微雪的墨水屏数据收发、黑白红三色图片抖动算法浅析

abcrazy · 发表于 2022-6-2 19:56:37

本帖最后由 abcrazy 于 2022-6-5 13:17 编辑

某鱼买了个黑白红三色4.2寸墨水屏，连邮费27元，网上资料微雪的最好用，微雪的 ESP32 例程是 Arduino 的，安装乐鑫环境 github 还是一如既往的无法下载，几经艰辛，终于编译出固件。微雪的例程还是挺好的，各型号各版本的墨水屏只要一个固件支持完。
本人习惯用乐鑫的 ESP-IDF 环境编译，参考了微雪的色阶、抖动算法，编译了固件（只支持4.2B黑白红墨水屏），添加了 airkiss 智能配网。

============ 以下是购买的电子价签 ===============

特别说明一下，那个屏幕背面的 NFC 是贴上去的，跟屏幕没有任何电路连接，CC2510芯片靠 2.4G 收发数据。

================= 以下是电路图 =====================
CC2510管脚.png

=============== 以下是资料附件 ===============

4.2inch-e-paper-b-specification.pdf (2.51 MB, 下载次数: 1)

abcrazy · 发表于 2022-6-4 11:16:44

本帖最后由 abcrazy 于 2022-6-5 11:22 编辑

第二部分：微雪 ESP8266 / ESP32 开发板 WIFI 数据传送分析
对应的微雪源码在 1 楼附件墨水屏资料.zip
微雪可以适配多个版本型号的墨水屏 ESP32 开发板精髓：在网页中处理图片，再把处理后的数据发送到墨水屏。
优点是 MCU 的内存可以很小，小到无法装下一帧内容，只负责接收一小部分数据，然后马上发送到墨水屏中。把需要消耗大量内存解码 png 、 mpeg、 bmp 图片的任务交给电脑浏览器或手机浏览器。
网页.png

以下是第一段接受到的数据内容：

POST /EPDo_ HTTP/1.1
Host: 192.168.11.80
Connection: keep-alive
Content-Length: 0
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/102.0.5005.63 Safari/537.36
Content-Type: text/plain;charset=UTF-8
Accept: */*
Origin: null
Accept-Encoding: gzip, deflate
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
POST /aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaiodaLOAD_ HTTP/1.1
Host: 192.168.11.80
Connection: keep-alive
Content-Length: 0
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/102.0.5005.63 Safari/537.36
Content-Type: text/plain;charset=UTF-8
Accept: */*
Origin: null
Accept-Encoding: gzip, deflate
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9

复制代码

一、确定墨水屏型号：
分析第1行：POST /EPDo_ HTTP/1.1
1.EPD：墨水屏的特征码
2.o：墨水屏的型号
参考文件：E-Paper_ESP32_Driver_Board_Code\Loader_esp32wf\epd.h

