嵌入式ARM及ARM-Linux操作系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、通信、醫(yī)療儀器等各個(gè)領(lǐng)域。ARM設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。 許多公共場(chǎng)所和居民小區(qū)等地點(diǎn)都安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，因而視頻監(jiān)控與顯示終端的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

　　本文以嵌入式ARM作為硬件，ARM異步響應(yīng)方式異步響應(yīng)方式ARM也是一種非平衡數(shù)據(jù)鏈路操作方式，與NRM不同的是，ARM下的傳輸過(guò)程由從站啟動(dòng)。從站主動(dòng)發(fā)送給主站的一個(gè)或一組幀中可包含有信息，也可以是僅以控制為目的而發(fā)的幀。在這種操作方式下，由從站來(lái)控制超時(shí)和重發(fā)。該方式對(duì)采用輪詢(xún)方式的多站鏈路來(lái)說(shuō)是必不可少的。采用上述平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）ARM-Linux與OpenCV庫(kù)同為開(kāi)源的軟件，開(kāi)發(fā)者不僅可以根據(jù)需要修改源代碼來(lái)提高軟件開(kāi)發(fā)的靈活性，而且可以節(jié)約開(kāi)發(fā)成本；（2） OpenCV庫(kù)提供了許多視頻圖像處理的函數(shù)，因此開(kāi)發(fā)者不需要花費(fèi)大量的時(shí)間自己編寫(xiě)，可以提高軟件的開(kāi)發(fā)效率；（3）OpenCV庫(kù)中大部分函數(shù)都經(jīng)過(guò)匯編優(yōu)化，基于OpenCV的程序運(yùn)行起來(lái)有更高的效率。

　　視頻監(jiān)控與顯示系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　硬件由三部分組成：（1）攝像頭。負(fù)責(zé)采集原始視頻流數(shù)據(jù)；（2）ARM開(kāi)發(fā)板。負(fù)責(zé)處理原始的視頻流數(shù)據(jù)；（3）LCD液晶顯示器。負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的顯示。軟件部分也由三部分組成，這三部分運(yùn)行在ARM-Liunx操作系統(tǒng)下：（1）攝像頭驅(qū)動(dòng)程序；（2）攝像頭應(yīng)用程序；（3）LCD顯示驅(qū)動(dòng)程序。

　　1 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)方法

　　1.1 硬件平臺(tái)

　　嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)由主機(jī)PC機(jī)和目標(biāo)機(jī)ARM板組成。

　　Pentium 4的設(shè)計(jì)目標(biāo)是適應(yīng)更快的時(shí)鐘速度，因?yàn)橄M(fèi)者開(kāi)始依據(jù)更高的時(shí)鐘購(gòu)買(mǎi)計(jì)算機(jī)，是Intel生產(chǎn)的第7代x86微處理器，并且是繼1995年出品的Pentium Pro之后的款重新設(shè)計(jì)過(guò)的處理器，首款產(chǎn)品代碼為：Willamette，擁有1.4GHz左右的內(nèi)核時(shí)鐘，并使用Socket 423腳位架構(gòu)，不同于Pentium II、Pentium III和各種Celeron處理器，因?yàn)槭侨略O(shè)計(jì)的產(chǎn)品，所以與Pentium Pro的關(guān)聯(lián)很小。值得注意的是，Pentium 4有著非?？焖俚?00MHz的前端總線，之后更有提升到533MHz、800MHz。它其實(shí)是一個(gè)為100MHz的四條并列總線 ，因此理論上它可以傳送比一般總線多四倍的容量，所以號(hào)稱(chēng)有400MHz的速度。

　　所以主機(jī)PC要求CPU為Pentium 4或以上，擁有一個(gè)25針的并口、一個(gè)9針的RS-232串口和一個(gè)20GB的硬盤(pán)。ARM板是由深圳市武耀博德信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的270-S平臺(tái)。

