 如果未指定自定义错误处理函数，libpng 会使用默认的错误处理函数

• 默认错误处理函数

  • 默认的错误处理函数会执行一个跳转动作，跳转到程序中的某个位置，这个位置称为错误返回点

• 错误返回点

  • 当 libpng 遇到错误时，若使用默认错误处理函数，它会跳转到错误返回点

  • 错误返回点是程序中预先设定的一个位置，通常用于执行清理工作，如释放和销毁 png_struct 和 png_info 对象，避免内存泄漏

• 避免直接终止

  • 发生错误时，不直接终止程序，而是跳转到错误返回点执行必要的清理工作

• 设置错误返回点的方法

  • 使用 setjmp 和 longjmp 库函数来设置错误返回点

    • 函数跳转

      • 在 C 语言中，goto 语句用于函数内部跳转，但不能跨越函数

      • 使用 setjmp 和 longjmp 库函数可以实现跨越函数的跳转

    • setjmp 函数

      • setjmp(jmp_buf env) 用于设置跳转点，保存当前进程环境信息到 env 参数中

    • longjmp 函数

      • longjmp(jmp_buf env, int val) 用于执行跳转，跳转到 setjmp 设置的跳转点

      • longjmp 调用后，类似于第二次调用 setjmp 返回

        • 返回值区分

          • setjmp 初次调用返回 0

          • longjmp 调用后，setjmp 返回 val 参数指定的值，用于区分不同的起跳位置

      • val 参数设置

        • 通常 longjmp 调用时，val 参数不为 0，以区分 setjmp 的初次返回和后续"伪"返回

    • 编程举例

      • 代码

        • #include <stdio.h>
          #include <stdlib.h>
          #include <setjmp.h>

static jmp_buf buf;

static void hello(void)

{

printf("hello world!\n");

longjmp(buf,1);

printf("Nice to meet you!\n");

}

int main(void)

{

if(0 == setjmp(buf)) {

printf("First return\n");

hello();

}

else

printf("Second return\n");

exit(0);

}

		- 验证

			-  

- libpng 设置错误返回点

	- 错误处理机制：

libpng 库使用 setjmp/longjmp 组合处理错误跳转

	- 错误返回点设置：

使用 setjmp() 为 libpng 设置错误返回点

	- 错误处理流程：

当 libpng 遇到错误时，默认错误处理函数调用 longjmp() 进行跳转。

需要在代码中设置错误返回点，以便在错误发生时进行处理

		- /*  设置错误返回点   */

if (setjmp(png_jmpbuf(png_ptr))) {

png_destroy_read_struct(&png_ptr, &info_ptr, NULL);

return -1;

}

指定数据源

• 需要指定进行解码的 PNG 图像，数据源可以是文件输入流、内存中的数据流等，这里以文件输入流为例

• png_init_io() 函数

  • ibpng 提供 png_init_io() 函数来指定数据源，数据源以文件输入流的方式提供

  • png_init_io(png_structrp png_ptr, png_FILE_p fp);

  • 第一个参数是 png_ptr，指向 png_struct 对象

  • 第二个参数 fp 是 png_FILE_p 类型指针，即标准 I/O 中的 FILE * 指针

• 打开文件

  • 使用 fopen() 函数打开 PNG 文件，得到指向该文件的 FILE * 类型指针

  • 示例：

    FILE png_file = NULL;
    / 打开 png 文件 /
    png_file = fopen("image.png", "r"); //以只读方式打开
    if (NULL == png_file) {
    perror("fopen error");
    return -1;
    }
    / 指定数据源 */

    png_init_io(png_ptr, png_file);

读取 png 图像数据并解码

• 读取和解码 PNG 文件

  • 从 PNG 文件中读取数据并解码，将解码后的图像数据存放在内存中供用户读取

• 处理方式

  • High-level 接口：封装了 low-level 接口，使用方便，只需一个函数，但灵活性不高

  • Low-level 接口：灵活性高，但需要用户调用多个 API

• high-level 接口

  • High-level 接口使用条件

    • 内存空间足够大，可一次性存放解码后的数据

    • 数据输出格式为 libpng 预定义的格式

      • libpng 预定义的数据转换类型

  • High-level 接口限制

    • 预定义的转换类型，不包括背景颜色设置、伽马变换、抖动和填充物

  • High-level 接口函数

    • png_read_png(png_structrp png_ptr, png_inforp info_ptr, int transforms, png_voidp params);