/* The set of pointers on 'init', 'load' and 'show' functions, title and code */
struct EPD_dispInfo
{
int(*init)(); // Initialization
void(*chBk)();// Black channel loading
int next; // Change channel code
void(*chRd)();// Red channel loading
void(*show)();// Show and sleep
char*title; // Title of an e-Paper
};
/* Array of sets describing the usage of e-Papers ----------------------------*/
EPD_dispInfo EPD_dispMass[] =
{
{ EPD_Init_1in54, EPD_loadA, -1 , 0, EPD_1IN54_Show, "1.54 inch" },// a 0
{ EPD_Init_1in54b, EPD_loadB, 0x13, EPD_loadA, EPD_showB, "1.54 inch b" },// b 1
{ EPD_Init_1in54c, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_showB, "1.54 inch c" },// c 2
{ EPD_Init_2in13, EPD_loadC, -1 , 0, EPD_showA, "2.13 inch" },// d 3
{ EPD_Init_2in13b, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_showB, "2.13 inch b" },// e 4
{ EPD_Init_2in13b, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_showB, "2.13 inch c" },// f 5
{ EPD_Init_2in13d, EPD_loadA, -1 , 0, EPD_showD, "2.13 inch d" },// g 6
{ EPD_Init_2in7, EPD_loadA, 1 , 0, EPD_showB, "2.7 inch" },// h 7
{ EPD_Init_2in7b, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_showB, "2.7 inch b" },// i 8
{ EPD_Init_2in9, EPD_loadA, -1 , 0, EPD_showA, "2.9 inch" },// j 9
{ EPD_Init_2in9b, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_showB, "2.9 inch b" },// k 10
{ EPD_Init_2in9b, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_showB, "2.9 inch c" },// l 11
{ EPD_Init_2in9d, EPD_loadA, -1 , 0, EPD_2IN9D_Show, "2.9 inch d" },// M 12
{ EPD_Init_4in2, EPD_loadA, -1 , 0, EPD_showB, "4.2 inch" },// N 13
{ EPD_Init_4in2b, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_showB, "4.2 inch b" },// O 14
{ EPD_Init_4in2b, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_showB, "4.2 inch c" },// P 15
{ EPD_5in83__init, EPD_loadD, -1 , 0, EPD_showC, "5.83 inch" },// Q 16
{ EPD_5in83b__init, EPD_loadE, -1 , 0, EPD_showC, "5.83 inch b" },// R 17
{ EPD_5in83b__init, EPD_loadE, -1 , 0, EPD_showC, "5.83 inch c" },// S 18
{ EPD_7in5__init, EPD_loadD, -1 , 0, EPD_showC, "7.5 inch" },// T 19
{ EPD_7in5__init, EPD_loadE, -1 , 0, EPD_showC, "7.5 inch b" },// u 20
{ EPD_7in5__init, EPD_loadE, -1 , 0, EPD_showC, "7.5 inch c" },// v 21
{ EPD_7in5_V2_init, EPD_loadAFilp, -1 , 0, EPD_7IN5_V2_Show, "7.5 inch V2" },// w 22
{ EPD_7in5B_V2_Init, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadAFilp, EPD_7IN5_V2_Show, "7.5 inch B V2" },// x 23
{ EPD_7IN5B_HD_init, EPD_loadA, 0x26, EPD_loadAFilp, EPD_7IN5B_HD_Show, "7.5 inch B HD" },// y 24
{ EPD_5IN65F_init, EPD_loadG, -1 , 0, EPD_5IN65F_Show, "5.65 inch F " },// z 25
{ EPD_7IN5_HD_init, EPD_loadA, -1 , 0, EPD_7IN5_HD_Show, "7.5 inch HD" },// A 26
{ EPD_3IN7_1Gray_Init, EPD_loadA, -1 , 0, EPD_3IN7_1Gray_Show,"3.7 inch" },// 27
{ EPD_2IN66_Init, EPD_loadA, -1 , 0, EPD_2IN66_Show, "2.66 inch" },// 28
{ EPD_5in83b_V2_init, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadAFilp, EPD_showC, "5.83 inch B V2"},// 29
{ EPD_Init_2in9b_V3, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_showC, "2.9 inch B V3" },// 30
{ EPD_1IN54B_V2_Init, EPD_loadA, 0x26, EPD_loadAFilp, EPD_1IN54B_V2_Show, "1.54 inch B V2"},// 31
{ EPD_2IN13B_V3_Init, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_2IN13B_V3_Show, "2.13 inch B V3"},// 32
{ EPD_Init_2in9_V2, EPD_loadA, -1, 0, EPD_2IN9_V2_Show, "2.9 inch V2" },// 33
{ EPD_Init_4in2b_V2, EPD_loadA, 0x13, EPD_loadA, EPD_4IN2B_V2_Show, "4.2 inch b V2" },// 34
{ EPD_2IN66B_Init, EPD_loadA, 0x26, EPD_loadAFilp, EPD_2IN66_Show, "2.66 inch b" },// 35
{ EPD_Init_5in83_V2, EPD_loadAFilp, -1, 0, EPD_showC, "5.83 inch V2" },// 36
{ EPD_4IN01F_init, EPD_loadG, -1, 0, EPD_4IN01F_Show, "4.01 inch f" },// 37
{ EPD_Init_2in7b_V2, EPD_loadA, 0x26, EPD_loadAFilp, EPD_Show_2in7b_V2, "2.7 inch B V2" },// 38
{ EPD_Init_2in13_V3, EPD_loadC, -1, 0, EPD_2IN13_V3_Show, "2.13 inch V3" },// 39
{ EPD_2IN13B_V4_Init, EPD_loadA, 0x26, EPD_loadA, EPD_2IN13B_V4_Show, "2.13 inch B V4"},// 40
};

复制代码

注意看后面注释，o 字母对应的是 "4.2 inch b" 型号墨水屏。
里面的参数分别对应：初始化屏幕函数指针、发送黑白色到屏幕的函数指针、切换红白色命令码、发送红白色到屏幕的函数指针、显示内容的函数指针、字符串说明。

