（计算机系统结构专业论文）基于类纸阅读的图形界面平台实现与优化研究.pdf

中图分类号： u d c ： 1 占399 丁l 学校代码： 1 0 0 5 5 密级： 公开 高蕊犬淫 硕士学位论文 基于类纸阅读的图形界面平台实现与优化研究 i m p l e m e n t a t i o na n do p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho f g u ip l a t f o r mf o r p a p e r l i k er e a d i n g 答辩委员会主席 评阅人 南开大学研究生院 二。一。年五月 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关丁二研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士，硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论 文( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位 论文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可 以将公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目 录检索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开 大学向教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息 研究所和中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相 应学位论文数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论 文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署式两份，由研究生院和图j 体馆留存。 作者暨授权人签字：白振轩 2 0 1 0 年0 6 月0 2 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 基于类纸阅读的图形界面平台实现与优化研究 姓名白振轩学号 2 1 2 0 0 7 0 2 8 7 答辩日期2 0 1 0 年5 月3 0 日 论文类别博士口学历硕士硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所信息技术科学学院专业计算机系统结构 联系电话 1 3 9 2 0 2 1 0 7 9 6e m a i l b a i z h e n x u a n g m a i l c o m 通信地址( 邮编) ：大津市南开大学伯苓楼中区3 0 4 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开人学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：白振轩2 0 1 0 年0 6 月0 2 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级口限制( 2 年)口秘密( 10 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于l o 年) 摘要 摘要 随着电子书阅读器市场的成熟，电子书阅读器的功能也越来越强大，拥有 了像w i f i ，3 g 这样的高速网络通讯工具，因此要求各种各样的网络应用程序， 像浏览器，邮件客户端等基础网络应用程序，并且对于应用程序软件开发速度 也提出了非常高的要求。传统的像n a n o x 一样的精致小巧的图形用户界面 ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，简称g u i ) 系统虽然高效，但是已经很难满足现在以 网络动态交互性阅读和本地静态阅读齐头并进的发展需求，同时应用软件的开 发速度也很难满足，因此迫切需要一个能够满足以上需求的g u i 系统平台。 本文在对各种g u i 平台进行对比以后，重点研究了q t 图形界面平台。q t 具有完善的g u i 框架，丰富的图形控件a p i 接口，完整的网络a p i ，以及基本 上完整的通用浏览器开发库，同时设计良好的架构对于加快应用程序开发进度 大有裨益。 