基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

陳韜

（江蘇科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

在人們進(jìn)入到信息大爆炸時代的背景下，各種信息也不斷豐富，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及數(shù)字信息技術(shù)也處于高度發(fā)展?fàn)顟B(tài)，只有通過計算，才能夠?qū)Ω鞣N信息進(jìn)行合理。并且目前計算機(jī)并不只是局限于傳統(tǒng)PC，而是包括各種性能、形態(tài)的嵌入式系統(tǒng)，在后PC時代不斷到來的過程中，人們也開始逐漸接觸嵌入式產(chǎn)品的概念，嵌入式產(chǎn)品也被廣泛應(yīng)用與人們?nèi)粘Ｉ罴肮ぷ鬟^程中，包括手機(jī)、空調(diào)及冰箱等家電。將嵌入式技術(shù)和圖像處理相互結(jié)合，開發(fā)設(shè)計基于嵌入式圖像處理的系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步的降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的可靠性、可移動性及可控性。那么本文就從嵌入式圖像處理系統(tǒng)的軟件方面進(jìn)行設(shè)計，包括圖像采集模塊、Linux系統(tǒng)、文件模塊等。

1 系統(tǒng)的設(shè)計流程

基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)軟件主要包括文件模塊、圖像編碼模塊、Linux系統(tǒng)等構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入式圖像的優(yōu)化處理，提高系統(tǒng)的性能，并且使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性[1]。系統(tǒng)的設(shè)計流程為：

圖1 嵌入式圖像處理系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)圖像采集模塊的設(shè)計

圖像采集模塊是系統(tǒng)在工作過程中能夠良好運行的條件，其不僅要有硬件設(shè)計，還要有相應(yīng)的軟件支持實現(xiàn)，軟件的設(shè)計主要包括器件邏輯控制時序設(shè)計及通訊設(shè)計，其都是通過CPLD實現(xiàn)[2]。

通過CCD圖像傳感器實現(xiàn)圖像信號采集過程中，首先就要對CCD驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計。CCD驅(qū)動信號較多且復(fù)雜，并且要通過不同的電壓實現(xiàn)驅(qū)動，所以就要設(shè)計軟件驅(qū)動電路。在面陣像素不斷增多的過程中，幀頻率也會不斷的提高，對于CCD驅(qū)動時序的要求也會越來越嚴(yán)格[3]。

本系統(tǒng)的CCD驅(qū)動時序主要包括感光區(qū)、串行寄存器、存儲區(qū)及信號放大模塊組成。使用單項時鐘驅(qū)動作為基礎(chǔ)，CCD的正常驅(qū)動要通過信號實現(xiàn)，分別為復(fù)位信號、控制存儲器像素移動信號、控制感光區(qū)像素移動信號、控制串行讀出串行寄存器們信號等。要根據(jù)讀出模式，選擇雙通道或者單通道的輸出及不同的模式[4]。圖2為系統(tǒng)的時序圖，通過圖2可以看出來，要想能夠使CCD正常的工作，需要的驅(qū)動時序數(shù)量要較多，并且關(guān)系較為復(fù)雜[5]。

圖2 系統(tǒng)的時序圖

CCD驅(qū)動方法中，單片機(jī)驅(qū)動是系統(tǒng)軟件設(shè)計中常用的方式，具有良好的靈活性，但是頻率較低。在復(fù)雜可編程邏輯器件不斷發(fā)展的過程中，CCD的驅(qū)動方式也在發(fā)生著變化[6]，通過可編程邏輯器件CPLD實現(xiàn)電子電路設(shè)計能夠縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低成本，提高系統(tǒng)的靈活性，并且其還具有擦除可編程的能力，在系統(tǒng)研發(fā)的過程中，在出現(xiàn)設(shè)計錯誤或者需要吸怪的時候，只要在原設(shè)計文件中實現(xiàn)重新變成就行，不需要對電路的布局進(jìn)行修改，從而其被廣泛應(yīng)用到驅(qū)動電路維護(hù)、設(shè)計及升級過程中[7]。

圖像的采集要通過圖像清除、感光、并行傳輸及讀出4個階段，讀出階段的時間最長，在采集過程中，通過處理器發(fā)出信號并且告訴CPLD開始采集，在開始新采集之前，要先將所有的狀態(tài)進(jìn)行清除，從而能夠提高ODB信號[8]。在清除之后進(jìn)入到感光期，感光的時間相當(dāng)于曝光的長度，短時間的曝光會導(dǎo)致CCD受到光子沖擊，從而導(dǎo)致圖像的曝光不足，但是長時間的曝光會導(dǎo)致圖像感光過度。在曝光之后，就要使光電轉(zhuǎn)換，將電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移。最后階段就是將存儲區(qū)中的像素通過串行寄存器發(fā)送輸出端，讀出期包括串行及傳輸兩個過程，通過時鐘脈沖實現(xiàn)[9]。圖3為圖像采集的實現(xiàn)過程。

圖3 圖像采集的實現(xiàn)過程

A表示空閑狀態(tài)；B表示CCD清除狀態(tài)；C表示光積分狀態(tài)；D表示信號并行傳輸狀態(tài)；E表示信號讀出狀態(tài)；F表示信號讀出狀態(tài)；G表示完成狀態(tài)。

3 文件模塊的設(shè)計

在嵌入式圖像處理系統(tǒng)中文件模塊的設(shè)計，使用LED接口直接和內(nèi)置接口相互連接，在設(shè)計系統(tǒng)觸摸屏的過程中，選擇ADS作為系統(tǒng)界面觸摸屏控制器，從而有效提高系統(tǒng)界面的控制能力。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)包括圖像文件的打開、包括、打印及退出等操作，系統(tǒng)文件的處理模塊通過圖像文件讀取問題針對性的精心設(shè)計，從而能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的各種操作[10]，以下為系統(tǒng)圖像文件的打開及保存功能的設(shè)計：

3.1 圖像文件的打開

在嵌入式圖像處理系統(tǒng)中，菜單的打開主要是在系統(tǒng)設(shè)計過程中使用uigetfile（）函數(shù)實現(xiàn)，實現(xiàn)圖像標(biāo)準(zhǔn)的讀取，從而能夠在文件處理對話框中將圖像打開[11]，設(shè)計代碼主要代碼為：

3.2 圖像文件的保存

嵌入式圖像處理系統(tǒng)設(shè)計中的圖像堡村菜單主要是通過uiputfile（）標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)的，設(shè)計代碼為：

4 創(chuàng)建嵌入式Linux系統(tǒng)

處理器要創(chuàng)建嵌入式Linux系統(tǒng)功能，從而使應(yīng)用軟件能夠在系統(tǒng)上運行，以此實現(xiàn)圖像的捕獲、編碼及傳輸?shù)裙δ?。首先，將板卡的撥碼開關(guān)設(shè)置為SD卡啟動，將u boot bin啟動文件進(jìn)行燒寫到nandflash中，之后將撥碼開關(guān)設(shè)置為nandflash方式啟動，將nfs根文件系統(tǒng)進(jìn)行掛截，之后實現(xiàn)上電啟動，實現(xiàn)應(yīng)用程序的開發(fā)。在SD卡方式啟動下，嵌入式操作系統(tǒng)要通過Uboot及MLO作為引導(dǎo)[12]，嵌入式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)過程詳見圖4。

圖4 嵌入式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)過程

通過TI公司的底層驅(qū)動程序及軟件開發(fā)包，通過虛擬機(jī)進(jìn)入開發(fā)包目錄，實現(xiàn)uboot源文件的編譯，從而生成可執(zhí)行ubootbin及MLO文件；實現(xiàn)linux源文件的編譯，從而生成內(nèi)核，將開發(fā)包中的rootfs文件系統(tǒng)打包壓縮，將SD卡通過USB接口實現(xiàn)虛擬機(jī)的掛載，通過分區(qū)命令生成rootfs及boot分區(qū)，將其中的各文件寶貝到boot分區(qū)中，之后再rootfs分區(qū)中創(chuàng)建文件夾，將uimage及ibootbin拷貝到新建文件夾中。

將SD卡放入到卡板槽中，將板卡撥碼的開關(guān)設(shè)置為啟動，在通電之后，板卡系統(tǒng)的啟動就會登錄到新建文件夾中，實現(xiàn)loadsh腳本的運行。在等待命令運行完成之后，那么uimage及ubootbin就會到nadflash中燒寫，斷開板卡通電，將SD卡取出[13]。

啟動nandflash，嵌入式操作系統(tǒng)的引導(dǎo)通過uboot實現(xiàn)，嵌入式liunx系統(tǒng)的引導(dǎo)實現(xiàn)詳見圖5。

圖5 嵌入式liunx系統(tǒng)的引導(dǎo)實現(xiàn)

通過上圖可以看出來，在系統(tǒng)啟動之后，芯片內(nèi)部的RBL會將Nandflash中的uboot程序引導(dǎo)到RAM運行中，uboot會根據(jù)不同的環(huán)境參數(shù)將文件到DDR存儲器中加載并且運行，uimage啟動之后會實現(xiàn)NFS根文件系統(tǒng)在虛擬機(jī)中的掛載，從而實現(xiàn)其他程序的開發(fā)。

