基于嵌入式圖像處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳韜

（江蘇科技大學(xué)計(jì)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(shí)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(guò)計(jì)算，才能夠?qū)Ω鞣N信息進(jìn)行合理。并且目前計(jì)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(shí)代不斷到來(lái)的過(guò)程中，人們也開(kāi)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^(guò)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)，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(jì)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(jì)流程為：

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

2 系統(tǒng)圖像采集模塊的設(shè)計(jì)

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

通過(guò)CCD圖像傳感器實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)采集過(guò)程中，首先就要對(duì)CCD驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)較多且復(fù)雜，并且要通過(guò)不同的電壓實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，所以就要設(shè)計(jì)軟件驅(qū)動(dòng)電路。在面陣像素不斷增多的過(guò)程中，幀頻率也會(huì)不斷的提高，對(duì)于CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的要求也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格[3]。

本系統(tǒng)的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序主要包括感光區(qū)、串行寄存器、存儲(chǔ)區(qū)及信號(hào)放大模塊組成。使用單項(xiàng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)作為基礎(chǔ)，CCD的正常驅(qū)動(dòng)要通過(guò)信號(hào)實(shí)現(xiàn)，分別為復(fù)位信號(hào)、控制存儲(chǔ)器像素移動(dòng)信號(hào)、控制感光區(qū)像素移動(dòng)信號(hào)、控制串行讀出串行寄存器們信號(hào)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(shí)序圖，通過(guò)圖2可以看出來(lái)，要想能夠使CCD正常的工作，需要的驅(qū)動(dòng)時(shí)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(shí)序圖

CCD驅(qū)動(dòng)方法中，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(guò)程中，CCD的驅(qū)動(dòng)方式也在發(fā)生著變化[6]，通過(guò)可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)電子電路設(shè)計(jì)能夠縮短系統(tǒng)的開(kāi)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(guò)程中，在出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或者需要吸怪的時(shí)候，只要在原設(shè)計(jì)文件中實(shí)現(xiàn)重新變成就行，不需要對(duì)電路的布局進(jìn)行修改，從而其被廣泛應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)電路維護(hù)、設(shè)計(jì)及升級(jí)過(guò)程中[7]。

圖像的采集要通過(guò)圖像清除、感光、并行傳輸及讀出4個(gè)階段，讀出階段的時(shí)間最長(zhǎng)，在采集過(guò)程中，通過(guò)處理器發(fā)出信號(hào)并且告訴CPLD開(kāi)始采集，在開(kāi)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(hào)[8]。在清除之后進(jìn)入到感光期，感光的時(shí)間相當(dāng)于曝光的長(zhǎng)度，短時(shí)間的曝光會(huì)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(zhǎng)時(shí)間的曝光會(huì)導(dǎo)致圖像感光過(guò)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(chǔ)區(qū)中的像素通過(guò)串行寄存器發(fā)送輸出端，讀出期包括串行及傳輸兩個(gè)過(guò)程，通過(guò)時(shí)鐘脈沖實(shí)現(xiàn)[9]。圖3為圖像采集的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖3 圖像采集的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(hào)并行傳輸狀態(tài)；E表示信號(hào)讀出狀態(tài)；F表示信號(hào)讀出狀態(tài)；G表示完成狀態(tài)。

3 文件模塊的設(shè)計(jì)

在嵌入式圖像處理系統(tǒng)中文件模塊的設(shè)計(jì)，使用LED接口直接和內(nèi)置接口相互連接，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)觸摸屏的過(guò)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(shí)現(xiàn)包括圖像文件的打開(kāi)、包括、打印及退出等操作，系統(tǒng)文件的處理模塊通過(guò)圖像文件讀取問(wèn)題針對(duì)性的精心設(shè)計(jì)，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(kāi)及保存功能的設(shè)計(jì)：

3.1 圖像文件的打開(kāi)

在嵌入式圖像處理系統(tǒng)中，菜單的打開(kāi)主要是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用uigetfile（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)圖像標(biāo)準(zhǔn)的讀取，從而能夠在文件處理對(duì)話框中將圖像打開(kāi)[11]，設(shè)計(jì)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(jì)中的圖像堡村菜單主要是通過(guò)uiputfile（）標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)代碼為：

4 創(chuàng)建嵌入式Linux系統(tǒng)

