如何手搓一个彩色墨水屏相册

详细方案指路:

1. 简介

最近整了台NAS,发现最近拍了很多照片,都丢在硬盘里吃灰很可惜,于是想着再弄个电子相册出来。正好不久前在少数派看到大佬做了个电子日历,于是果断抄个作业。但众所周知啊,抄作业这个事,抄完之后得改点,防止被老师发现是一回事,更重要的是大佬的作业会跳步骤,关键点写上了然后“显然”一下就直接出答案了,这没法抄啊:smiling_face_with_tear:

所以讲一下不同点,首先在硬件(和README)方面几乎照抄了westqzy’s eInk-calendar,不同之处在于作为一个电子相册用黑白的屏幕着实不太合适。在软件上沿用了凉糕大佬的C/S架构,即墨水屏终端只负责接收最终需要显示的图片数据,基础数据的获取与处理在服务端上完成,而不同之处在于我直接用python完成了服务端的全部工作(主要是就显示个照片再带点天气啥的,不需要和其他pipeline联动)。更进一步的,由于墨水屏自身无法发光,在比较暗的室内看不清内容,我还添加了一个按键,短按唤醒设备并且点亮背光灯10s,长按强制更新一张图像并且点亮背光灯。

我的主要思路是

  • 服务端维持一个照片队列,每天定时生成数张日历图像,我这里设置的是凌晨3点和下午3点:早上上班前和晚上回家后能看到不同的照片就够了。
  • 照片队列以文本的形式保存照片的路径,队列初始化时从图像库中随机抽取一定数量的横向/竖向照片供本周使用,我觉着每周手动转置一次相册可能会比较有仪式感。
    • 此外我可以通过手动编辑的方式安排未来显示的照片,有利于发送彩蛋。此外还给服务端做了个简单的上传功能,可以直接上传一张图像并且添加到队列头部。
    • 注意:上传功能没做任何安全检查,http.server直接把数据给PIL保存了,所以绝对不要把这个服务暴露在公网
  • 墨水屏终端启动向服务端发送请求,从服务端获取下一张图像的hash,如果与已显示的图像不同则请求图像数据并更新墨水屏,最后请求墨水屏终端深度睡眠的唤醒时间,这里则是希望墨水屏终端能在服务端生成新日历图像后10分钟唤醒。
  • 墨水屏终端上电后会立刻进行一波更新,而联网失败/没有得到hash/没有得到新数据/没有得到唤醒时间则深度睡眠一小时后再次执行更新。
  • 墨水屏终端上的按键首先作为ext0唤醒源唤醒设备,唤醒后点亮LED,如果500ms后检测到按键仍然被按下则闪烁一次LED(提醒已经按了很久了),随后向服务端发送请求强制更新图像,最后无论如何都使LED点亮一段时间。
  • 墨水屏终端没有设置自动配网,ssid和密码都是硬编码在config里的,我目前的思路是这个设备部署之后就和内网中的服务器绑定了,完全没有必要重新配置网络。但这样抄作业就必须自己费劲配置ESP32的开发环境了,未来有需求的话我可能会更新一下吧……

最终成品长这样:


点亮背光后

图像更新中

点亮背光与更新图像

2.硬件方案

硬件上总体如下:

添加背光后需要额外的电路,这里直接用面包板连接了,反正后盖装上谁都看不着,要是接触不良就拿胶带粘:dog2:

屏幕

来自微雪的5.65inch e-Paper Module (F),分辨率600 × 448 ,外形尺寸125.4 × 99.5mm × 0.91mm.

对,我知道微雪还有个7.3inch的彩色屏幕,也有大佬把STM32的驱动移植给ESP32了。但这个驱动没开源,我不敢冒险自己重写驱动,毕竟这屏幕不太便宜……

微雪没有提供7.3inch彩色屏幕的驱动和例程。但有个7.3inch成品相册能够显示TF卡中存储的照片,不想手搓/没有联网更新需求的朋友可以直接和钱包商量一下。

哦对了,这个屏幕更新一次要闪几十秒,所以大胆的想法只能是静态的。

计算单元

为了方便同样选自来自微雪的E-Paper ESP32 Driver Board,这是一款电子墨水屏无线网络驱动板,板载ESP32,支持Arduino开发。

最初是考虑过使用树莓派Zero搭配7.3inch的彩色屏幕的(有驱动有例程),但跑一个完整系统的树莓派的功率还是太高了,我并不希望需要时刻惦记电子相册是否需要充电和是否有效散热。

电源

可以通过电脑上的USB接口用micro USB线直接通过开发板来进行供电和调试工作。这里是使用了一个带电量显示的锂电池,卖家称外接设备时电量显示常亮,但实测ESP32深度睡眠时电流小于电量显示板的检测阈值,因此估计5600mAh应该够用很长时间(TODO:估计充电周期,避免过放影响电池寿命)。