结合电子纸的特点，以及电子阅读的需要，本文深入研究分析了q t 的特 点，做了大量针对性的改进。具体而言主要工作有两个方面： 首先，在现有q t 架构的基础上，结合实际问题进行改进。提出了基于定 时器的延时合并刷新机制，大大减少了刷屏的次数，对于提高电子纸屏幕的寿 命以及节省电量都有很大好处。同时解决了手写，快速屏幕键盘输入等问题， 使得非常适合开发以静态阅读为主的电子书阅读器上的应用程序。 其次，针对目前市场上流行的多点触摸，创新性地在兼容通用鼠标设备的 情况下，支持了多点触摸设备。同时实现了流行的多种手势识别算法，这些手 势通过事件形式通知应用程序。多点触摸，可以提供更好的用户阅读体验，使 用户的操作更加自然、流畅。 t 以上工作通过在某款手持阅读器上的实验验证，证明了本文提出的改进工 作的有效性以及多点触摸架构的可行性。 关键字：电子纸o t 平台延时刷屏多点触摸 a b s t r a c t ab s t r a c t a st h ee - r e a d e rm a r k e tb e c o m e sm a t u r e ，i ti sa l s om o r ep o w e r f u la n dh a ss o m e c o m m u n i c a t i o nt o o l sf o rh i g l ls p e e dn e t w o r k ss u c ha sw i f i ，3 c tt h u si tr e q u i r e sa v a r i e t yo fn e t w o r ka p p l i c a t i o n s ，s u c ha sw e bb r o w s e r , m a i lc l i e n t ，a n dp r o p o s e sh i g h r e q u i r e m e n t s f o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n ts p e e d t h et r a d i t i o n a lg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ( r e f e r r e dt oa sg u i ) s y s t e ms u c ha sn a n o x ，h a sb e e nd i m c u l tt os a t i s f y t h ed y n a m i ci n t e r a c t i v eo n l i n er e a d i n ga n dt h el o c a ls t a t i cr e a d i n gg oh a n di nh a n d i i lt h ed e v e l o p m e n t t h e r ei sa nu r g e n tn e e df o r t h eg u is y s t e mp l a t f o r mt h a ti sa b l e t om e e tt h e s en e e d s i nt h i sp a p e r , a f t e rt h ec o m p a r i s o no ft h ev a r i o u sg u ip l a t f o r m s ，q ti sc h o s e n q tg u if r a m e w o r kh a sr i c ha p i ，w h i l eag o o df r a m e w o r kg r e a t l yb e n e f i t s t h e a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tp r o g r e s s c o n s i d e r i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o n i cp a p e ra n de l e c t r o n i cr e a d i n g r e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef e a t u r e so fq ti nd e e p ，a n dt h e no nt h i s b a s i s i m p r o v e sal o t i np a r t i c u l a r , t h e r ea r et w om a i na s p e c t s ： f i r s t l y , w i t ht h ea n a l y s i