基于Qt/Embedded的嵌入式數字監控系統控制界面的實現

于幫偉，鄧華秋

（華南理工大學 理學院，廣東 廣州 510640）

0 引言

在監控系統中，屏幕顯示（On Screen Display，OSD）是實現人機對話的基礎。目前為止，在簡單的硬件平臺上實現OSD主要有兩種途徑：一種實現方法是提取視頻的行場同步信號，并以此控制字符發生電路，通過開關在原視頻信號中嵌入字符信號，這種實現方法比較復雜，而且穩定性差；第二種方法是通過OSD專用集成芯片實現，這種方法相對于前一種實現較簡單，但是會增加系統的成本[1]。對于嵌入式系統來說，成本是必須考慮的重要方面。本文在以S3C6410為主控芯片的Linux嵌入式平臺上，在沒有增加硬件外設的條件下，利用Qt/Embed?ded4.5.3實現了人機交互界面，能夠準確響應自定義鍵盤信號。

1 系統介紹

S3C6410是一款16/32位RISC微處理器，以ARM1176JZF-S為核心，提供了強大的視頻處理能力和豐富的內部設備。操作系統為Linux2.6.24，作為穩定的開源系統，Linux為開發工作提供了很強的自主性和便利性。

界面開發工具是諾基亞公司提供的開源工具包Qt/Embedded4.5.3，使用C++作為開發語言。Qt/Embedded為界面開發提供了豐富的控件類、界面修飾工具和字體庫。Qt/Embedded的應用程序還可以直接寫內核緩沖幀。同時，作為嵌入式平臺專用庫，Qt/Embedded提供了自定義鍵盤和鼠標驅動接口，占用資源較少，裁剪方便，隨著更高版本的推出，移植到嵌入式平臺也越來越簡單，開發人員有更多的精力集中在界面的設計和優化上。Qt代碼可以一次編寫，多次編譯實現跨平臺應用，基本界面調試在PC上就可以進行，提高開發效率。系統整體框架如圖1所示。

2 視頻窗口疊加的實現

選擇在S3C6410上實現控制界面功能，在于S3C6410可以同時輸出5層視頻窗口，最終的視頻輸出是5層視頻窗口通過α疊加和Color Key綜合作用的結果，疊加方式是可編程的[2]。本文通過設置Color Key寄存器實現控制界面的隱藏和顯示。

在實際的顯示中，最外層視窗0（window0）顯示Qt/Embedded界面，視窗1（window1）顯示RGB565格式的視頻。視窗0和視窗1通過Color Key的疊加過程如圖2所示。

具體操作從硬件寄存器的設置和Linux應用程序兩個方面來說明。

2.1 Color Key的主要功能寄存器

在硬件層面主要是通過設置window1的Color Key控制寄存器W1KEYCON0實現的，W1KEYCON0的功能位如表1所示。

表1 window1的Color Key控制寄存器[2]

KEYBLEN位選擇是否使用alpha疊加功能疊加非關鍵區域，在使用Color Key實現疊加功能時，該位保持默認值。KEYEN_F是Color Key的開關位；實驗證明DIR?CON位是疊加效果控制位，當DIRCON為1時，window0中RGB值與COMPKEY相匹配的視頻數據將被window1中相應位置的視頻數據疊加掉；當DIRCON設置為0時，window0中的內容將被視window1完全疊加掉，相當于隱藏了視窗0中的內容，這時操作界面將隱藏。系統主要通過改變DIRCON的值來實現控制界面的隱藏與顯示。COMPKEY是window0中將被疊加掉的RGB值。

2.2 軟件實現

在Linux操作系統中，主要通過Linux內核提供的系統調用函數ioctl()實現對W1KEYCON0的設置[3]，其原型為int ioctl(int handle,int cmd,[int*argdx,int argcx])。

ioctl是對設備進行簡單操作的方法。其中，參數ar?gcx一般為控制設備的參數指針。隨S3C6410一起發布的Linux內核在Frame Buffer的驅動中實現了ioctl()函數接口，在用戶層通過系統調用函數ioctl()即可實現對W1KEYCON0的設置，從而實現視窗的疊加。其中，ioctl()設置寄存器W1KEYCON0的參數是如下結構體變量：