　　1.2 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

　　軟件程序的開(kāi)發(fā)是在PC機(jī)上完成的，PC機(jī)上的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Redhat Linux 9.0。Redhat提供了許多與程序開(kāi)發(fā)有關(guān)的工具，還要在PC機(jī)的Linux操作系統(tǒng)下安裝QT和OpenCV軟件工具包。

　?。?）QT軟件包。包括QT/X11 2.3.2庫(kù)、QT/Embedded 2.3.2庫(kù)、Qtopia 1.7.0庫(kù)、uic工具、qmake工具、tmake工具和QT designer工具等。

　　（2）OpenCV軟件包。包括Libhighgui.so.0.9.7、Libhighgui.la、Libcxcore.so.0.9.7和Libcxcore.la等主要的庫(kù)。

　　在開(kāi)發(fā)攝像頭應(yīng)用程序之前，要把u-boot、ARM-Linux操作系統(tǒng)和外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序移植進(jìn)入ARM目標(biāo)板270-S中，這樣主機(jī)PC上開(kāi)發(fā)的各類(lèi)應(yīng)用程序軟件才能在ARM目標(biāo)板上運(yùn)行。

　　2 攝像頭應(yīng)用程序的構(gòu)架與關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 攝像頭應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)

　　應(yīng)用程序由兩部分構(gòu)成：

　?。?）在ARM-Linux QT/Qtopia圖形操作系統(tǒng)下的窗口界面設(shè)計(jì)（即人機(jī)界面的設(shè)計(jì)）。

　?。?）對(duì)視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并把處理完成的圖像數(shù)據(jù)顯示在QT/Qtopia圖形界面下。

　　攝像頭應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖與庫(kù)函數(shù)的調(diào)用關(guān)系如圖2所示。

　　2.2 攝像頭應(yīng)用程序的關(guān)鍵技術(shù)

　　本設(shè)計(jì)應(yīng)用程序以O(shè)penCV庫(kù)和QT庫(kù)為，負(fù)責(zé)處理視頻數(shù)據(jù)與圖像顯示。

　　2.2.1 OpenCV簡(jiǎn)介

　　OpenCV于1999年由Intel建立，現(xiàn)在由Willow Garage提供支持。OpenCV是一個(gè)基于BSD許可證授權(quán)（開(kāi)源）發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，可以運(yùn)行在Linux、Windows和Mac OS操作系統(tǒng)上。它輕量級(jí)而且高效——由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類(lèi)構(gòu)成，同時(shí)提供了Python、Ruby、MATLAB等語(yǔ)言的接口，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法。

　　2.2.2 嵌入式QT與Qtopia簡(jiǎn)介

　　QT是跨平臺(tái)C++圖形用戶(hù)界面工具。由于QT采用面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)，具有跨多平臺(tái)、界面設(shè)計(jì)美觀等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)镵DE等項(xiàng)目使用QT作為支持庫(kù)，所以有許多基于X-Windows的PC機(jī)上的應(yīng)用程序可以非常方便地移植到QT上。

　　Qtopia 是Trolltech 公司為采用嵌入式Linux　操作系統(tǒng)的消費(fèi)電子設(shè)備而開(kāi)發(fā)的綜合應(yīng)用平臺(tái)， Qtopia包含完整的應(yīng)用層、靈活的用戶(hù)界面、窗口操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序啟動(dòng)程序以及開(kāi)發(fā)框架。 擁有窗口操作系統(tǒng)，游戲和多媒體，工作輔助應(yīng)用程序，同步框架，PIM應(yīng)用程序，Internet應(yīng)用程序，開(kāi)發(fā)環(huán)境，輸入法 Java集成，本地化支持，個(gè)性化選項(xiàng)，無(wú)線支持等特點(diǎn)。

　　3 QT窗體的設(shè)計(jì)方法

　　在QT編程中，有兩種設(shè)計(jì)程序窗體（即人機(jī)界面）的方法。種方法完全采用面向?qū)ο蟮腃++編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)者需要手工編寫(xiě)所有的代碼；另一種是采用編寫(xiě)代碼與QT Designer設(shè)計(jì)工具相結(jié)合的方法。QT Designer工具會(huì)幫助開(kāi)發(fā)者完成大部分繪制窗體的工作。本文攝像頭應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)采用第二種方法。QT Designer是QT系統(tǒng)專(zhuān)用的窗口界面開(kāi)發(fā)工具，它不包含任何編譯器，而僅僅提供一個(gè)可視化界面編輯器。QT Designer將編輯完成的窗體界面通過(guò)XML保存為。ui文件，然后由專(zhuān)用的uic界面編譯器將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)C++的源文件。

　　4 視頻圖像處理與顯示

　　視頻圖像處理與顯示的過(guò)程如圖3所示。

　　其過(guò)程主要由四步組成

　　（1）初始化視頻結(jié)構(gòu)

　　CvCapture*capture=0；

　　capture=cvCaptureFromCAM（-1）；

　　cvSetCaptureProperty

　?。╟apture，CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH，320）；

　　cvSetCaptureProperty

　　（capture，CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT，240）；

　　在OpenCV應(yīng)用程序中都要定義一個(gè)CvCapture類(lèi)型的指針變量capture。CvCapture類(lèi)是視頻獲取結(jié)構(gòu)，它沒(méi)有公共接口，各類(lèi)圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的頭地址都可以賦值給指針變量capture。在capture指針被賦值之后，可以作為其他圖像處理函數(shù)的參數(shù)使用，完成各種圖像處理功能。

　　OpenCV庫(kù)中用CvCapture*cvCaptureFromCAM（int index）函數(shù)對(duì)攝像頭分配視頻圖像數(shù)據(jù)流和初始化CvCapture結(jié)構(gòu)。函數(shù)參數(shù)index為攝像頭索引值。如果系統(tǒng)只有一個(gè)攝像頭或者使用哪個(gè)攝像頭都無(wú)所謂，則index的值為-1。

　　對(duì)視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)capture設(shè)置參數(shù)。用到的OpenCV的庫(kù)函數(shù)為int cvSetCaptureProperty。參數(shù)capture指定哪個(gè)視頻獲取結(jié)構(gòu)需要設(shè)置參數(shù)；property_id為屬性標(biāo)識(shí)符，由幾個(gè)固定值組成，用來(lái)決定設(shè)置哪個(gè)參數(shù)。

　　（2）開(kāi)啟定時(shí)器后抓取圖像幀

　　關(guān)鍵代碼：

　　QTimer CameraTimer->start（50，false）；

　　int cvGrabFrame（capture）；

　　IplImage*frame=cvRetrieveFrame（capture）；

　　如果視頻結(jié)構(gòu)初始化成功，則開(kāi)啟由QT庫(kù)提供的QTimer定時(shí)器。代碼表示為：CameraTimer->start（50，false）。參數(shù)“50”表示QT定時(shí)器每隔50 ms觸發(fā)。

　　該槽函數(shù)抓取一幀圖像的方法為：首先調(diào)用OpenCV庫(kù)函數(shù)int cvGrabFrame（CvCapture*capture）；從攝像頭實(shí)時(shí)采集的視頻流中快速抓取一幀圖像數(shù)據(jù)，并且把這幀圖像數(shù)據(jù)存入ARM板的緩存中，這幀圖像數(shù)據(jù)對(duì)于用戶(hù)是不可見(jiàn)的。采用這種機(jī)制，是因?yàn)閏vGrabFrame（）可以把一幀圖像數(shù)據(jù)以快的速度存入緩存中[1]。

　　接下來(lái)，調(diào)用OpenCV庫(kù)函數(shù)cvRetrieveFrame（）。這個(gè)函數(shù)把剛剛通過(guò)cvGrabFrame（）抓取的一幀圖像數(shù)據(jù)從內(nèi)部緩存重新讀取出來(lái)。具體代碼為：IplImage*frame=cvRetrieveFrame（capture）。事實(shí)上在調(diào)用這個(gè)函數(shù)后，OpenCV內(nèi)部會(huì)完成多步復(fù)雜的圖像處理的工作。

　?。?）視頻格式的轉(zhuǎn)化

　　關(guān)鍵代碼：

　　for（int y=0；y<height；y++）

　　{  for（int x=0； x<width； x++）

　　{  for（int i=0；i<3；i++）

　　{*dst++=*frame->imageData++；}

　　*dst++=0；}}

　　由于cvRetrieveFrame（）重新讀取到的一幀圖像數(shù)據(jù)是IplImage類(lèi)型，IplImage類(lèi)型是24位真彩的三通道BGR（BGR24），而QT庫(kù)內(nèi)與圖像處理與顯示相關(guān)的函數(shù)只支持對(duì)1 bit、8 bit或者32 bit的位圖進(jìn)行處理。因此為了使IplImage類(lèi)型幀圖像能夠在QT/Qtopia圖像界面中顯示，又不降低視頻圖像質(zhì)量，需要通過(guò)程序?qū)?4位（BRG24）幀圖像轉(zhuǎn)化為32位（BRG32）幀圖像。

　　BGR32每一個(gè)像素點(diǎn)除了擁有與BGR24相同的紅綠藍(lán)三種顏色，每種顏色8 bit外，要還在這三種顏色共24 bit的數(shù)據(jù)后面添加一組長(zhǎng)度為8 bit的0數(shù)據(jù)。因此，圖像格式轉(zhuǎn)化的方法應(yīng)該在原始的24位圖像數(shù)據(jù)中每隔三個(gè)字節(jié)加入一個(gè)字節(jié)的0。下列代碼為BGR24->BGR32圖像中一個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)化程序，其中frame->imageData為原始圖像的指針，dst為轉(zhuǎn)化后圖像的指針。

　　for（int i=0；i<3；i++）

　　{*dst++=*frame->imageData++；}

　　*dst++=0；

　　（4）將視頻圖像數(shù)據(jù)顯示在QT/Qtopia圖形界面

　　關(guān)鍵代碼：

　　QImage image=QImage（（uchar*）image32，frame->width，

　　frame->height，32，NULL，0，QImage：：LittleEndian）；

　　QPainter display（picCamera）；

　　display.drawImage（0，0，image）；

　　首先調(diào)用QImage構(gòu)造函數(shù)把上一步轉(zhuǎn)換好的32位（BGR32）圖像數(shù)據(jù)初始化為QT圖像數(shù)據(jù)格式；然后調(diào)用QT的低水平繪制類(lèi)QPainter的構(gòu)造函數(shù)對(duì)主窗口的顯示器組建初始化；初始化結(jié)束后將調(diào)用QPainter類(lèi)的drawImage成員函數(shù)，把通過(guò)QImage類(lèi)轉(zhuǎn)換過(guò)的圖像數(shù)據(jù)image繪制在主窗體的顯示器中，代碼為QPainter.drawImage（0，0，image）。

　　ARM平臺(tái)的手持移動(dòng)監(jiān)控與顯示終端設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。OpenCV圖像處理庫(kù)以其開(kāi)源性、高效性、靈活性幫助開(kāi)發(fā)者大幅度地縮減開(kāi)發(fā)周期。ARM-Linux QT/Qtopia與其他ARM端的圖像界面操作系統(tǒng)相比較有、移植性好、內(nèi)核精簡(jiǎn)、更加穩(wěn)定的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)以O(shè)penCV圖像處理庫(kù)為，在ARM Linux QT/Qtopia圖形界面操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)攝像頭顯示的應(yīng)用程序，有非常好的實(shí)用性，可以廣泛應(yīng)用于各類(lèi)ARM終端設(shè)備中。