外壳

3D打印和小积木是更好的主意,我这里为了省事直接买了个5寸的相框,但相框的尺寸和墨水屏的相差很大,(横屏时)两边有很大的剩余空间,而底边则会露出墨水屏的下边界。理论上来讲再用卡纸做个内边框能够遮挡一下,但我摆了……

值得一提的是,我用的是一个灯光画相框,相框内有3cm的空间,把墨水屏包装的泡沫放上后再垫点边角料厚度就刚刚好,而这个边角料则完全可以来自给电池和ESP32挖的洞。

背光

背光则直接使用了3V超细的LED灯带,上面已经带了电阻可以直接连接在ESP32的GPIO上。同时灯带的也带背胶可以粘贴在相框内侧,并且在包装泡沫上刻出来一个放屏幕的凹槽,从而让光能够打在屏幕上,但说实在的效果并不太好可能在屏幕边缘垫一圈会更好一些……

更合理的思路是用一个类似于墨水屏阅读器上的的导光板,能够把光均匀的分布在屏幕上。但是我没找到合适的,搜索导光板的结果基本上都是需要光源隔一段距离或者上面有大量不透明斑点的——这个确实有效,从我这个亚克力板上的裂痕处就能看出来……

电路

凡善可陈的电路,单片机的前五课中按键和点亮LED的组合。唯一值得一提的是只有RTC GPIO可以用作外部唤醒的源,即引脚0,2,4,12-15,25-27,32-39。

3.软件方案

服务端

除了开头提到的hash检查、图像上传和ESP32的图像二进制流外,服务端还实现了手动强制更新图像和预览图像的功能。理论上讲服务端稍微改一下加个页面再加上自动刷新的js也可以给kindle之类的设备用。具体配置参考server/README.md.

日历图像

图像处理方面,获取天气、日期和拼接图像等就不做赘述了,这里讲一下ESP32图像显示相关的内容。对于计算机来说,图片是由像素点构成的,而每一个像素点所占的空间大小就决定了这个像素点可能的状态(颜色)多少,最简单的黑白图片每个像素点只占一位(1Bit),而我们使用的墨水屏使用的是一种非标准二十四位图。对于微雪的5.65inch e-Paper Module (F),有黑、白、绿、蓝、红、黄、橙七种颜色,最少需要三位数据才能表示所有颜色。但为了方便运算我们在它前面加一个0,即用四位数据表示一个像素点的颜色,这样一个字节(1Byte)可以表示两个像素点。这种图像转换实现在server/image_processing.pybuffImg函数中。

而实际上我们所使用的照片中包含的颜色数量远大于七种(虽然其实仍然是非常有限的),而Floyd-Steinberg抖动算法非常适合在颜色数量很少的情况下,展示出丰富的层次感。使得获得更多的颜色组合,对原始图片进行更好的阴影渲染。算法细节我们不进行赘述,从使用上来说,直接调用PIL的量化就行,其被实现在server/image_processing.pydithering函数中。这里是自定义了一个putpalette,凉糕大佬称显示屏有明显的色差,并且提供了他校色的数据。但我直接使用他的校色数据则发现图像明显过暗,而使用官方的配色后得到了明显的改善。这可能与产品批次有关,这里我没有保存用于比较的图像,但代码以注释的形式保留了,抄作业的朋友可以自行定夺(或直接自行校色)。

客户端

这里我同样遇到了ESP32无法直接显示整帧图片的问题。像例程里一样直接显示整张硬编码的图像没有问题,从服务端接收到整帧图像也没有问题。但从服务端接收到整帧图像然后显示,ESP32就重启了。我不太熟悉ESP32的调试,所以这个问题没有找到原因。解决方案与凉糕大佬相同,反正WiFiClient *stream一次接收到的数据也不全(至少stream->available()的大小对不上),就初始化显示相关设置后,收满一个小buffer就发给屏幕,收完后再发送更新指令。

手册中屏幕更新的流程大概是发送一组控制指令,(可间断地)发送图像数据,再发送一组指令,检测电平。需要注意的是需要在这之前需要先初始化屏幕,并且屏幕不能长时间上电,在刷新完成后要及时设置成睡眠模式。5.65inch屏幕更新相关的代码我都放在EInk.hEInk.cpp了,理论上来说也不需要微雪的库了。此外官方建议刷新时间间隔至少是180s, 并且至少每24h做一次刷新,长期不使用需要刷白存放。(TODO:检查hash时收到特殊指令则刷白存放)。

4.参考资料

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實幹家。

我在微雪电子那边也买了一台,支持任意图片通过算法处理后导入,除了色彩没那么好以外,其他挺不错的。

墨水屏嘛,颜色就那回事,有就不错了。照片说实话效果真的一般,但油画效果还不错,之后我可能会考虑整合个照片风格迁移的算法进来。
关键在于它比较省电,不主动发光影响睡眠,只有这点上比LCD/OLED之类的强太多了。

这个小玩意应该算是翻篇了,@Qingwa 求个手搓大佬徽章 :joy: