基于嵌入式圖像處理系統的軟件設計與實現

陳韜

（江蘇科技大學計算機學院，江蘇鎮江212003）

在人們進入到信息大爆炸時代的背景下，各種信息也不斷豐富，網絡技術及數字信息技術也處于高度發展狀態，只有通過計算，才能夠對各種信息進行合理。并且目前計算機并不只是局限于傳統PC，而是包括各種性能、形態的嵌入式系統，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品的概念，嵌入式產品也被廣泛應用與人們日常生活及工作過程中，包括手機、空調及冰箱等家電。將嵌入式技術和圖像處理相互結合，開發設計基于嵌入式圖像處理的系統，能夠進一步的降低系統成本，提高系統的可靠性、可移動性及可控性。那么本文就從嵌入式圖像處理系統的軟件方面進行設計，包括圖像采集模塊、Linux系統、文件模塊等。

1 系統的設計流程

基于嵌入式圖像處理系統軟件主要包括文件模塊、圖像編碼模塊、Linux系統等構成，能夠實現嵌入式圖像的優化處理，提高系統的性能，并且使系統具有可擴展性[1]。系統的設計流程為：

圖1 嵌入式圖像處理系統軟件設計結構

2 系統圖像采集模塊的設計

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

通過CCD圖像傳感器實現圖像信號采集過程中，首先就要對CCD驅動電路進行設計。CCD驅動信號較多且復雜，并且要通過不同的電壓實現驅動，所以就要設計軟件驅動電路。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驅動時序的要求也會越來越嚴格[3]。

本系統的CCD驅動時序主要包括感光區、串行寄存器、存儲區及信號放大模塊組成。使用單項時鐘驅動作為基礎，CCD的正常驅動要通過信號實現，分別為復位信號、控制存儲器像素移動信號、控制感光區像素移動信號、控制串行讀出串行寄存器們信號等。要根據讀出模式，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，需要的驅動時序數量要較多，并且關系較為復雜[5]。

圖2 系統的時序圖

CCD驅動方法中，單片機驅動是系統軟件設計中常用的方式，具有良好的靈活性，但是頻率較低。在復雜可編程邏輯器件不斷發展的過程中，CCD的驅動方式也在發生著變化[6]，通過可編程邏輯器件CPLD實現電子電路設計能夠縮短系統的開發周期，降低成本，提高系統的靈活性，并且其還具有擦除可編程的能力，在系統研發的過程中，在出現設計錯誤或者需要吸怪的時候，只要在原設計文件中實現重新變成就行，不需要對電路的布局進行修改，從而其被廣泛應用到驅動電路維護、設計及升級過程中[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，要先將所有的狀態進行清除，從而能夠提高ODB信號[8]。在清除之后進入到感光期，感光的時間相當于曝光的長度，短時間的曝光會導致CCD受到光子沖擊，從而導致圖像的曝光不足，但是長時間的曝光會導致圖像感光過度。在曝光之后，就要使光電轉換，將電荷進行轉移。最后階段就是將存儲區中的像素通過串行寄存器發送輸出端，讀出期包括串行及傳輸兩個過程，通過時鐘脈沖實現[9]。圖3為圖像采集的實現過程。

圖3 圖像采集的實現過程

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

3 文件模塊的設計

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

3.1 圖像文件的打開

在嵌入式圖像處理系統中，菜單的打開主要是在系統設計過程中使用uigetfile（）函數實現，實現圖像標準的讀取，從而能夠在文件處理對話框中將圖像打開[11]，設計代碼主要代碼為：

3.2 圖像文件的保存

嵌入式圖像處理系統設計中的圖像堡村菜單主要是通過uiputfile（）標準實現的，設計代碼為：

4 創建嵌入式Linux系統

處理器要創建嵌入式Linux系統功能，從而使應用軟件能夠在系統上運行，以此實現圖像的捕獲、編碼及傳輸等功能。首先，將板卡的撥碼開關設置為SD卡啟動，將u boot bin啟動文件進行燒寫到nandflash中，之后將撥碼開關設置為nandflash方式啟動，將nfs根文件系統進行掛截，之后實現上電啟動，實現應用程序的開發。在SD卡方式啟動下，嵌入式操作系統要通過Uboot及MLO作為引導[12]，嵌入式Linux系統的引導過程詳見圖4。