處理器要?jiǎng)?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(yùn)行，以此實(shí)現(xiàn)圖像的捕獲、編碼及傳輸?shù)裙δ堋Ｊ紫?，將板卡的撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為SD卡啟動(dòng)，將u boot bin啟動(dòng)文件進(jìn)行燒寫(xiě)到nandflash中，之后將撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為nandflash方式啟動(dòng)，將nfs根文件系統(tǒng)進(jìn)行掛截，之后實(shí)現(xiàn)上電啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。在SD卡方式啟動(dòng)下，嵌入式操作系統(tǒng)要通過(guò)Uboot及MLO作為引導(dǎo)[12]，嵌入式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)過(guò)程詳見(jiàn)圖4。

圖4 嵌入式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)過(guò)程

通過(guò)TI公司的底層驅(qū)動(dòng)程序及軟件開(kāi)發(fā)包，通過(guò)虛擬機(jī)進(jìn)入開(kāi)發(fā)包目錄，實(shí)現(xiàn)uboot源文件的編譯，從而生成可執(zhí)行ubootbin及MLO文件；實(shí)現(xiàn)linux源文件的編譯，從而生成內(nèi)核，將開(kāi)發(fā)包中的rootfs文件系統(tǒng)打包壓縮，將SD卡通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的掛載，通過(guò)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(kāi)關(guān)設(shè)置為啟動(dòng)，在通電之后，板卡系統(tǒng)的啟動(dòng)就會(huì)登錄到新建文件夾中，實(shí)現(xiàn)loadsh腳本的運(yùn)行。在等待命令運(yùn)行完成之后，那么uimage及ubootbin就會(huì)到nadflash中燒寫(xiě)，斷開(kāi)板卡通電，將SD卡取出[13]。

啟動(dòng)nandflash，嵌入式操作系統(tǒng)的引導(dǎo)通過(guò)uboot實(shí)現(xiàn)，嵌入式liunx系統(tǒng)的引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)詳見(jiàn)圖5。

圖5 嵌入式liunx系統(tǒng)的引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上圖可以看出來(lái)，在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，芯片內(nèi)部的RBL會(huì)將Nandflash中的uboot程序引導(dǎo)到RAM運(yùn)行中，uboot會(huì)根據(jù)不同的環(huán)境參數(shù)將文件到DDR存儲(chǔ)器中加載并且運(yùn)行，uimage啟動(dòng)之后會(huì)實(shí)現(xiàn)NFS根文件系統(tǒng)在虛擬機(jī)中的掛載，從而實(shí)現(xiàn)其他程序的開(kāi)發(fā)。

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行

根據(jù)上文對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)講述。

5.1 文件的讀入

在嵌入式平臺(tái)中，并沒(méi)有自帶的實(shí)際文件庫(kù)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(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。本文所設(shè)計(jì)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(guò)兩個(gè)文件讀入函數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。文件入讀是算法中必須的，所以要將兩個(gè)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(shí)現(xiàn)

為了具有良好的人機(jī)交互界面，系統(tǒng)通過(guò)層次化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圖像界面，系統(tǒng)中的接口通過(guò)圖像方式表示，通過(guò)鍵盤消息及觸摸屏實(shí)現(xiàn)各分支的相應(yīng)，以下介紹主界面接口的實(shí)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(shí)現(xiàn)分級(jí)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(gè)二級(jí)界面及返回處理，在處理過(guò)程中要注意程序設(shè)計(jì)的問(wèn)題，也就是如何返回上級(jí)及如何做好下級(jí)返回。在確定圖形界面實(shí)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(duì)其中某個(gè)接口代碼進(jìn)行說(shuō)明，調(diào)用接口連接程序要通過(guò)觸發(fā)事件實(shí)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(shí)現(xiàn)消息等待，如果滿足3的消息類型，就會(huì)將消息中的觸摸點(diǎn)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(shí)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(yùn)行

圖像處理系統(tǒng)使用事件驅(qū)動(dòng)編程，也就是程序流程并不是只有一個(gè)入口及若干個(gè)出口的線路，而是程序會(huì)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(duì)性的相應(yīng)，從而做出針對(duì)性的相應(yīng)及功能，直到程序接收某個(gè)消息。事件驅(qū)動(dòng)屬于底層設(shè)備，其中包括消息循環(huán)及消息隊(duì)列。通過(guò)命令能夠進(jìn)入到圖像處理系統(tǒng)中，之后出來(lái)引導(dǎo)界面，點(diǎn)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(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的觸摸屏實(shí)現(xiàn)自身需求[15]。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，基于嵌入式的圖像處理系統(tǒng)正在不斷的被各個(gè)領(lǐng)域深入研究及豐富，將其通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)圖像信息的在線自動(dòng)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(shí)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(jì)性能。