sb a s e do nt h eq tf r a m e w o r k ，t h i sp a p e rc o m b i n e sw i t h t h ep r a c t i c a lp r o b l e m st oi m p r o v eq t i tp r o p o s e sad e l a ym e r g e rr e f r e s hm e c h a n i s m b a s e do nt h et i m e r , t h u sg r e a t l yr e d u c e st h en u m b e ro fr e f r e s ht i m e s ，i m p r o v e st h e e l e c t r o n i cp a p e rl i f ea n ds a v e st h eb a t t e r yl i f es i g n i f i c a n t l y a tt h es a n l et i m ef o r h a n d w r i t t i n gp r o b l e m ，s c r e e nk e y b o a r di n p u tp r o b l e mi sr e s o l v e d ，w h i c hm a k e si t v e r ys u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to n t h ee r e a d e rd e v i c e s e c o n d l y , t h i sp a p e rm a k e sq ts u p p o r tm u l t i t o u c hd e v i c ea n di sc o m p a t i b l e w i t hg e n e r i cm o u s ed e v i c e m u l t i t o u c he v e n t sa r ea d d e dt ot h ee x i s t i n ge v e n t s y s t e mt oe n a b l eq tp r o g r a m m i n gm o d e ld o e sn o tc h a n g e m u l t i - t o u c hc a np r o v i d e a b e u e ru s e rr e a d i n ge x p e r i e n c ea n da l l o wu s e r st oo p e r a t em o r en a t u r a l l y ，s m o o t h l y a l lt h e s ew o r k sa r ev a l i d a t e do nae - r e a d e r ，w h i c hh a v es h o w nt h a tt h e e f f e c t i v e n e s so ft h eo p t i m i z a t i o nw o r ka n dt h ef e a s i b i l i t yo fm u l t i t o u c hm o d e l k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cp a p e rq t m u l t i t o u c h d e l a yr e f r e s h u 目录 目录 第一章绪论1 第一节研究背景1 1 1 1阅读的历史1 1 1 2电子书的历史2 1 1 3电子书的现状及趋势3 第二节相关技术研究。5 1 2 i 嵌入式系统现状和趋势。5 1 2 2 嵌入式图形用户界面。6 1 2 3 电子纸显示技术8 第三节论文组织结构9 第二章主流g u 平台研究1o 第一节n a n o x 1 0 第二节m i i l i g u i 1 1 第三节a n d r o i d 1 1 2 3 1改进的l i n u x 内核1 2 2 3 2高性能的j a v a 虚拟机1 2 2 3 3w e b k i t 开源浏览器引擎1 3 2 3 4功能完善1 3 2 3 5兼容性问题1 3 第四节q t e m b e d d e d 1 4 第五节g u i 系统的对比1 6 第三章q t z 分析及移植一17 第一节q t e 概述1 7 i i i 目录 3 1 1 q t 的信号与槽1 7 3 1 2 q t 的q o b j e c t 类1 8 3 1 3 q t 的开发工具l 8 第二节总体架构1 9 3 2 1服务器端功能2 