      • png_ptr：指向 png_struct 对象的指针

      • info_ptr：指向 png_info 对象的指针

      • transforms：整型参数，代表 libpng 预定义的转换类型

    • 函数调用示例

      • png_read_png(png_ptr, info_ptr, PNG_TRANSFORM_STRIP_ALPHA, NULL);

  • High-level 接口调用顺序

    • 调用 png_read_info 获取 PNG 图像信息

    • 根据 transforms 设置数据输出格式

    • 调用 png_read_image 解码并存放数据

    • 调用 png_read_end 结束解码

• low-level 接口

  • 使用 low-level 接口，需要用户将函数 png_read_png()所做的事情一步一步执行

  • 1、读取 PNG 图像信息

    • 调用 png_read_info() 获取 PNG 图像信息并存入 png_info 对象

    • png_read_info(png_ptr, info_ptr);

  • 2、查询图像信息

    • 使用 libpng 提供的 API 查询图像的宽度、高度、位深度和颜色类型

    • unsigned int width = png_get_image_width(png_ptr, info_ptr); //获取 png 图像的宽度

      unsigned int height = png_get_image_height(png_ptr, info_ptr); //获取 png 图像的高度

      unsigned char depth = png_get_bit_depth(png_ptr, info_ptr); //获取 png 图像的位深度

      unsigned char color_type = png_get_color_type(png_ptr, info_ptr); //获取 png 图像的颜色类型

    • color type 在 png.h 头文件中定义，如上所示：

  • 3、设置解码输出参数

    • 根据需要调用 png_set_xxxxx 函数设置数据输出格式，例如：

    • unsigned char depth = png_get_bit_depth(png_ptr, info_ptr);

      unsigned char color_type = png_get_color_type(png_ptr, info_ptr);

      if (16 == depth)

      png_set_strip_16(png_ptr); //将 16 位深度转为 8 位深度

      if (8 > depth)

      png_set_expand(png_ptr); //如果位深小于 8，则扩展为 24-bit RGB

      if (PNG_COLOR_TYPE_GRAY_ALPHA == color_type)

      png_set_gray_to_rgb(png_ptr); //如果是灰度图，则转为 RGB

    • 查看函数信息

      • 在 libpng 的头文件 png.h 中可以查看每个函数的注释信息和参数列表

      • 具体使用方法和更多转换函数请参考 libpng 的使用手册

    • 自定义转换函数

      • libpng 提供了多种转换函数，但不支持所有可能的输出格式（如 YUV565、RGB565、YUYV）

      • 用户可以设置自定义转换函数来解决这些问题

    • 注册自定义转换函数

      • 使用 png_set_read_user_transform_fn() 注册自定义转换函数

      • 使用 png_set_user_transform_info() 提供自定义转换函数所需的用户数据结构和输出数据详细信息（如颜色深度和颜色通道）

      • 有关自定义转换函数和其他详细信息，可以查阅 libpng 的使用帮助文档

  • 4、更新 PNG 数据信息

    • 调用 png_read_update_info() 更新 png_info 对象中的图像信息

    • png_read_update_info(png_ptr, info_ptr);

  • 5、读取并解码 PNG 数据

    • 解码 PNG 数据

      • 调用 png_read_image() 一次性解码整个 PNG 文件的数据并存入用户提供的内存区域

        • png_read_image(png_ptr, row_pointers);

        • 参数 png_ptr 指向 png_struct 对象

        • 第二个参数 row_pointers 是一个 png_bytepp 类型的指针变量，也就是 unsigned char **（指针数组）

          • png_bytep row_pointers[height];

        • 无返回值

      • 需要提供足够大的内存空间来保存解码后的数据，并通过 row_pointers 数组传入每一行的指针

    • 内存分配

      • 调用 png_read_image() 一次性解码整个 PNG 文件的数据并存入用户提供的内存区域

        • png_bytep row_pointers[height] = {0};

          size_t rowbytes = png_get_rowbytes(png_ptr, info_ptr);//获取每一行数据的字节大小

          int row;

