基于嵌入式图像处理系统的软件设计与实现

陈韬

（江苏科技大学计算机学院，江苏镇江212003）

在人们进入到信息大爆炸时代的背景下，各种信息也不断丰富，网络技术及数字信息技术也处于高度发展状态，只有通过计算，才能够对各种信息进行合理。并且目前计算机并不只是局限于传统PC，而是包括各种性能、形态的嵌入式系统，在后PC时代不断到来的过程中，人们也开始逐渐接触嵌入式产品的概念，嵌入式产品也被广泛应用与人们日常生活及工作过程中，包括手机、空调及冰箱等家电。将嵌入式技术和图像处理相互结合，开发设计基于嵌入式图像处理的系统，能够进一步的降低系统成本，提高系统的可靠性、可移动性及可控性。那么本文就从嵌入式图像处理系统的软件方面进行设计，包括图像采集模块、Linux系统、文件模块等。

1 系统的设计流程

基于嵌入式图像处理系统软件主要包括文件模块、图像编码模块、Linux系统等构成，能够实现嵌入式图像的优化处理，提高系统的性能，并且使系统具有可扩展性[1]。系统的设计流程为：

图1 嵌入式图像处理系统软件设计结构

2 系统图像采集模块的设计

图像采集模块是系统在工作过程中能够良好运行的条件，其不仅要有硬件设计，还要有相应的软件支持实现，软件的设计主要包括器件逻辑控制时序设计及通讯设计，其都是通过CPLD实现[2]。

通过CCD图像传感器实现图像信号采集过程中，首先就要对CCD驱动电路进行设计。CCD驱动信号较多且复杂，并且要通过不同的电压实现驱动，所以就要设计软件驱动电路。在面阵像素不断增多的过程中，帧频率也会不断的提高，对于CCD驱动时序的要求也会越来越严格[3]。

本系统的CCD驱动时序主要包括感光区、串行寄存器、存储区及信号放大模块组成。使用单项时钟驱动作为基础，CCD的正常驱动要通过信号实现，分别为复位信号、控制存储器像素移动信号、控制感光区像素移动信号、控制串行读出串行寄存器们信号等。要根据读出模式，选择双通道或者单通道的输出及不同的模式[4]。图2为系统的时序图，通过图2可以看出来，要想能够使CCD正常的工作，需要的驱动时序数量要较多，并且关系较为复杂[5]。

图2 系统的时序图

CCD驱动方法中，单片机驱动是系统软件设计中常用的方式，具有良好的灵活性，但是频率较低。在复杂可编程逻辑器件不断发展的过程中，CCD的驱动方式也在发生着变化[6]，通过可编程逻辑器件CPLD实现电子电路设计能够缩短系统的开发周期，降低成本，提高系统的灵活性，并且其还具有擦除可编程的能力，在系统研发的过程中，在出现设计错误或者需要吸怪的时候，只要在原设计文件中实现重新变成就行，不需要对电路的布局进行修改，从而其被广泛应用到驱动电路维护、设计及升级过程中[7]。

图像的采集要通过图像清除、感光、并行传输及读出4个阶段，读出阶段的时间最长，在采集过程中，通过处理器发出信号并且告诉CPLD开始采集，在开始新采集之前，要先将所有的状态进行清除，从而能够提高ODB信号[8]。在清除之后进入到感光期，感光的时间相当于曝光的长度，短时间的曝光会导致CCD受到光子冲击，从而导致图像的曝光不足，但是长时间的曝光会导致图像感光过度。在曝光之后，就要使光电转换，将电荷进行转移。最后阶段就是将存储区中的像素通过串行寄存器发送输出端，读出期包括串行及传输两个过程，通过时钟脉冲实现[9]。图3为图像采集的实现过程。

图3 图像采集的实现过程

A表示空闲状态；B表示CCD清除状态；C表示光积分状态；D表示信号并行传输状态；E表示信号读出状态；F表示信号读出状态；G表示完成状态。

3 文件模块的设计

在嵌入式图像处理系统中文件模块的设计，使用LED接口直接和内置接口相互连接，在设计系统触摸屏的过程中，选择ADS作为系统界面触摸屏控制器，从而有效提高系统界面的控制能力。系统功能的实现包括图像文件的打开、包括、打印及退出等操作，系统文件的处理模块通过图像文件读取问题针对性的精心设计，从而能够实现图像的各种操作[10]，以下为系统图像文件的打开及保存功能的设计：

3.1 图像文件的打开

在嵌入式图像处理系统中，菜单的打开主要是在系统设计过程中使用uigetfile（）函数实现，实现图像标准的读取，从而能够在文件处理对话框中将图像打开[11]，设计代码主要代码为：

3.2 图像文件的保存

嵌入式图像处理系统设计中的图像堡村菜单主要是通过uiputfile（）标准实现的，设计代码为：

4 创建嵌入式Linux系统

处理器要创建嵌入式Linux系统功能，从而使应用软件能够在系统上运行，以此实现图像的捕获、编码及传输等功能。首先，将板卡的拨码开关设置为SD卡启动，将u boot bin启动文件进行烧写到nandflash中，之后将拨码开关设置为nandflash方式启动，将nfs根文件系统进行挂截，之后实现上电启动，实现应用程序的开发。在SD卡方式启动下，嵌入式操作系统要通过Uboot及MLO作为引导[12]，嵌入式Linux系统的引导过程详见图4。

图4 嵌入式Linux系统的引导过程

通过TI公司的底层驱动程序及软件开发包，通过虚拟机进入开发包目录，实现uboot源文件的编译，从而生成可执行ubootbin及MLO文件；实现linux源文件的编译，从而生成内核，将开发包中的rootfs文件系统打包压缩，将SD卡通过USB接口实现虚拟机的挂载，通过分区命令生成rootfs及boot分区，将其中的各文件宝贝到boot分区中，之后再rootfs分区中创建文件夹，将uimage及ibootbin拷贝到新建文件夹中。

将SD卡放入到卡板槽中，将板卡拨码的开关设置为启动，在通电之后，板卡系统的启动就会登录到新建文件夹中，实现loadsh脚本的运行。在等待命令运行完成之后，那么uimage及ubootbin就会到nadflash中烧写，断开板卡通电，将SD卡取出[13]。

启动nandflash，嵌入式操作系统的引导通过uboot实现，嵌入式liunx系统的引导实现详见图5。

图5 嵌入式liunx系统的引导实现

通过上图可以看出来，在系统启动之后，芯片内部的RBL会将Nandflash中的uboot程序引导到RAM运行中，uboot会根据不同的环境参数将文件到DDR存储器中加载并且运行，uimage启动之后会实现NFS根文件系统在虚拟机中的挂载，从而实现其他程序的开发。

5 系统的实现和运行

根据上文对系统的设计，系统的基本功能就是文件采集、图像采集等，本节就将模块的具体实现进行详细讲述。

5.1 文件的读入

在嵌入式平台中，并没有自带的实际文件库函数能够实现，所以要将文件读取到内存中，是系统得以实现的基础。本文所设计的系统主要处理两大块的图像，分别为256色图像及真彩图，所以要通过两个文件读入函数的设计进行实现。文件入读是算法中必须的，所以要将两个函数放入到文件夹中，以备后用，以下为图像数据读取的公共函数：

5.2 图形界面的实现

为了具有良好的人机交互界面，系统通过层次化结构实现图像界面，系统中的接口通过图像方式表示，通过键盘消息及触摸屏实现各分支的相应，以下介绍主界面接口的实现。

主界面接口为系统的核心，其中包括引导界面的功能，并且向下发展了不同框架的算法。从整体进行分析，其主要作用就是承上启下，将嵌入式系统的处理实现分级映射。主界面接口和引导界面的不同之处是在消息处理方面，主界面接口能够向下连接7个二级界面及返回处理，在处理过程中要注意程序设计的问题，也就是如何返回上级及如何做好下级返回。在确定图形界面实现细节之后，就能够实现具体算法接口，本节对其中某个接口代码进行说明，调用接口连接程序要通过触发事件实现，所以以下代码为消息等待的循环[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为代码等待消息，之后实现消息等待，如果满足3的消息类型，就会将消息中的触摸点纵横坐标参数进行提取，在得到消息参数之后进入到接口程序分支判断中，根据判断的结果转入到分支实现函数调用。8为接口部分，其上下都为在连接接口之前的必要处理。

5.3 系统的运行

图像处理系统使用事件驱动编程，也就是程序流程并不是只有一个入口及若干个出口的线路，而是程序会在循环状态，其中的程序从外部输入设备得到某些事件，比如鼠标或者按键操作等，之后根据事件类别做出针对性的相应，从而做出针对性的相应及功能，直到程序接收某个消息。事件驱动属于底层设备，其中包括消息循环及消息队列。通过命令能够进入到图像处理系统中，之后出来引导界面，点击触摸屏中的任意位置进入系统主界面，图6为系统主界面的功能。

图6 系统主界面的功能

系统具有其中图像算法选择，能够点击对应的触摸屏实现自身需求[15]。

6 结束语

目前，基于嵌入式的图像处理系统正在不断的被各个领域深入研究及丰富，将其通过模块化的设计，不仅能够实现图像信息的在线自动处理[16]，还能够实现图形的编辑处理，提高系统图像处理的准确率，并且实现图像几何变换、分割、增强及目标定位等功能，满足嵌入式图像处理的在线需求，有效提高系统的设计性能。