使用 MicroPython 开发板读取自定义中文字库并显示

Walkline

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<div class='showpostmsg'><i class="pstatus"> 本帖最后由 Walkline 于 2021-9-5 00:10 编辑 </i>

<h1 align="center">MicroPython New FontLib</h1>

### 项目介绍

使用`MicroPython 开发板`读取自定义字库并显示

### 获取完整项目

因为项目中使用了子模块 [FontMaker Client](https://gitee.com/walkline/fontmaker-client.git) 的`binary`分支 和 [OLED Research](https://gitee.com/walkline/oled-research.git)，所以要获取完整项目代码需要如下操作

#### 克隆方式

```bash
$ git clone --recursive https://gitee.com/walkline/micropython-new-fontlib.git
```

#### 下载压缩文件方式

或者克隆时未使用`--recursive`参数的，使用如下代码更新子模块

```bash
$ cd micropython-new-fontlib
$ git submodule update --init --recursive
```

### 如何使用和测试

#### 生成字库文件

直接运行

```bash
$ client/youyuan_16.cmd
```

会生成一个`combined.bin`文件，字库文件信息如下

| 参数 | 数值 | 说明 |
| :-: | :-: | :-: |
| 字体 | 幼圆 |  |
| 字号 | 16 | 像素 |
| 字重 | 普通 | 不加粗、不斜体、无下划线 |
| 字符宽度 | 固定 |  |
| 宽度 | 16 | 像素 |
| 高度 | 16 | 像素 |
| 水平偏移 | 0 | 像素 |
| 垂直偏移 | 0 | 像素 |
| 扫描方式 | 垂直扫描 | |
| 字节顺序 | 低位在前 |  |

#### 使用电脑测试

直接运行

```bash
$ python fontlib.py
```

会显示相关信息，包括：

* 字库信息
* 获取的字模数据
* 字模打印预览

完整输出内容如下

```docs
HZK Info: .//client/combined.bin
    file size : 303520
  font height : 16
    data size : 32
    scan mode : Horizontal
   byte order : LSB
   characters : 8932

！: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x08\x00\x0c\x00\x08\x00\x08\x00\x08\x00\x08\x00\x08\x00\x08\x00\x08\x00\x00\x00\x08\x00\x08\x00\x00\x00'

☆: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x80\x01\x80\x01\x80\x01@\x02@~? \x04\x10\x08\x0c\x10\x08\x10\x08\x90\x0bH\x148\x18\x08'

⒉: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x07\xc0\x08@\x00@\x00@\x00@\x00\x80\x01\x00\x01\x00\x02\x00\x04\x00\x0c\x08\x0f\xcc\x00\x00'

，: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00p\x000\x00 \x00'

我: b'\x00\x00\x00@\x07PxH\x08D\x08D\x7f\xfe\x08D\x08D\t(\x0e0x0\x080\x08R\t\x8ax\x06'

ㄘ: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x01\x00\x01\x80\x00\x80\x01\x00\x03\xf0\x1d\x00\x01\x00\x02\xe0\x03`\x00@\x00\x80\x00\x00\x00\x00'

■: b'\x00\x00\x00\x00\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff\x7f\xff'

Ｂ: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x07\xf0\x060\x068\x060\x06p\x07\xf0\x06\x18\x06\x18\x06\x18\x07\xf0\x00\x00\x00\x00'

中: b'\x00\x00\x01\x00\x01\x00\x01\x00?\xfc!\x04!\x04!\x04!\x04!\x04!\x04?\xfc\x01\x00\x01\x00\x01\x00\x01\x00'

爱: b'\x00\x00\x00\x00?\xf8\x11\x10\t\x10?\xfcD\x02B\x02\x1f\xf8\x04\x00\x07\xf8\x0e\x08\x13\x10 \xe0\x01\xe0\x1e\x1e'

β: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x01\xe0\x01\x10\x030\x02 \x02\xc0\x02`\x06 \x04 \x04`\x04`\x07\xc0\x0c\x00\x08\x00'

あ: b"\x00\x00\x00\x00\x03\x00\x03\x00\x02\xc0\x1f\x80\x02\x00\x06\x80\x07\xf0\x0c\x98\x15\x0c'\x0c&\x0c/\x088\x10\x01\xe0"

H: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\xe7\x00B\x00B\x00B\x00B\x00~\x00B\x00B\x00B\x00B\x00\xe7\x00\x00\x00\x00\x00'

华: b'\x00\x00\x00\x00\x08@\x08H\x18p(\xc0+BHB\x08~\x01\x00\x01\x00\x7f\xfe\x01\x00\x01\x00\x01\x00\x01\x00'

ǚ: b"\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x14\x00\x08\x004\x00C\x00C\x00C\x00C\x00C\x00C\x00'\x00\x18\x00\x00\x00"

e: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00<\x00B\x00~\x00@\x00@\x00B\x00<\x00\x00\x00\x00\x00'

l: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00p\x00\x10\x00\x10\x00\x10\x00\x10\x00\x10\x00\x10\x00\x10\x00\x10\x00\x10\x00|\x00\x00\x00\x00\x00'

o: b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00<\x00B\x00B\x00B\x00B\x00B\x00<\x00\x00\x00\x00\x00'

⑴: b'\x00\x00\x00\x00\x08\x00\x10\x08!\x84 \x82@\x82@\x83@\x81@\x81@\x81@\x82 \x82 \x84\x13\xc4\x10\x08'
```