          /* 为每一行数据分配一个缓冲区 */

          for (row = 0; row < height; row++)

          row_pointers[row] = png_malloc(png_ptr, rowbytes);

          png_read_image(png_ptr, row_pointers);

        • 使用 png_malloc() 为每一行数据分配缓冲区

        • png_malloc() 是 libpng 提供的 API，等价于 malloc()

      • 也可以调用 png_read_rows()一次解码 1 行或多行数据、并将解码

        后的数据存放在用于提供的内存区域中

        • ize_t rowbytes = png_get_rowbytes(png_ptr, info_ptr);//获取每一行数据的字节大小

          png_bytep row_buf = png_malloc(png_ptr, rowbytes); //分配分缓冲、用于存储一行数据

          int row;

          for (row = 0; row < height; row++) {

          png_read_rows(png_ptr, &row_buf, NULL, 1);//每次读取、解码一行数据（最后一个数字 1 表示每次 1 行）

          /* 对这一行数据进行处理: 譬如刷入 LCD 显存进行显示 */

          do_something();

          }

        • png_read_rows 会自动跳转处理下一行数据

    • 内存管理差异

      • 在 low-level 接口中，需要手动分配内存区域

      • 在 high-level 接口中，调用 png_read_png() 时 libpng 会自动分配缓冲区

  • 6、结束解码

    • 调用 png_read_end() 结束读取和解码过程

    • png_read_end(png_ptr, info_ptr);

读取解码后的数据

• 解码后处理

  • 解码完成后，可以获取解码后的数据进行进一步处理或直接显示到 LCD 上

• Low-Level 方式

  • 缓冲区由调用者分配，直接从缓冲区中获取数据即可

• High-Level 方式

  • 缓冲区由 png_read_png() 函数内部分配，并与 png_struct 对象关联

  • 使用 png_get_rows() 函数获取指向每一行数据缓冲区的指针数组

  • png_bytepp row_pointers = NULL;

    row_pointers = png_get_rows(png_ptr, info_ptr);//获取到指向每一行数据缓冲区的指针数组

• 内存管理

  • 在销毁 png_struct 对象时，由 png_read_png() 分配的缓冲区会被自动释放，归还给操作系统

结束销毁对象

• 调用 png_destroy_read_struct()销毁 png_struct 对象

  • void png_destroy_read_struct(png_structpp png_ptr_ptr, png_infopp info_ptr_ptr, png_infopp end_info_ptr_ptr);

• 使用方法

  • png_destroy_read_struct(png_ptr, info_ptr, NULL);

libpng 应用编程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <string.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/mman.h>
#include <png.h>

static int width;                       //LCD X分辨率
static int height;                      //LCD Y分辨率
static unsigned short *screen_base = NULL;        //映射后的显存基地址
static unsigned long line_length;       //LCD一行的长度（字节为单位）
static unsigned int bpp;    //像素深度bpp

static int show_png_image(const char *path)
{
    png_structp png_ptr = NULL;
    png_infop info_ptr = NULL;
    FILE *png_file = NULL;
    unsigned short *fb_line_buf = NULL; //行缓冲区:用于存储写入到LCD显存的一行数据
    unsigned int min_h, min_w;
    unsigned int valid_bytes;
    unsigned int image_h, image_w;
    png_bytepp row_pointers = NULL;
    int i, j, k;

    /* 打开png文件 */
    png_file = fopen(path, "r");    //以只读方式打开
    if (NULL == png_file) {
        perror("fopen error");
        return -1;
    }

    /* 分配和初始化png_ptr、info_ptr */
    png_ptr = png_create_read_struct(PNG_LIBPNG_VER_STRING, NULL, NULL, NULL);
    if (!png_ptr) {
        fclose(png_file);
        return -1;
    }

    info_ptr = png_create_info_struct(png_ptr);
    if (!info_ptr) {
        png_destroy_read_struct(&png_ptr, NULL, NULL);
        fclose(png_file);
        return -1;
    }

