2013年06月13日

Arduino Due+DueVGAライブラリでFONTX2形式日本語を画面表示するモジュールを作成

Arduino Dueボードを使用して、VGAモニターやコンポジットビデオ出力に対して出力を行うDueVGAライブラリを実験します。また、DueVGAとの組み合わせで日本語表示を自在に行うライブラリをを作成してみました。本記事はその実験をしてみた記録になります。

IMG_20130613_234551resized.jpg
Arduino Dueは、その他のArduinoとは異なり、ATMEL社のARM Cortex-M3コアのマイコンボードで、高速な処理速度と、大容量ROM/RAMを搭載しています。
このArduino Dueには、映像出力は搭載していないのですが、DueVGAというライブラリを使用することで、VGAモノクロ、VGAカラー、コンポジットビデオ出力NTSC/PALを 出力する事ができます。

https://github.com/stimmer/DueVGA/

モノクロVGAは、白黒2値出力ですが、800×600の解像度まで対応します。カラーVGAは、320×240です。
また、コンポジットビデオ出力の場合、NTSCは320×200、PALは320×240となります。
出力信号はDMACやシリアルI/Oその他ATSAM3Xの持つハード機能を巧みに組み合わせて作成されてるようです。

今回は、VGA出力のモノクロとカラーを試してみたいと思います。モノクロの場合、VGAコネクタ1個、100Ω抵抗一本、各種線材を以下の図のように接続するだけで、簡単に
モニター出力を得ることができます。
DueVGA_Connection.png
カラーVGAの場合は、以下のように接続します(README.txtより引用)
全て繋ぐのが面倒であれば、R、G、Bのそれぞれ1本だけ、一番抵抗値の小さいものを繋げば8色カラーになります。
For VGA colour:
---------------
Upload File->Examples->VGA->HelloWorldColour
Connect Due to monitor as follows:

Due pin 34 -> 820R resistor -> VGA pin 3 (blue)
Due pin 35 -> 390R resistor -> VGA pin 3 (blue)

Due pin 36 -> 2k2 resistor -> VGA pin 2 (green)
Due pin 37 -> 1k resistor -> VGA pin 2 (green)
Due pin 38 -> 470R resistor -> VGA pin 2 (green)

Due pin 39 -> 2k2 resistor -> VGA pin 1 (red)
Due pin 40 -> 1k resistor -> VGA pin 1 (red)
Due pin 41 -> 470R resistor -> VGA pin 1(red)

Due pin 42 -> VGA pin 14 (VSync)
Due pin 43 -> VGA pin 13 (HSync)

Due pin GND -> VGA pins 5,6,7,8,10

コンポジットビデオ出力の場合、以下のように接続します。実は、僕もNTSC出力を試したのですが、手持ちのモニターではNTSCの色情報をきちんと認識
しなかったのでテストはあまりしていません。

For NTSC/PAL:
-------------
Upload File->Examples->VGA->DrawingTestNTSC (or DrawingTestPAL)
Connect Due to TV as follows:

Due pin 36 -> 3k3  resistor -> Video In
Due pin 37 -> 1k6  resistor -> Video In
Due pin 38 -> 820R resistor -> Video In
Due pin 39 -> 390R resistor -> Video In
Due pin 40 -> 200R resistor -> Video In
Due pin 41 -> 100R resistor -> Video In

Due pin GND -> Video GND


このDue VGAライブラリではプリミティブな描画機能(線描画や塗りつぶし矩形、アスキーコードのキャラ描画など)を持つAPIを提供してくれていて、以下のようなスケッチを
実行するだけで簡単に画面描画出来ます。
ここに、日本語文字列表示のライブラリを追加してみることにしました!

日本語文字の表示は、僕が昔書いていた、本サイトの前身?であるProject C3というところで取り上げた、「H8とノリタケ伊勢電子(株)のドットマトリクスVFDで、ビットマップ描画と漢字を取り扱う」
という記事のコードを掘り起こしました。
http://hp.vector.co.jp/authors/VA007110/technicalworkshop/vfd_bitmap_japanese/index.html

ここでは、FONTX2形式を使用します。FONTX2形式についても、昔僕が書いていたサイトのリンクを置くことで省略します^^;
http://hp.vector.co.jp/authors/VA007110/technicalworkshop/fontxstudy/index.html
# しかしもう8年前なのか〜。。。