二、接收数据--传送数据大小
iodaLOAD
当识别到“LOAD”字母时，那么前面四个字节，就是本次传送数据的大小。
特别注意：微雪的十六进制数跟网络传送字符转换：以“a”或“A”为偏移数，两个字节的 hex 组成实际对应一个字节数。
如：ioda 转为 ascii 码后分别减去 'a' 得到的 hex 为：'i'-'a'=105-97=8，'o'-'a'=111-97=14='e'，'d'-'a'=100-97=3，'a'-'a'=97-97=0
最后为：8e 30
我们可以数一下 POST 后面，正好有 1000 个 'a'，转为 16 进制为 0x03e8
那么可以看出，微雪的十六进制规则是：第一字节减去 'a' 后得到的数是实际数一个字节低四位，第二字节减去 'a' 后得到的数是实际数一个字节高四位。小端，低地址在前，高地址在后。

三、接收数据--传送数据内容
以三色条示例，400x300 分辨率，黑白红各占 400x100 个像素点，黑色和红色实际都为 bit 0，白色为 bit 1，只是黑白和红白分别记录在两个不同的内存中。
把微雪的网页文件，放在 C:/http/ 内，安装 python 3 以上的版本，建立一个简单的服务器，输入命令行：
python -m http.server 80 --directory c:/http/

浏览器打开网页：127.0.0.1 可以得到微雪转换图片的网页，修改好网页内本机的 IP 、选择好墨水屏型号、选择图片、转换图片为想要的效果
点击上载数据。

看回命令行返回的数据，每种颜色正好发 10 次，每次 1000 字节：
分析2.png

黑色是 400x100 = 40000 像素，而正常来说 1bit = 1 像素，那么黑色实际需要 40000/8 = 5000 字节。
而接收的数据有 1000x10= 10000 字节，这么算起来，两个字节对应实际的一个字节。
这里又是以 'a' 为基础的 hex 数据流，变为正常的 hex，那么有 10000 个 0，对应实际 5000 个字节的 0x00，代表黑白屏的全屏 1/3 黑色。
10次 1000 字节 'a' 后，接着是 20 次 1000 字节的 'p'，转为 hex 是 20000 个 'f'，对应实际 10000 个字节的 0xff，代表黑白屏的全屏 2/3 白色。

分析3.png

发送完黑白屏数据后，接着发红白屏数据。
检查到有 'NEXT' 标志后，就应该发送转屏码到墨水屏了，黑白屏命令码为 0x10，转为红白屏命令码为 0x13。
转为红白屏后，对应的写入墨水屏的对应函数也许会一样，也许会不同，具体看屏型号了。
再看看发送的数据，首先是 20 次 1000 字节的 'p'，再接着 10 次 1000 字节的 'a'。
跟前面差不多，红白屏前 2/3 数据是 0xFF 代表白色，后 1/3 是 0x00 代表红色。

分析4.png

最后，检测到 ’SHOW' 则显示数据。

微雪的js网页图片转换.zip (7.1 KB, 下载次数: 5)

abcrazy · 发表于 2022-6-5 10:00:19

本帖最后由 abcrazy 于 2022-6-5 11:10 编辑

第三部分：微雪 ESP8266 / ESP32 开发板 JS 网页算法分析
微雪图片处理只有 2 种算法：色阶法、抖动法。
色阶法非常简单容易理解，稍微看一下代码，并结合百度介绍原理，很快明白如何操作。
这里只说说微雪的抖动法如何实现。抖动原理也不是很难理解，关键是在 MCU 里面实现，需要面对 2 个问题：
第一个问题是内存，抖动算法至少需要 2 行 RGB 屏宽空间，如：400x300 的墨水屏，则至少需要 400 x 2 x 3 = 2400 字节内存。这里是抛开解码 JPG 、PNG、BMP 图片需要的最少内存。
第二个问题是精度，抖动算法是先算出当前像素原色与目标颜色的误差，再将此误差分成 16 份按 3 : 5 : 1 : 7 的比例累加到附近的像素点。我们需要显示的点是 unsigned char 类型，算法需要 float 类型，最后需要 float 类型转换为 unsigned char 类型，负数和大于 255 的数怎么处理？如果如果不注意这点，显示的结果会不尽人意。
算法1.png

一、准备工具：谷歌浏览器、微雪 JS 网页（2楼附件）
操作步骤：
1.双击【index.html】文件。
2.谷歌浏览器右上角【...】 --> 【更多工具】 --> 【开发者工具】 --> 【Sources】 --> 【ScriptC.js】 --> 点击行号 55 放置断点。
3.选择图片、墨水屏类型、抖动算法，即可在断点处停止。
算法2.png