    /* 设置错误返回点 */
    if (setjmp(png_jmpbuf(png_ptr))) {
        png_destroy_read_struct(&png_ptr, &info_ptr, NULL);
        fclose(png_file);
        return -1;
    }

    /* 指定数据源 */
    png_init_io(png_ptr, png_file);

    /* 读取png文件 */
    png_read_png(png_ptr, info_ptr, PNG_TRANSFORM_STRIP_ALPHA, NULL);
    image_h = png_get_image_height(png_ptr, info_ptr);
    image_w = png_get_image_width(png_ptr, info_ptr);
    printf("分辨率: %d*%d\n", image_w, image_h);

    /* 判断是不是RGB888 */
    if ((8 != png_get_bit_depth(png_ptr, info_ptr)) &&
        (PNG_COLOR_TYPE_RGB != png_get_color_type(png_ptr, info_ptr))) {
        printf("Error: Not 8bit depth or not RGB color");
        png_destroy_read_struct(&png_ptr, &info_ptr, NULL);
        fclose(png_file);
        return -1;
    }

    /* 判断图像和LCD屏那个的分辨率更低 */
    if (image_w > width)
        min_w = width;
    else
        min_w = image_w;

    if (image_h > height)
        min_h = height;
    else
        min_h = image_h;

    valid_bytes = min_w * bpp / 8;

    /* 读取解码后的数据 */
    fb_line_buf = malloc(valid_bytes);
    row_pointers = png_get_rows(png_ptr, info_ptr);//获取数据

    unsigned int temp = min_w * 3;  //RGB888 一个像素3个bit位
    for(i = 0; i < min_h; i++) {

        // RGB888转为RGB565
        for(j = k = 0; j < temp; j += 3, k++)
            fb_line_buf[k] = ((row_pointers[i][j] & 0xF8) << 8) |
                ((row_pointers[i][j+1] & 0xFC) << 3) |
                ((row_pointers[i][j+2] & 0xF8) >> 3);

        memcpy(screen_base, fb_line_buf, valid_bytes);//将一行数据刷入显存
        screen_base += width;   //定位到显存下一行
    }

    /* 结束、销毁/释放内存 */
    png_destroy_read_struct(&png_ptr, &info_ptr, NULL);
    free(fb_line_buf);
    fclose(png_file);
    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct fb_fix_screeninfo fb_fix;
    struct fb_var_screeninfo fb_var;
    unsigned int screen_size;
    int fd;

    /* 传参校验 */
    if (2 != argc) {
        fprintf(stderr, "usage: %s <png_file>\n", argv[0]);
        exit(-1);
    }

    /* 打开framebuffer设备 */
    if (0 > (fd = open("/dev/fb0", O_RDWR))) {
        perror("open error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 获取参数信息 */
    ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_var);
    ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_fix);

    line_length = fb_fix.line_length;
    bpp = fb_var.bits_per_pixel;
    screen_size = line_length * fb_var.yres;
    width = fb_var.xres;
    height = fb_var.yres;

    /* 将显示缓冲区映射到进程地址空间 */
    screen_base = mmap(NULL, screen_size, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (MAP_FAILED == (void *)screen_base) {
        perror("mmap error");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 显示BMP图片 */
    memset(screen_base, 0xFF, screen_size);//屏幕刷白
    show_png_image(argv[1]);

    /* 退出 */
    munmap(screen_base, screen_size);  //取消映射
    close(fd);  //关闭文件
    exit(EXIT_SUCCESS);    //退出进程
}

编写流程和上面介绍的libpng 使用说明一致

• 使用的是 high-level

  接口处理方式

• 解码得到的数据是 RGB888 格式，需要转换为 RGB565 格式

• 转换后的数据刷入显存中进行显示

编译代码

• ${CC} -o testApp testApp.c -I/home/alientek/tools/png/include -L/home/alientek/tools/png/lib -L/home/alientek/tools/zlib/lib -
  lpng -lz

执行测试

• 看到打印出了一些警告信息，原因是新版本的 libpng 增强了检查，发出了警告；不影响

  我们的使用，可以忽略