其中，direction用來設置W1KEYCON0中的DIRCON值。3個顏色分量用來設置COMPKEY的值。為了便于COMPKEY的設置，控制界面除有效區域外都設置成黑色。因此，COMPKEY 3個RGB分量應都為0。由于Col?or Key的顏色分量默認為RGB888格式的視頻格式，而文中使用的是RGB565格式的視頻，所以，在設置COMP?KEY時，紅色分量compkey_red和藍色分量compkey_blue的低3位需置位，綠色分量compkey_green的低2位需置位。

因此，顯示操作界面的Color Key的成員變量如下：

關閉或隱藏操作界面的結構體變量初始化如下：

3 界面的實現

本文所采用的平臺要求通過帶有4個方向鍵和回車鍵的鍵盤實現控制界面的操作。然而，默認情況下Qt/Embedded只支持個人PC的鍵盤模式，并且操作也不能完全由5個按鍵來完成，因此，需要子類化用到的控件類，得到自定義的控件組，使Qt/Embedded控件更適用于當前的嵌入式硬件系統。最后，為了實現與視頻信號疊加，需要對界面作一定的修飾。

3.1 實現正確的鍵盤響應

3.1.1 使Qt/Embedded響應自定義鍵盤信號

在內核層，鍵盤驅動通過每個按鍵的中斷處理函數產生一個唯一的16進制數表示的鍵值，定義的鍵值與5個按鍵的對應關系為：回車（0x1），上（0x2）,下（0x3），右（0x4）和左（0x5），通過驅動程序的read()將該鍵值發送到Linux用戶層。

在Qt/Embedded中有自定義鍵盤接口類QWSKey?boardHandler，通過子類化該類可以讓Qt響應自定義鍵盤信號。實現自定義鍵盤用到的另一個關鍵類是QSocketNotifier。QSocketNotifier對象可以監聽Linux中的文件描述符，當關于該文件的指定事件發生時，QWS?KeyboardHandler對象將發送activated()信號，通過Qt的信號槽機制可以將Qt以外的事件整合到Qt事件循環隊列中[4]，從而實現響應外部事件的效果。

通過在QWSKeyboardHandler子類的構造函數中創建QSocketNotifier對象，可以監聽鍵盤驅動的輸出信號，當檢測到鍵盤文件有輸出信號時，要做的工作如圖3所示[5]。

圖3 鍵盤信號處理流程

QWSKeyboardHandler的子類實現之后，便成功定義了Qt鍵盤驅動。調用上述鍵盤驅動，需要使用Qt服務進程管理類QWSServer。QWSServer可以封裝一個Qt服務進程，這里通過QWSServer::setKeyboardHandler(QWS?KeyboardHandler*)封裝上面的Qt鍵盤驅動。程序運行時，QWSServer將初始化鍵盤設備；當鍵盤產生中斷時，QWSServer讀取其中的鍵盤事件，并且將鍵盤事件傳送給相應的應用程序，從而實現Qt/Embedded應用程序響應自定義鍵盤信號。

3.1.2 讓Qt/Embedded控件正確響應鍵盤信號

得到Qt可以識別的鍵盤信號之后，要求使用這5個按鍵信號完成所有必要的操作。然而，默認情況下，Qt/Embedded中的控件只能響應典型的PC鍵盤信號。可以通過重定義Qt/Embedded控件類中的鍵盤事件響應函數keyPressEvent(QKeyEvent*event)來改變控件對鍵盤信號的響應[4]，這是一個繼承于QWidget的虛函數，主要實現控件對鍵盤事件的響應。控制界面的多數工作是通過QComoboBox顯示和完成的，重定義后的QComoboBox的成員函數keyPressEvent(QKeyEvent*event)關鍵代碼如下：

其中，OSD_open為標示OSD界面顯示與否的全局變量，當OSD正在顯示時，OSD_open=1，否則OSD_open=0，這里QComboBox分兩種情況響應鍵盤事件：