0 3 2 2 q t e 服务器客户端的通信机制2 4 第三节q t e 的移植2 7 3 3 1 裁剪及交叉编译2 7 3 3 2 鼠标驱动的实现2 9 3 3 3 键盘驱动的实现3 0 3 3 4 屏幕驱动的实现3 l 第四章电子纸平台上的关键问题3 4 第一节电子纸控制器机制以及特点3 4 第二节静态阅读下的刷屏机制3 7 4 2 1 定时刷屏机制3 7 4 2 2应用层线程延时合并3 8 4 2 3 驱动层d e f e r l o 3 9 4 2 4应用层定时器延时合并4 0 4 2 5 各种机制的比较4 2 第三节控件类纸显示定制4 3 第四节手写输入问题4 3 第五节屏幕键盘快速输入问题4 5 4 5 1 客户端的扩展4 6 4 5 2 服务器的扩展4 6 第五章多点触摸方案设计4 8 第一节多点触摸概述4 8 第二节q t 框架下多点触摸模型的设计一4 9 i v 目录 第三节服务器端设计4 9 5 3 1 多点触摸设备接口5 0 5 3 2 触点的转换以及传递5 2 第四节客户端设计5 5 5 4 1 服务端事件提取5 5 5 4 2 服务端事件预处理5 6 5 4 3 坐标转换5 6 5 4 4客户端事件发送及处理5 7 第五节应用程序接口设计5 7 5 5 1用户接口5 8 5 5 2 用户接口的设计5 8 第六章实现与验证6 2 第一节浏览器应用程序6 2 6 1 1 w e b k i t 介绍6 2 6 1 2 q t w e b k i t 介绍6 2 6 1 3 浏览器6 3 第二节图片浏览器6 4 6 2 1 滑动翻页6 5 6 2 2 放缩6 5 6 2 3 旋转图片6 6 第七章总结与展望6 7 第一节总结6 7 第二节展望未来6 8 参考文献6 9 致谢7 1 v 目录 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果7 2 v i 第一章绪论 第一章绪论 阅读是人类社会独特的一种社会实践活动，阅读方式的发展也促进了人类 文明的进步。随着计算机与互联网技术的发展，出现了新型的阅读方式一电子 书，它与传统的纸质书籍相比拥有众多无与伦比的优点：大容量，便携，方便 检索等，这必然对传统的纸质书的阅读方式带来巨大冲击，成为新一代主流阅 读方式。 1 1 1 阅读的历史 第一节研究背景 阅读是人类社会所特有的一种社会活动和心理活动，其在人类文明的发展 过程中具有不可替代的作用。 阅读的发展依赖于信息承载介质和传播方式，两者之间紧密相关，又具有 一定的独立性。阅读最重要的信息承载介质到现在为止已经经历了最早的甲骨， 石碑等，到绢帛，竹简，到后来的纸张，再到现在的磁盘，光盘，闪存等。伴 随着承载介质的进步，传播方式也经历了雕刻，到手抄，印刷再到现在的互联 网传播方式。 每一次信息承载介质的变化，必然伴随新的传播方式的出现。如果传播方 式滞后于信息承载介质的发展，将会大大阻碍人类阅读的普及，比如纸张由蔡 伦发明于中国的东汉和帝元兴元年( 公元1 0 5 年) 【l 】，但是相当长一段时间内人 们只有采用手抄等传播方式，因此书籍是昂贵的，这必然阻碍阅读的发展。直 至毕异于北宋公元1 0 0 4 年发明了活字印刷术，才大大促进了书籍的普及，加速 了阅读的发展。 时至今日，计算机技术的进步使得数字图书的制作，创作都极其方便；存 储技术的进步让一个小小的u 盘可以存储成千上万本书籍；网络技术的飞速发 展，则让书籍的传播速度大大加快，获取书籍的成本越来越低，只需简单的点 击一下鼠标，就可以从远在万里之外的地方获取到对方的书籍。但是存储在磁 第一章绪论 盘，光盘，闪存上的书籍并不能为人们所直接读取，必须借助显示设备，电子 书正是在这样的背景下诞生了。 1 1 2 电子书的历史 电子书来源于英文单词e l e c t r o n i cb o o k ，是相对于传统的纸质书( p a p e r b o o k ) 而言的。相对于传统纸质书籍，电子书是一种革命性的产物，对人类文 明的发展必将产生深远的影响【2 j 。 电子书从出现至今已经有了几十年的发展历史，但是对电子书这一概念的 理解却有不小分歧，究竟是电子书指的是在网络上传播的或者在个人电脑存储 的d o c 或者p d f 格式的文档还是指的是类似p d a 这样的专用的电子书阅读设 备。这两种说法应该说没有谁对谁错的问题，这是电子书发展中不同历史阶段 所指不同所造成的。 从一定角度来讲，电子书的发展经历三个历史阶段 2 1 ： 第一代电子书，就是普通的计算机文件，是电子书的雏形。用户通过一定 的认证方式远程登录到服务器上存取图书。此种方式简单有效，但是最重要的 问题是缺乏版权保护机制，因此目前主要应用范围为公司的局域网内。 