圖4 嵌入式Linux系統的引導過程

通過TI公司的底層驅動程序及軟件開發包，通過虛擬機進入開發包目錄，實現uboot源文件的編譯，從而生成可執行ubootbin及MLO文件；實現linux源文件的編譯，從而生成內核，將開發包中的rootfs文件系統打包壓縮，將SD卡通過USB接口實現虛擬機的掛載，通過分區命令生成rootfs及boot分區，將其中的各文件寶貝到boot分區中，之后再rootfs分區中創建文件夾，將uimage及ibootbin拷貝到新建文件夾中。

將SD卡放入到卡板槽中，將板卡撥碼的開關設置為啟動，在通電之后，板卡系統的啟動就會登錄到新建文件夾中，實現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，嵌入式操作系統的引導通過uboot實現，嵌入式liunx系統的引導實現詳見圖5。

圖5 嵌入式liunx系統的引導實現

通過上圖可以看出來，在系統啟動之后，芯片內部的RBL會將Nandflash中的uboot程序引導到RAM運行中，uboot會根據不同的環境參數將文件到DDR存儲器中加載并且運行，uimage啟動之后會實現NFS根文件系統在虛擬機中的掛載，從而實現其他程序的開發。

5 系統的實現和運行

根據上文對系統的設計，系統的基本功能就是文件采集、圖像采集等，本節就將模塊的具體實現進行詳細講述。

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能夠實現，所以要將文件讀取到內存中，是系統得以實現的基礎。本文所設計的系統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的設計進行實現。文件入讀是算法中必須的，所以要將兩個函數放入到文件夾中，以備后用，以下為圖像數據讀取的公共函數：

5.2 圖形界面的實現

為了具有良好的人機交互界面，系統通過層次化結構實現圖像界面，系統中的接口通過圖像方式表示，通過鍵盤消息及觸摸屏實現各分支的相應，以下介紹主界面接口的實現。

主界面接口為系統的核心，其中包括引導界面的功能，并且向下發展了不同框架的算法。從整體進行分析，其主要作用就是承上啟下，將嵌入式系統的處理實現分級映射。主界面接口和引導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細節之后，就能夠實現具體算法接口，本節對其中某個接口代碼進行說明，調用接口連接程序要通過觸發事件實現，所以以下代碼為消息等待的循環[14]。

（1）message=WaitMessage（0）；

（2）switch（message-＞Message）{

（3）case OSM_TOUCH_SCREEN：

（4）position1.x=message-＞WParam&0xffff；

（5）position1.y=message-＞WParam＞＞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參數進行提取，在得到消息參數之后進入到接口程序分支判斷中，根據判斷的結果轉入到分支實現函數調用。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 系統的運行

圖像處理系統使用事件驅動編程，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，而是程序會在循環狀態，其中的程序從外部輸入設備得到某些事件，比如鼠標或者按鍵操作等，之后根據事件類別做出針對性的相應，從而做出針對性的相應及功能，直到程序接收某個消息。事件驅動屬于底層設備，其中包括消息循環及消息隊列。通過命令能夠進入到圖像處理系統中，之后出來引導界面，點擊觸摸屏中的任意位置進入系統主界面，圖6為系統主界面的功能。

圖6 系統主界面的功能

系統具有其中圖像算法選擇，能夠點擊對應的觸摸屏實現自身需求[15]。

6 結束語

目前，基于嵌入式的圖像處理系統正在不斷的被各個領域深入研究及豐富，將其通過模塊化的設計，不僅能夠實現圖像信息的在線自動處理[16]，還能夠實現圖形的編輯處理，提高系統圖像處理的準確率，并且實現圖像幾何變換、分割、增強及目標定位等功能，滿足嵌入式圖像處理的在線需求，有效提高系統的設計性能。