1）當OSD_open=1時，可以控制圖像化的OSD界面。按下左右鍵，QComboBox中的文本元素循環顯示。通過控制上下鍵，主界面循環改變聚焦的控件，相當于PC上的Tab鍵的功能。

2）當OSD_open=0時，控制界面已經被視頻數據完全疊加，說明當前輸出的視頻沒有控制界面，但是仍能夠正常響應鍵盤事件，當回車鍵按下時，調用Display Con?troller的ioctl()函數可以重新顯示控制界面。

3.2 控制功能的實現

對其他應用程序的控制是通過Qt/Embedded的信號槽機制實現的。信號和槽是一種高級接口，應用于對象之間的通信，是Qt的核心特性，也是Qt區別于其他工具包的重要之處[6]。控件接收正確的鍵盤信號后，將發送信號，之后與該信號通過connect()函數建立連接的槽函數被執行，控制工作在槽函數中完成。例如本文的監控系統能夠實現視頻的黑白和彩色兩種輸出模式，之間的轉換通過信號槽機制實現如下：

connect(displaymode_combobox,SIGNAL(currentIndexChanged(int)),this,SLOT(displaymode(int)));

其中，displaymode_combobox為選擇黑白或彩色的QComboBox對象，當通過左右鍵改變它的文本元素時，displaymode_combobox的信號currentIndexChanged(int)將被發送，該信號將觸發與其建立連接的槽函數display?mode(int)，在該槽函數中實現黑白彩色的轉換。

3.3 控制界面的修飾

操作界面顯示時應盡量不影響視頻的顯示效果，盡量只顯示與控制相關的字符信息，因此，需要對界面進行必要的修飾。為了便于視頻窗的疊加，將主窗口的顏色設置為黑色：

pal.setColor(QPalette::Window,QColor(0x00,0xff,0x00,0x00));

widget->setPalette(pal);

同時，Qt/Embedded4.5.3在嵌入式Linux中默認的背景顏色為綠色，為了便于圖層疊加，將背景顏色設置為黑色，通過QWSServer來實現的。通過該類，將背景顏色設置為黑色的語句為：

QBrush*BackColor=new QBrush(QColor(0,0,0));

QWSServer::setBackground(*BackColor);

可以通過setStyleSheet()函數進一步對界面的細節進行修飾，以美化界面。

3.4 中英文顯示

為了滿足不同用戶的需要，界面實現了中英文顯示，并且能夠手動切換。英語作為Qt/Embedded的默認語言，只需要系統的字體庫就可以正常顯示。Qt/Embedded提供了大量的國際化工具[6]，可以方便地生成自己的翻譯文件（.qm文件）。默認情況下，翻譯文件會在Qt/Em?bedded安裝目錄的/lib/fonts/下尋找對應的字體庫，只要將漢語字體庫放入該文件夾下，就可以通過翻譯文件實現中英文雙語顯示。

4 實驗驗證

得益于S3C6410的視頻疊加功能和Linux操作系統的支持，本文在S3C6410 Linux嵌入式平臺上使用Qt/Embedded 4.5.3，成功實現了視頻監控系統的控制界面功能，同時，利用自制的鍵盤流暢的控制界面。本文所述功能已經在監控攝像機中得到應用。效果如圖4所示。

[1] 王江，潘亞濤，陳健.DVB-C機頂盒中OSD功能的設計與實現[J].電視技術，2000，24（5）：31-33.

[2]Samsung Electronics.S3C6410X_UM_Rev[EB/OL].[2011-03-25].http://download.csdn.net/download/dclx/2759785.

[3]CORBET J，RUBINI A，KROAH-HARTMAN G.Linux設備驅動程序[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]Nokia Corporation.Qt for Embedded Linux reference documentation[EB/OL].[2011-03-25].http://doc.qt.nokia.com/4.5/index.html.

[5]張萍，徐晶.Qt_embedded環境下嵌入式鍵盤驅動的實現[J].計算機工程，2007，33（11）：254-258.

[6]BLANCHETTE J，SUMMERFIELD M.C++GUI programming with Qt 4[M].2nd ed.北京：電子工業出版社，2008.