第二代电子书相对于第一代电子书而言，则采用了专用的存储格式，比如 像超星公司的p d g 文档，a d o b e 公司的p d f 文档，这些文档都需要专用的阅 读器才能进行阅读，并且都有一定的版权保护机制，其中尤以a d o b e 公司的p d f 文档最为典型，拥有非常完善的版权保护机制，并且保留了纸质书的板式，色 泽等特点，可以像普通书记一样阅读，批注，记笔记等，因此应用范围非常广 泛，是工业界的标准。但是这些阅读器软件之间相互不兼容，并且有许多只能 在p c 上甚至是只有w i n d o w s 操作系统上才能使用。 第三代电子书也是现在真正意义上的电子书，它是电子文档与阅读设备的 有机结合，是一种嵌入式系统，同时也是一种电子文化产品。它从外表上看和 书籍形似，重量比普通的书籍还轻巧，因此非常便携，可以随时随地阅读。同 时它具有相对封闭的体系，因此容易具有更加完善的版权保护体系。 第三代电子书也就是本文所指的电子书( 后面本文在不加所指的情况下电 子书均是指这种电子文档与阅读设备结合的电子书阅读器) 由于具有众多优点， 因此受到了众人的追捧。 2 第一章绪论 1 1 3 电子书的现状及趋势 即使是上一节讲到的第三代电子书也是在不断发展中，真正意义上的电子 书出现于1 9 9 8 年，这是由美国新媒体公司推出的“火箭书 ( r o c k e t b o o k ) ，它 外形与传统纸质书非常相似，用户通过将网上购买的书籍下载到一台专用的电 脑上，然后再将书籍同步到火箭书上，这样用户才能阅读。但是由于火箭书无 论是设备还是书籍格式都是自己专用的，无法兼容以前的电子书籍，因此成本 非常高，推广的阻力也非常大，这导致了此产品的失败p j 。 津科电子有限公司从2 0 0 0 年推出世界第一款阅读不耗电电子书以后，在 电子书领域不断取得进步，其于2 0 0 6 年推出了翰林电子书v 8 ，见图1 1 。翰林 电子书v 8 采用主副屏设计，主屏专注显示，副屏专注交互；采用自主研发的 w o l fo s 作为操作系统；还支持高达1 g 的s d m m c 扩展卡，可存储几百本电 子书籍；通用u s b 连接线与个人p c 进行通讯。另外，翰林电子书v 8 采用了 一种新型的电子墨水显示技术，也就是美国e i n k 公司( 现以为台湾的元太科 技所收购) 的电子纸，具有非常好的显示效果，这堪称电子书领域的创举，这 也导致了现在几乎所有的电子书产品都采用e i n k 公司的电子纸。同时除了支 持津科专有的w o l 文档格式以外，还支持直接阅读t x t , h t m l 等文档格式l 4 j ， 这也是电子书阅读器领域的又一创举，从封闭走向开放的代表。 图1 1 翰林电子+ 捧v 8 2 0 0 7 年1 2 月1 9 日，亚马逊公司推出了革命性的电子书产品一飚n d l e 【5 1 ， 3 第一章绪论 图1 2 左侧为k i n d l e ，在五个半小时之内被抢购一空，由于要购买的用户太多， 以至于直到2 0 0 8 年四月都一直难以购到一本k i n d l e 。它售价3 9 9 美元，有用 2 5 0 m 的内部存储空间，并且支持s d 卡扩展容量，和索尼阅读器一样采用的也 是e i n k 公司的电子纸显示屏。更重要的是它支持高速的s p r i n tn e x t e l 无线网 路，无须连接电脑，在6 0 秒之内可以下载完成一本电子图书，这无异是革命性 的突破，让用户可以随时随地下载购买图书，评论书籍，并且能够查阅其他人 对自己感兴趣的图书的评论。鉴于鼬n d l e 优秀的销售业绩，亚马逊于2 0 0 9 年2 月2 日推出了k i n d l e2 ( 图1 2 中间) ，k i n d l e2 是k i n d l el 的升级，具有更好 的1 6 级灰度的显示效果，拥有多大2 g 的内部存储容量，高达5 3 2 m 主频的 a r m 1 1 处理器，同时支持3 g ，e d g e ，g p r s 网络，不再局限于s p r i n tn e t w o r k ， 在文档格式上直接支持p d f 格式。 ； 薯 箩1 ： 7 ， 一， z ：善 j ：鼍 7 嚣7 ： ；：j ，二i 。黼；：，三； o 。j - j 图1 2 k i n d l e k i n d l e 对电子书产业带来的不仅仅是技术性的突破，用户更舒适更方便的 阅读，更重要的是一种全新的商业模式。由于亚马逊本身又是全球最大的网路 图书零售商，“k i n d l e + a m a z o n c o r n ”带来的是全新的图书，报纸，杂志订阅方 式。