var aInd=0;
var bInd=1;
var errArr=new Array(2);
errArr[0]=new Array(dW);
errArr[1]=new Array(dW);
for (var i=0;i<dW;i++)
errArr[bInd][i]=[0,0,0];
for (var j=0;j<dH;j++){
var y=dY+j;
if ((y<0)||(y>=sH)){
for (var i=0;i<dW;i++,index+=4)setVal(pDst,index,(i+j)%2==0?1:0);
continue;
}
aInd=((bInd=aInd)+1)&1;
for (var i=0;i<dW;i++)errArr[bInd][i]=[0,0,0];
for (var i=0;i<dW;i++){
var x=dX+i;
if ((x<0)||(x>=sW)){
setVal(pDst,index,(i+j)%2==0?1:0);
index+=4;
continue;
}
var pos=(y*sW+x)*4;
var old=errArr[aInd][i];
var r=pSrc.data[pos ]+old[0];
var g=pSrc.data[pos+1]+old[1];
var b=pSrc.data[pos+2]+old[2];
var colVal = curPal[getNear(r,g,b)];
pDst.data[index++]=colVal[0];
pDst.data[index++]=colVal[1];
pDst.data[index++]=colVal[2];
pDst.data[index++]=255;
r=(r-colVal[0]);
g=(g-colVal[1]);
b=(b-colVal[2]);
if (i==0){
errArr[bInd][i ]=addVal(errArr[bInd][i ],r,g,b,7.0);
errArr[bInd][i+1]=addVal(errArr[bInd][i+1],r,g,b,2.0);
errArr[aInd][i+1]=addVal(errArr[aInd][i+1],r,g,b,7.0);
}else if (i==dW-1){
errArr[bInd][i-1]=addVal(errArr[bInd][i-1],r,g,b,7.0);
errArr[bInd][i ]=addVal(errArr[bInd][i ],r,g,b,9.0);
}else{
errArr[bInd][i-1]=addVal(errArr[bInd][i-1],r,g,b,3.0);
errArr[bInd][i ]=addVal(errArr[bInd][i ],r,g,b,5.0);
errArr[bInd][i+1]=addVal(errArr[bInd][i+1],r,g,b,1.0);
errArr[aInd][i+1]=addVal(errArr[aInd][i+1],r,g,b,7.0);
}
}
}

复制代码

二、要点：1. 申请 2 行宽度的 RGBA 空间 errArr[2][dW][4]，并全部置 0。dW 是宽度 400 像素，每个像素点是 4 字节，红绿蓝+透明度通道。
2. 在 for 循环中 aInd 永远代表当前的像素点所在行，bInd 则代表当前像素点所在行的下一行。
3. errArr 保存着当前行和下一行需要累加的值（全部都没有加上原色，循环到当前像素再加原色。跟网上其它资料计算步骤不一样）

三、基本流程：
原色：
var pos=(y*sW+x)*4;
pSrc.data[pos  ]

当前像素点对应累加值：
var old=errArr[aInd];

显示前的颜色值：
var r=pSrc.data[pos  ]+old[0];
var g=pSrc.data[pos+1]+old[1];
var b=pSrc.data[pos+2]+old[2];

上一步的颜色值，用色阶法，得到最接近的 黑、白、红 值，即目标值：
var colVal = curPal[getNear(r,g,b)];
目标值填充到最终输出的数据当中，注意输出是 RGBA 带透明度通道：
pDst.data[index++]=colVal[0];
pDst.data[index++]=colVal[1];
pDst.data[index++]=colVal[2];
pDst.data[index++]=255;

误差值=原色-目标色
r=(r-colVal[0]);
g=(g-colVal[1]);
b=(b-colVal[2]);

误差分成 16 份按 3 : 5 : 1 : 7 的比例累加到附近的像素点：
aInd 代表当前像素点所在行；
bInd 代表当前像素点所在行的下一行；
errArr[bInd][i-1]=addVal(errArr[bInd][i-1],r,g,b,3.0);
errArr[bInd][i  ]=addVal(errArr[bInd][i  ],r,g,b,5.0);
errArr[bInd][i+1]=addVal(errArr[bInd][i+1],r,g,b,1.0);
errArr[aInd][i+1]=addVal(errArr[aInd][i+1],r,g,b,7.0);

当前像素点为每行的第一个时，附近只有三个点，比例改为 7 : 2 : 7
errArr[bInd][i  ]=addVal(errArr[bInd][i  ],r,g,b,7.0);
errArr[bInd][i+1]=addVal(errArr[bInd][i+1],r,g,b,2.0);
errArr[aInd][i+1]=addVal(errArr[aInd][i+1],r,g,b,7.0);

当前像素点为每行的最后一个时，附近只有两个点，比例改为 7 : 9
errArr[bInd][i-1]=addVal(errArr[bInd][i-1],r,g,b,7.0);
errArr[bInd][i  ]=addVal(errArr[bInd][i  ],r,g,b,9.0);

最后注意一点，微雪官方修改了抖动算法分 16 份的比例为 32 份，不明白其中的玄机。

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微雪的墨水屏数据收发、黑白红三色图片抖动算法浅析

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