このライブラリを使用して文字列描画を行うライブラリが、Arduinoライブラリ「DrawFont」という、今回作成したライブラリです。
FONTX2形式は、上記のURLにも記した通り、シフトJISエンコーディングのデータ形式です。Arduino IDEのソースコードは、UTF-8です。
従ってUTF-8からShift-JISへの変換をしなければいけません。

調べると、日本語の表現範囲であれば、UTF-8をUTF-16にすることで2バイトにおさまります。このUTF16とJISとの変換表の改良版というのを、以下のURLで公開されていましたので、頂きました。
http://hp.vector.co.jp/authors/VA010341/unicode/
この変換表の約7000文字分のデータを効率よく省資源マイコンで活用するには、圧縮したり、ハッシュテーブル化するなど、工夫はいろいろ出来そうですが、今回は、Arduino DueがROM 512KBもあり、16×16のフォント(210Kバイト程度)を入れてもまだまだ空きは一杯あるので、完全にベタの変換配列を用意しました!
(と、かっこ良く言ってみましたが、工夫を何もしてないだけです。。。笑)
変換表から、配列への出力は、以下に貼りつけたRubyスクリプト「convert_utftable.rb」で行なってます(後述のgithubリポジトリ内にも入れてあります)。


convert_utftable.rb
# table converter
# coded by Yasuhiro ISHII,6/13/2013

file = "JIS_X_0208.txt"

table = Hash::new

f = File::open(file,"r")
while (l = f.gets)
  if l =~ /^0x([0-9A-F]{4}).0x([0-9A-F]{4})\r\n$/ then
    code_jis = $1.hex
    code_utf16 = $2.hex
    table[code_utf16] = code_jis
  end
end

f.close

(0..65535).each { |utf16|
  if table.has_key?(utf16) == true then
    printf("\t0x%04X,\t\t// 0x%04X\n",table[utf16],utf16)
  else
    printf("\t0x0000,\t\t// 0x%04X (dummy)\n",utf16)
  end
}

と、いうわけで、以下のようなスケッチで直接日本語表示をVGAモニターに行えるようになりました。
ライブラリは以下のgithubで公開しています。Arduino 1.5.2+Due VGAライブラリの組み合わせで動作確認済みです。

Arduinoライブラリ DrawLibのソースコード全体は、以下に置いています。
https://github.com/yishii/Arduino_FONTX2Lib_DrawFont

ライブラリ内に、8*16のASCIIフォントと、16*16の漢字フォントを盛り込んでいます。
ASCIIフォントは、以下のサイトにある、IPAフォントをベースとしたものを利用させて頂きました。
また、漢字については、16x16の東雲フォントを盛り込んでいます。

以下、Arduinoスケッチ例です。Arduinoライブラリディレクトリに、Due VGAライブラリと、先ほど説明したDrawFontライブラリを入れておけば、ビルド出来ます。

ちなみに、Arduino Dueは2つのUSBポートを搭載しています。(Programming PortとNative USB Port)
本スケッチのサイズは大きいので、Native USB Portを使用したほうが遥かに高速に書き換えできます!

#include <stdio.h>
#include <VGA.h>
#include <DrawFont.h>

#define LINE_CONV(x) (x*16)
void setup() {
  VGA.begin(800,600);
  Serial.begin(9600);
  drawFontInit();

  drawFontString_UTF8((unsigned char*)"Arduino VGAライブラリと、自作日本語フォントライブラリのテスト",0,LINE_CONV(2),1,0,false);
  drawFontString_UTF8((unsigned char*)"=============================================================",0,LINE_CONV(3),1,0,false);

  drawFontString_UTF8((unsigned char*)"本日は晴天なり!!!  E-mail : ishii.yasuhiro@gmail.com",0,LINE_CONV(6),1,0,false);
  drawFontString_UTF8((unsigned char*)"日本語の漢字データは、FONTX2形式でROM内に保持しています。",0,LINE_CONV(7),1,0,false);
  drawFontString_UTF8((unsigned char*)"Arduino IDEのUTF-8を変換して表示しています。",0,LINE_CONV(8),1,0,false);
}

void loop() {
  char string[64];
  static int i;
  
  sprintf(string,"カウント値 = %04d    ",i++);
  drawFontString_UTF8((unsigned char*)string,0,LINE_CONV(15),1,0,true);
  
}
ではではー!
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