?

本文論述了嵌入式系統相關理論、嵌入式Linux的基本概念，主要闡述了采用嵌入式Linux進行視頻圖像數據的捕獲、存儲、顯示等。采用的關鍵技術包括 V4L、framebuffer、數字圖像格式變換等，提出了圖像數據格式的變換方法。同時闡述了具體的實現方法。

?????? 1 嵌入式系統簡介

??????嵌入式系統（Embedded System）是指以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。根據IEEE（國際電氣和電子工程師協會）的定義，嵌入式系統是“控制、監視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置”，這個定義主要是從應用的角度進行定義的。[1]嵌入式系統的操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統之中，也就是軟件與硬件的一體化。嵌入式系統目的性或針對性很強，一般要求較高的實時性、穩定性。

??????2??嵌入式Linux操作系統

??????嵌入式Linux是Linux操作系統的一個分支。主要是對通常的Linux進行裁減。最關鍵的是要進行實時化處理。在實時性要求不是太高的環境下采用Linux具有很多優勢。使用嵌入式Linux技術開發嵌入式設備的最大方便是使開發工作從硬件與匯編程序轉移到應用軟件上來。[2]嵌入式Linux系統架構包括三層：應用程序、系統共享庫和Linux內核。現有各種開源的Linux版本，包括支持沒有內存管理單元的CPU的uCLinux、實時性非常好的RTAI、QLinux等。[3]本文所采用的開發的系統是進行圖像的實時捕獲。由于實時性要求不高，同時考慮到Linux下使用V4L開發視頻程序具有很大的優越性，所以采用嵌入式Linux作為開發環境。芯片主要采用三星公司生產的ARM2410, 開發板采用北京博創公司的板卡。

??????3? 采用V4L進行數據采集

??????3.1 采用V4L進行圖像數據采集

?????? V4L是Linux下提供的一套設備驅動程序文件API，用于開發視頻（Video）、音頻（Audio）等領域的應用程序。由于在Linux下設備都作為一個文件進行處理。所以可以通過打開相應的設備文件來獲取設備的信息。由于本文是進行視頻程序的開發，所以僅講述有關視頻相關的部分。

??????視頻設備文件一般情況下在/dev/videox。其中x可以為0~63之間的整數。一般情況下為/deev/video0。當在開發板上通過USB接口將攝像頭接入后。在程序中對文件video0進行讀的操作就是對攝像頭的操作。

??????在使用V4L之前首先需要將頭文件videodev.h引入，如。相應的API文檔在/usr /src/linux-2.4/Documentation/video4linux/API.html下。同時在為了同相關的設備進行通信，需要一些結構體、變量和函數，所以需要包含其他的相關文件。如、

??????、 、 、 、 、 等。攝像頭、V4L、設備驅動程序、嵌入式Linux操作系統的關系用圖1表示如下。

????????

?????????????????????????????????????? 圖1

??????? 具體的圖像數據的捕獲過程為：打開設備文件、查詢和確認設備性能、設置捕獲的圖像的寬和高、設置色深、建立內存映射（后文闡述）、讀取圖像數據、關閉設備。[4]

??????? 具體的這個過程由于篇幅關系本文將不做具體闡述，讀者可以查閱本文的參考文獻3。在上述的過程中主要考慮的問題是內存的映射問題。為了讀取數據首先需要將顯示設備的地址映射到系統地址上來，這需要調用函數mmap（）。該函數返回的地址就是存放圖像數據的地址。每一幀圖像都偏移固定的長度。而攝像頭取得圖像會包含若干幀。這樣通過周而復始的進行就可以將圖像數據捕獲下來。具體過程和涉及到的函數如下所示:

??????? 打開設備文件: int? device = open ("/dev/v4l/video0", O_RDWR);

??????? 內存映射：char* memoryMap = (char*)mmap (0, memoryBuffer.size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, device, 0);

??????? 圖像數據memoryMap + memoryBuffer.offsets[bufferIndex]
??????