5 系統(tǒng)的實現(xiàn)和運行

根據(jù)上文對系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)的基本功能就是文件采集、圖像采集等，本節(jié)就將模塊的具體實現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)講述。

5.1 文件的讀入

在嵌入式平臺中，并沒有自帶的實際文件庫函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)，所以要將文件讀取到內(nèi)存中，是系統(tǒng)得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。本文所設(shè)計的系統(tǒng)主要處理兩大塊的圖像，分別為256色圖像及真彩圖，所以要通過兩個文件讀入函數(shù)的設(shè)計進(jìn)行實現(xiàn)。文件入讀是算法中必須的，所以要將兩個函數(shù)放入到文件夾中，以備后用，以下為圖像數(shù)據(jù)讀取的公共函數(shù)：

5.2 圖形界面的實現(xiàn)

為了具有良好的人機(jī)交互界面，系統(tǒng)通過層次化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)圖像界面，系統(tǒng)中的接口通過圖像方式表示，通過鍵盤消息及觸摸屏實現(xiàn)各分支的相應(yīng)，以下介紹主界面接口的實現(xiàn)。

主界面接口為系統(tǒng)的核心，其中包括引導(dǎo)界面的功能，并且向下發(fā)展了不同框架的算法。從整體進(jìn)行分析，其主要作用就是承上啟下，將嵌入式系統(tǒng)的處理實現(xiàn)分級映射。主界面接口和引導(dǎo)界面的不同之處是在消息處理方面，主界面接口能夠向下連接7個二級界面及返回處理，在處理過程中要注意程序設(shè)計的問題，也就是如何返回上級及如何做好下級返回。在確定圖形界面實現(xiàn)細(xì)節(jié)之后，就能夠?qū)崿F(xiàn)具體算法接口，本節(jié)對其中某個接口代碼進(jìn)行說明，調(diào)用接口連接程序要通過觸發(fā)事件實現(xiàn)，所以以下代碼為消息等待的循環(huán)[14]。

（1）message=WaitMessage（0）；

（2）switch（message-＞Message）{

（3）case OSM_TOUCH_SCREEN：

（4）position1.x=message-＞W(wǎng)Param&0xffff；

（5）position1.y=message-＞W(wǎng)Param＞＞16；

（6）if（IsInRect2（prect1，pposition1））{

（7）ClearScreen（）；

（8）Menu31（pdc）；

（9）ClearScreen（）；

（10）ShowBmp（pdc，bmpname10，0，0）；

（11）}

（12）else if

1為代碼等待消息，之后實現(xiàn)消息等待，如果滿足3的消息類型，就會將消息中的觸摸點縱橫坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行提取，在得到消息參數(shù)之后進(jìn)入到接口程序分支判斷中，根據(jù)判斷的結(jié)果轉(zhuǎn)入到分支實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用。8為接口部分，其上下都為在連接接口之前的必要處理。

5.3 系統(tǒng)的運行

圖像處理系統(tǒng)使用事件驅(qū)動編程，也就是程序流程并不是只有一個入口及若干個出口的線路，而是程序會在循環(huán)狀態(tài)，其中的程序從外部輸入設(shè)備得到某些事件，比如鼠標(biāo)或者按鍵操作等，之后根據(jù)事件類別做出針對性的相應(yīng)，從而做出針對性的相應(yīng)及功能，直到程序接收某個消息。事件驅(qū)動屬于底層設(shè)備，其中包括消息循環(huán)及消息隊列。通過命令能夠進(jìn)入到圖像處理系統(tǒng)中，之后出來引導(dǎo)界面，點擊觸摸屏中的任意位置進(jìn)入系統(tǒng)主界面，圖6為系統(tǒng)主界面的功能。

圖6 系統(tǒng)主界面的功能

系統(tǒng)具有其中圖像算法選擇，能夠點擊對應(yīng)的觸摸屏實現(xiàn)自身需求[15]。

6 結(jié)束語

目前，基于嵌入式的圖像處理系統(tǒng)正在不斷的被各個領(lǐng)域深入研究及豐富，將其通過模塊化的設(shè)計，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)圖像信息的在線自動處理[16]，還能夠?qū)崿F(xiàn)圖形的編輯處理，提高系統(tǒng)圖像處理的準(zhǔn)確率，并且實現(xiàn)圖像幾何變換、分割、增強(qiáng)及目標(biāo)定位等功能，滿足嵌入式圖像處理的在線需求，有效提高系統(tǒng)的設(shè)計性能。