<ignore_js_op>

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_561324_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>preview.png</strong> <em class="xg1">(42.25 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_561324" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=561324&handlekey=savephoto_561324">保存到相册</a>

</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

#### 使用开发板测试 1

推荐使用 [AMPY Batch Tool](https://gitee.com/walkline/a-batch-tool) (`ab`工具) 进行文件上传和调试操作

```bahs
# 上传文件
$ ab

# 进入 repl 模式
$ ab --repl

# 运行开发板上的文件
# 使用快捷键 Ctrl-T
>>>
Run onboard file
    [1] /boot.py
    [2] /drivers/ssd1306.py
    [3] /fontlib.py
Choose a file: 3
>>>

# 在开发板上运行本地文件
# 使用快捷键 Ctrl-R
>>> Run local file
    [1] fontlib.py
    [2] drivers\ssd1306.py
Choose a file: 1
>>>
```

#### 使用开发板测试 2

这是把`fontlib.py`文件中非`MicroPython`代码精简掉，并编译为字节码再运行测试的方法

```bash
# 上传文件
$ ab abconfig-mpy
```

因为上传文件中已经包含了`main.py`，所以直接复位就可以看到效果了

### 使用图标字体生成字库

方法参见 [使用图标字体生成字库](./ICONFONT.md)

### 关于速度

> 以当前字库文件举例：
> * 文件名：`combined.bin`
> * 文件大小：`303,520`字节
> * `GB2312`索引表大小：`17,672`字节
> * 点阵大小：`16x16`像素
> * 字符数据大小：`32`字节
> * 字符总数：`8932`个（包含`ASCII`和`GB2312`）

* 实例化`FontLib`时打开字库文件，读取文件头信息，大约 12 ms
* 同时读取`?`的字符数据作为占位符，大约 5 ms
* 打印字库信息，大约 39 ms（简直无语，建议实际使用时不要打印）
* 检索字符数据前再次打开字库文件，大约 12 ms
* 检索字符数据，每字符大约 12 ms
* 字符数据使用`Dict`存储，字符`Unicode`值作为关键字，取值耗时可以忽略
* 显示字符耗时未统计

### 关于提速

决定显示速度的因素有两方面：

* 从字库中读取指定字符的字模数据
* 在 oled 中显示

显示部分，`MicroPython`已经提供了`SSD1306`驱动，使用`FrameBuffer`进行数据管理，我相信官方的实力，所以显示部分的速度假设已经没有提升空间了

数据部分，最开始的思路就是“完成功能”，所以在读取的时候是这个流程：

1. 打开字库文件
2. 取一个字符
3. `分段`查找字符在`索引表`中的偏移量
4. `定位`到偏移量读取字模数据
5. 从第`2`步开始循环，直到读取所有字符数据

> `分段`的意思是：在`Python`中打开文件，它不提供查找功能，需要先读取文件内容再进行查找，对于开发板来说，一次性读取全部文件肯定会导致`内存溢出`，所以需要分段读取一段合理长度的数据再进行查找，在查找到之前就需要不停的分段读取