伴随着k i n d l e 的不断升级和a m a z o n c o r n 越来越多的电子书，k i n d l e 的商 业模式将越来越类似苹果公司的“i p o d + i t u n e s ”，电子书资源的丰富增加了 k i n d l e 的黏性，而k i n d l e 的便利性又反过来推动亚马逊电子图书的销售。 传统的图书发行模式一般是作者写书，然后交由出版社发行，出版社通过 零售商像新华书店等进行销售，几经周折才能到达读者手中，现在有了 k i n d l e + a m a z o n t o m ，一切将非常简单，作者只需将表明相关必须信息的w o r d 文档或者t x t 文档上传到亚马逊网站，在几分钟之后就是一本可以销售的电子 4 第一章绪论 图书，书籍的价格由作者确定，销售收入由作者和亚马逊四六分成，由此亚马 逊将图书发行出版，销售集于一身，免去了中间诸多环节，大大降低了成本。 正是这种先进的商业模式，使得亚马逊的k i n d l e 的销售量远远超过同类的 电子书产品，据国外媒体报道，亚马逊网创始人和c e o 杰夫贝佐斯( j e f f b e z o s ) 2 0 1 0 年1 月2 8 日接受采访时表示k i n d l e 电子书阅览器的用户已经超过 3 0 0 万，这比从第一台火箭电子书诞生至今其他品牌电子书的所有销售总和还 多。 亚马逊k i n d l e 的火爆让人们对于电子书的明天期望越来越高，也越来越看 好。由中国图书商报社与读吧网最近发布的2 0 0 9 - _ 2 0 1 0 年度中国电子图书 发展趋势报告显示，2 0 0 9 年中国电子图书读者总数为1 0 1 0 0 万人，突破亿人大 关，正是在这样的背景下，津科，汉王等蓄势已久，而像方正，华为，大唐这 样的重量级企业更是积极加入战斗【6 】，希望分的电子书市场的一杯羹。 正是在这样的形式下，电子书的个性化，网络化成为一种必然趋势，大多 要求同时支持3 g 网络和w i f i 网络。电子书成为巨大的图书市场的切入点，用 户可以随时阅读，购买自己喜欢的电子书，作者可以直接面对用户进行创作， 甚至是进行全新的交互性创作。 第二节相关技术研究 1 2 1 嵌入式系统现状和趋势 嵌入式系统不同于嵌入式产品，前者是一个宏观抽象的概念，而后者则是 具体的设备。对嵌入式系统的定义，至今学术界没有特别统一的说法。从外部 特征看，嵌入式系统可以被看成是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬 件可裁剪、适应应用系统功能、可靠性、体积、功耗等严格要求的专用计算机 系统。从内部性质看，嵌入式系统也可以总结为以提高对象体系智能性、控制 力和人机交互能力为目的、通过相互作用和内在指标评价的，嵌入到对象体系 中的计算机系统【8 】。 随着计算机相关技术的发展，嵌入式系统也在飞速前进，以嵌入式系统处 理器为例就可以看出，最初的嵌入式系统一般都采用8 位的单片机作为主控制 器，而现在最新的g o o g l en e x u so n e 处理器采用的是高达1 gh z 的a r m 内核 5 第一章绪论 处理器，同时还配有专用视频控制器。嵌入系统发展趋势主要在表现以下几个 方面： 1 嵌入式系统的复杂性越来越高，原来的控制器系统一般都是作为一个 弱终端出现，功能相对单一，现在一般都有专用的或者通用的操作系 统 2 半导体技术的发展导致集成度越来越高，s o c 已经成为一种主流趋势， 作为嵌入式处理器代表的a r m 处理器一般都集成了内存控制器，f l a s h 控制器，u s b 控制器，显示控制器，网络控制器等，高度集成减少了 系统的体积和功耗，提高了系统的可靠性和稳定性。 3 嵌入式操作系统越来越强大，越来越向通用操作系统靠拢。早期的嵌 入式操作系统功能比较单一，只有简单的任务调度，内存管理，文件 系统等基本功能。现在则几乎都具有丰富的图形界面，显示效果堪比 个人电脑，支持众多复杂外设，甚至可以直接使用打印机进行打印。 4 网络通讯方式多样化，早期一般都是采用r s 2 3 2 ，或者红外这样的低 速通信设备来进行通讯，现在则是百花齐放，蓝牙，u s b ，g s m ，3 g ， w i f i 各种通信方式。网络通讯的多样化，尤其是3 g ，w i f i 这样的高 速通讯网络的出现必然大大促进嵌入式系统的发展，嵌入式系统越来 越成为互联网的移动终端，对应用软件的要求相应大幅提高，用户越 来越希望能像个人电脑一样浏览网络，收发邮件，甚至玩各种网络游 戏。其中，尤以浏览器最为代表，因为这是用户日常使用网络中最主 要的应用软件，可以说就是互联网的入口。浏览器是目前嵌入式系统 上最复杂的软件之一，用户对一个符合网络标准的浏览器的期望，必 然加速嵌入系统全面发展。 总之，各种嵌入式产品已经融入人们的生活之中，不管人们有没有意识到 生活中嵌入式产品的存在，它都在发挥着无法替代的作用。 1 2 2 嵌入式图形用户界面 用户界面是人与计算机系统之间的通信媒介和手段，它是计算机系统的重 要组成部分，随着计算机的发展，计算机用户界面也经历了批处理阶段，命令 行阶段，图形用户界面阶段等7 1 。 6 第一章绪论 在上世纪5 0 年代，计算机都是采用作业控制语言来操作计算机，计算机 可以批处理多个计算机任务。计算机在处理的过程中，不能与用户进行实时交 互。1 9 6 1 年，美国麻省理工学院开发出第一个分时系统c t s s 。在该系统中， 计算机可以挺过问答式对话，文本菜单或者命令语言与用户进行交互，这称之 为命令行界面( c o m m a n dl i n ei n t e r f a c e ，c l i ) 例。 1 9 7 3 年，美国施乐公司发明了a l t o 电脑。a l t o 电脑是图形用户界面 ( g r a p h i c s 发展史上的里程碑，它拥有目前g u i 系统的最基本雏形，包括视 窗和下拉菜单等。这标志着用户界面正式进入g u i 时代。 图形用户界面是指采用图形方式显示的计算机操作环境用户接口，它与早 期计算机使用的命令行界面相比，显得尤为简便易用，是目前计算机人机接口 的主流形式。正是由于g u i 的简单易用，它极大的影响了计算机的发展，让计 算机从艰涩难懂，只有专业人士才能操作的年代步入日常家庭生活，成为和电 视机，电冰箱一样的普通家用电器，这尤其以个人电脑( p c ) 为代表l lo j 。 但是在嵌入式系统发展历史中，由于资源，功耗，成本等限制，嵌入式系 统在相当长的一段时期内，不能像桌面p c 一样提供优秀的g u i 系统。随着计 算机技术的发展，近几年来，嵌入式系统的硬件配置越来越高，因此嵌入式系 统大多也有了g u i 系统，但是由于嵌入式系统的特殊性，一般都没有像个人电 脑一样的鼠标，键盘和标准的显示器。虽然也有各种的用户交互设备，但是都 以干差万别的形式存在，比如鼠标一般都以触摸屏的形式存在或者干脆没有， n o k i a 公司的手机大多数没有触摸屏。键盘则不是像个人电脑一样拥有标准的 p c i o i 兼容键盘，都是根据实际应用的需要进行独特的键盘组合排列；显示设 备大多数都是屏幕较小，分辨率较低，甚至很多显示设备都是黑白的，例如现 在最流行的电子书设备一般都是采用e i n k 的黑白电子纸。 因此嵌入系统的g u i 虽然也有个人电脑桌面的菜单，按钮等，但是都要求 必须可以充分定制，裁剪。嵌入式系统g u i 中既有像n a n o x 这样的小巧的系 统，也有复杂的像a n d r o i d ，q t 这样的g u i 平台。由于嵌入式系统的配置越来 越高，尤其是手持设备，目前主流的嵌入式g u i 平台主要是a n d r o i d ，i p h o n e ， q t 等。 传统的g u i 系统一般到把鼠标或者键盘以及类似的变形作为标准输入设 备，但是随着苹果公司推出拥有全新人机交互方式一多点触摸的的i p h o n e ，并 获取巨大的成功，众多厂商纷纷推出支持多点触摸的产品。多点触摸作为一种 7 第一章绪论 全新的人机交互方式，让用户可以更自然，更随意的操作计算机设备，必将成 为主流g u i 平台的追逐目标。 1 2 3 电子纸显示技术 在人类文明的进化过程中，人类传递信息的方式也在不断的进步，每次信 息传递方式的变革都与信息载体的变化息息相关。从甲骨，竹简，丝帛到纸张， 每一次信息载体的变化都会引发无不引发信息传播的革命。在二十世纪后期， 互联网成为全新的传播载体，它极大的方便了人们获取信息，带来了信息革命。 伴随着这一变革，显示介质成为了重要的显示媒体，各种知识信息必须要 通过各种显示设备才能为人们所阅读。显示质量的高低最直观的影响用户的感 受。目前广泛应用于手持设备中的显示设备主要为l c d 显示设备和电子纸。 电子纸显示技术的研究开发，至今已经走过了2 0 多个年头。但是电子纸 的商业化应用则是近几年才出现。在上个世纪7 0 年代，松下公司就率先发明了 电泳显示技术，但是由于其显示寿命短，显示不稳定等诸多问题，该项研究一 度中断。上个世纪末，美国e i n k 公司发明了新的电泳油墨，极大地促进了电 子纸显示技术的发展，并且成功的实现了商业化应用。 e i n k 公司的电子纸的最基本组成部分是数以百万计的微胶囊【l ，这些微 胶囊的直径与人的头发近似。每个微胶囊的内部包含有带正电荷的白色粒子和 带负电荷的黑色粒子，它们悬浮在透明的液体里，当加入负电场时，白色的粒 子移动到微胶囊的顶部使用户可见，在这种情况下，它的表面呈现出白色，与 此同时，一个反向的电场将黑色的粒子拉到微胶囊的底部，使它们隐藏起来， 同理，将电场翻转，黑色粒子将出现在微胶囊的顶部，使它们的表面呈现黑色。 图1 描述了电子墨水的基本工作原理【l 引。 嘲绝嚣譬筑磊鬣靓磊累哦痨 图1 3 电子纸原理示意图 8 第一章绪论 电子纸与普通的l c d 屏相比，具有诸多独特的特点，它是一种超薄、超 轻的显示屏，具有以下的特征【1 2 1 ： 类纸。电子纸是目前市场上各种显示设备中对比度和纸最接近的一种， 非常适合阅读。 便携性。因薄膜重量轻，方便携带，可适度折叠、卷曲。 掉电不丢失。即使在断电的情况下，也可以长时间地保持显示，并且 使用时非常省电。 低功耗。与l c d 显示设备相比，它不需要周期性的刷新就可以保持显 示，因此静态显示时功耗非常低。 第三节论文组织结构 本文主要依托于津科翰林的某款电子书，不断解决实际中遇到的问题，实 现一个比较完善的基于类纸显示的图形用户界面平台，全文共分为以下部分： 第一章绪论，介绍了电子书的历史及现状，图形用户界面的发展历史， 电子纸的特点以及对图形用户界面平台提出的新要求。 第二章主流g u i 平台研究对比了目前可以运行在l i n u x 平台上的主流 g u i 平台，根据硬件平台以及开发团队的特点选择了嵌入式q t 作为开发平台 第三章分析了嵌入式q t 的特点以及如何实现基本的移植。 第四章讲解了在嵌入式q t 架构之上根据显示控制器的特点设计刷屏机 制，解决了电子书阅读的一系列关键性问题。 第五章介绍了多点触摸的相关知识以后，按照服务器到客户端的设计思 路，从无到有逐步实现了多点触摸的支持，并且引入了更高版本q t 才有的触摸 手势识别框架。 第六章实现与验证，通过w e b 浏览器应用程序验证了q 库的有效性，同 时展现了经过优化的q t 库的一些特点。通过另一个图片浏览器程序展示了对多 点触摸的支持，展示了对经典多点触摸手势的支持。 第七章总结与展望分析了经过改进的q t 的优缺点，为今后的工作提出 设想，让q t 越来越适应电子书现在及未来的需要。 9 第二章主流g u i 平台研究 第二章主流g u i 平台研究 目前主流的嵌入式系统主要有l i n u x ，s y m b i a n ，w i n c e 等。其中s y m b i a n 和w i n c e 系统由于相对封闭或者授权费用过高，因此并不适宜在电子书平台上 使用，因此本文主要针对l i n u x 平台进行讨论。 l i n u x 作为最流行的嵌入式系统之一，由于其具有高性能，高可裁剪性， 同时还是开源，并且免费，因此其使用范围非常广泛，作为全球领先的电子书 阅读器厂商津科公司采用的就是l i n u x 系统。但是l i n u x 只是一个内核，却并 没有提供标准的g u i 系统，因此不像w i n c e 或者s y m b i a n ，基于l i n u x 的g u i 系统多种多样，我们这里选几种主要的适合嵌入式系统的g u i 系统进行对比， 然后根据我们的实际情况选择最适合的g u i 系统。 第一节n a n o x n a n o - x 1 3 1 由g r e gh a e r r 主持开发的一个开源项目，它专门为配置相对较低 的微型设备而设计，因此非常小巧，源码( 包括文档在内) 只有不到7 m b 大 小。n a n o - x 是一个完整的运行在l i n u x 下的x s e r v e r ，不仅提供了基于 x w i n d o w s 的服务器接口，同时提供了基于w i n d o w s 3 2 的a p i 接口。n a n o x 是 一个基于典型客户朋艮务器体系结构的g u i 系统，基本分为三层。驱动接口层， 图形引擎层，应用a p i 接口，图2 1 给出了n a n o x 的架构。 n a n o - xa p ie c 量江aa p i w 窗口管理 硬件抽象层 显示设备 输入设备 图2 1n a n o x 体系结构 n a n o x 支持许多硬件平台，可移植性很强，也提供了一些高级功能，比如 1 0 第二章主流g u i 平台研究 a l p h a 混合，三维支持，t r u e t y p e 字体支持等。但是近年来， n a n o - x 项目基 本停滞，并且n a n o x 的图形引擎中许多算法效率低下，并且没有硬件加速能 力。 第二节m i n i g u i m i n i g u i 1 4 】是由北京飞漫软件技术有限公司创办的开源l i n u x 图形用户界 面系统，经过近些年的发展，m i n i g u i 已经发展成为比较成熟的性能优良的、 功能丰富的跨操作系统的嵌入式图形界面支持系统。它是用c 语言编