????????????????????????? 圖2

??????? 3.2圖像格式的轉換。

?????? 通過上文所述取得圖像數據后，實際就是一塊地址。這時就可以進行各種圖像處理或圖像識別。問題的關鍵是圖像數據是如何放置的。一般情況下，在計算機中一個像素點是由R、G、B三種顏色表示的。當然還存在其它的模式如PAL等。但大多數為RGB模式。即使是RGB模式也存在很多種情況，如每一個像素由8個bit組成，這時R、G、B三種顏色的位數分別3、3、2。如果每一個像素由12個bit組成，則R、G、B三種顏色的位數分別4、4、4。如果每一個像素由16個bit組成，則R、G、B三種顏色的位數存在兩種情況分別5、5、5，最高位舍棄，另一種情況為5、6、5。最容易處理、同時也是最常見的是24個bit組成的，這時R、G、B三種顏色的位數分別8、8、8。

?????? 在各種圖像處理的程序中往往需要在兩種格式之間轉換。由于在筆者所采用的設備中，采集到的圖像為24位，而顯示設備為12位，這就需要在兩種格式之間轉換。至于怎樣將圖像數據顯示到屏幕上在后文中闡述，下面將主要闡述如何在24位和12位之間轉換。整個過程如圖3所示。??????????

?

?????????圖3

?????? 首先需要明確計算機中處理的數據是8位為基本單位的。所以，一個像素12位的圖象格式可以通過兩個像素24位為基本單位進行描述。其次，應該明確的是在從 8位數據到4位數據的轉換中取得8位數據中的高4位，frame[index*3]&0xF0)；然后再取得下一個8位的高4位；左移4位和前面的數據取并，frame[index*3]&0xF0)|((frame[index*3+1]&0xF0)>>4。實現的代碼如下：

*(fbp) = (frame[index*3]&0xF0)|((frame[index*3+1]&0xF0)>>4);

???????????????????? *(fbp +1) = (frame[index*3+2]&0xF0)|(frame[(index+1)*3]&0xF0>>4);

??????????? *(fbp+2) = (frame[(index+1)*3+1]&0xF0)|(frame[(index+1)*3+2]&0xF0>>4);

?????? 在這段代碼中*(fbp)、*(fbp +1)、*(fbp+2)這三個8位實際上兩個像素的圖像數據。這就實現了24位的圖像數據到12位的圖像數據的轉換。

???? ? 4應用framebuffer進行圖像的顯示

?????? 為了將程序中圖像數據顯示在設備的液晶屏幕上,需要讀出現實設備的地址并將其映射到系統內存空間上，然后再將圖像數據寫到映射后的地址空間上。[5]

??????? 首先需要計算出屏幕內存空間的字節數，計算公式為：　

　　屏幕內存空間的字節數＝像素的個數╳每個像素占用的字節

其中像素的個數是行和列的乘積，而行和列的數值以及每個像素占用的字節數值可以通過函數ioctl（）取得或設置。下述代碼為打開framebuffer，讀取屏幕的可設置信息，并計算屏幕內存空間的字節數的過程。

struct fb_var_screeninfo vinfo;

int FraBuf= open("/dev/0", O_RDWR);

ioctl(fbfd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);

long int screensize = vinfo.xres * vinfo.yres* vinfo.bits_per_pixel;

?????? 取得屏幕的大小后，將打開的設備FraBuf得到的內存空間映射到系統中，如下所示，

char *fbp fbp = (char *)mmap(0, screensize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fbfd, 0);

????? 然后將前文得到的數據賦值即可。上面的函數的具體意義，讀者可以參看相關技術文檔，限于篇幅本文沒有闡述。這個過程和前文所述的捕獲過程是相反的過程。

?????? 5簡單字符的屏幕顯示技術

??????? 在數字圖像處理過程中，為了將處理后結果或數字顯示出來，可以在屏幕上開個區域進行顯示。如若字體較多需要字庫，如果僅僅是簡單的數字可以采用像素描繪的方法。本文作者就是采用后者輸出了數字。如數字“１”的描繪程序如下：

x=160;

for ( y = 210; y < 230; y++ ) {

location = (x+vinfo.xoffset) * (vinfo.bits_per_pixel/8) +y+vinfo.yoffset) * finfo.line_length;

?　　　　*(fbp + location) = 10;

?　　　　*(fbp + location + 1) =10;

?　　　　*(fbp + location + 2) =10;

}

?? ?? 其中x、y為屏幕的位置，而fbp就是前文打開的設備。

?????? 6 結束語

???? ? 本文采用的設備是基于SAMSUNG公司的ARM9芯片S3C2410,由于篇幅的限制本文沒有具體闡述整個系統，集中闡述了視頻圖像數據的捕獲和顯示，在這一過程中存在許多細節問題，限于篇幅沒有闡述。