这个方法的问题在于，每个字符都要从`索引表`的开始位置进行查找，比较浪费

提速的思路就是，在每次`分段`读取数据的时候查找所有字符，减少`分段`次数

继续查找资料，有人说使用`read`代替`seek`可以提高`定位`的效率，在电脑上进行了简单测试，300M 的文件使用`read`比`seek`快大约`0.2 ms`，但是这个方法有个致命问题，虽然`read`读取到的数据并不使用，但也会分配内存空间，在开发板上运行的结果就是，更慢了

对比一下三种方式的读取速度（毫秒）

字库文件信息：
* 文件大小：500024 字节
* 字符总数：8932 个
* 数据大小：54 字节

| | 原方法 | 新方法（seek） | 新方法（read） |
| :-: | :-: | :-: | :-: |
| 打开字库 | 27.51 | 26.22 | 61.21 |

| 字符数 | 原方法 | 新方法（seek） | 新方法（read） |
| :-: | :-: | :-: | :-: |
| 240 | 13.09 | 6.50 | 159.28 |
| 227 | 16.05 | 8.22 | / |
| 767 | 内存溢出 | 内存溢出 | / |

> 注：统计结果为**平均时间**

这里的字符数是包含了重复字符的总数，实际获取数据时是要去重的

读取速度还与字符在`索引表`中的相对位置有关，相对位置靠前的字符当然能更快被找到，反之则更慢

一次性读取太多的数据也会导致`内存溢出`，所以在实际使用时不建议一次性读取太多

手动调用垃圾回收（gc.collect()）的时机一定要掌握好，并不是任何时候手动调用都能起到预期的作用，有时还会起到反作用

对于能够自动回收的，如函数内部的变量，可以省去手动调用的操作

> 统计运行时间使用的装饰器

```python
from utime import ticks_us, ticks_diff

def cal_time(fn):
    def wrapper(*args,**kwargs):
        starTime = ticks_us()
        f = fn(*args,**kwargs)
        print('%s() runtime: %s ms' % (fn.__name__, ticks_diff(ticks_us(), starTime) / 1000))
        return f
    return wrapper
```

### 关于测速

又增加了一个单独测速的文件`fontlib_test.py`，发现一个现象，虽然知道和缓存有关，但是具体怎么实现的并不了解

这里测速使用了两个方法

* 一次获取所有字符的字模数据
* 分段获取所有字符的字模数据

单独测试这两种方法，得到的结果如下

```docs
### method: load all
### 240 chars, get 111 chars: 1145.765 ms, avg: 10.32221 ms
```

```docs
### method separated
### 0 get 18 chars: 201.403 ms, avg: 11.18906 ms
...
### 9 get 22 chars: 169.531 ms, avg: 7.705955 ms
### 240 chars, get 197 chars: 1760.472 ms, avg: 9.978033 ms
```

但是同时测试两种方法的结果却是这样的

```docs
### method: load all
### 240 chars, get 111 chars: 1145.765 ms, avg: 10.32221 ms

### method separated
### 0 get 18 chars: 110.468 ms, avg: 6.137111 ms
...
### 9 get 22 chars: 125.306 ms, avg: 5.695727 ms
### 240 chars, get 197 chars: 1170.494 ms, avg: 6.635651 ms
```

调换顺序的结果也是类似

```docs
### method separated
### 0 get 18 chars: 201.403 ms, avg: 11.18906 ms
...
### 9 get 22 chars: 169.531 ms, avg: 7.705955 ms
### 240 chars, get 197 chars: 1760.472 ms, avg: 9.978033 ms

### method: load all
### 240 chars, get 111 chars: 565.726 ms, avg: 5.096631 ms
```

结论就是，不管是一次性还是分段，只要提前获取了所有字符的字模数据，下次再获取的时候速度就会快很多，不过显然这种提速并没有实际意义

### 合作交流

* 联系邮箱：<walkline@163.com>
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					}		</script><script type="text/javascript">(function(d,c){var a=d.createElement("script"),m=d.getElementsByTagName("script")[0],eewurl="//counter.eeworld.com.cn/pv/count/";a.src=eewurl+c;m.parentNode.insertBefore(a,m)})(document,523)</script>

Jacktang

提前获取所有字符的字模数据，所以下次再获取的时候速度就会快很多，是这样

Walkline

Jacktang 发表于 2021-9-5 21:31 提前获取所有字符的字模数据，所以下次再获取的时候速度就会快很多，是这样

没意义，既然已经获取了所有字模又何必再次获取，只有测试的意义

使用 MicroPython 开发板读取自定义中文字库并显示 [复制链接]

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