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)療儀器等各個領(lǐng)域。ARM設(shè)計了大量高性能、廉價、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。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。 許多公共場所和居民小區(qū)等地點都安裝了視頻監(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下的傳輸過程由從站啟動。從站主動發(fā)送給主站的一個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，由從站來控制超時和重發(fā)。該方式對采用輪詢方式的多站鏈路來說是必不可少的。采用上述平臺具有以下優(yōu)點：（1）ARM-Linux與OpenCV庫同為開源的軟件，開發(fā)者不僅可以根據(jù)需要修改源代碼來提高軟件開發(fā)的靈活性，而且可以節(jié)約開發(fā)成本；（2） OpenCV庫提供了許多視頻圖像處理的函數(shù)，因此開發(fā)者不需要花費大量的時間自己編寫，可以提高軟件的開發(fā)效率；（3）OpenCV庫中大部分函數(shù)都經(jīng)過匯編優(yōu)化，基于OpenCV的程序運行起來有更高的效率。

　　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。負責采集原始視頻流數(shù)據(jù)；（2）ARM開發(fā)板。負責處理原始的視頻流數(shù)據(jù)；（3）LCD液晶顯示器。負責圖像數(shù)據(jù)的顯示。軟件部分也由三部分組成，這三部分運行在ARM-Liunx操作系統(tǒng)下：（1）攝像頭驅(qū)動程序；（2）攝像頭應(yīng)用程序；（3）LCD顯示驅(qū)動程序。

　　1 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)方法

　　1.1 硬件平臺

　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺由主機PC機和目標機ARM板組成。

　　Pentium 4的設(shè)計目標是適應(yīng)更快的時鐘速度，因為消費者開始依據(jù)更高的時鐘購買計算機，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)計過的處理器，首款產(chǎn)品代碼為：Willamette，擁有1.4GHz左右的內(nèi)核時鐘，并使用Socket 423腳位架構(gòu)，不同于Pentium II、Pentium III和各種Celeron處理器，因為是全新設(shè)計的產(chǎn)品，所以與Pentium Pro的關(guān)聯(lián)很小。值得注意的是，Pentium 4有著非常快速到400MHz的前端總線，之后更有提升到533MHz、800MHz。它其實是一個為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，所以號稱有400MHz的速度。

　　所以主機PC要求CPU為Pentium 4或以上，擁有一個25針的并口、一個9針的RS-232串口和一個20GB的硬盤。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。

　　1.2 軟件開發(fā)平臺

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

　　（1）QT軟件包。包括QT/X11 2.3.2庫、QT/Embedded 2.3.2庫、Qtopia 1.7.0庫、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。

　　在開發(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)動程序移植進入ARM目標板270-S中，這樣主機PC上開發(fā)的各類應(yīng)用程序軟件才能在ARM目標板上運行。

　　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：

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

　　（2）對視頻流數(shù)據(jù)進行處理，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)計應(yīng)用程序以O(shè)penCV庫和QT庫為，負責處理視頻數(shù)據(jù)與圖像顯示。

　　2.2.1 OpenCV簡介

　　OpenCV于1999年由Intel建立，現(xiàn)在由Willow Garage提供支持。OpenCV是一個基于BSD許可證授權(quán)（開源）發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫，可以運行在Linux、Windows和Mac OS操作系統(tǒng)上。它輕量級而且高效——由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。

　　2.2.2 嵌入式QT與Qtopia簡介

　　QT是跨平臺C++圖形用戶界面工具。由于QT采用面向?qū)ο箝_發(fā)，具有跨多平臺、界面設(shè)計美觀等特點，得到廣泛應(yīng)用。因為KDE等項目使用QT作為支持庫，所以有許多基于X-Windows的PC機上的應(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)的消費電子設(shè)備而開發(fā)的綜合應(yīng)用平臺， Qtopia包含完整的應(yīng)用層、靈活的用戶界面、窗口操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序啟動程序以及開發(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，開發(fā)環(huán)境，輸入法 Java集成，本地化支持，個性化選項，無線支持等特點。

　　3 QT窗體的設(shè)計方法

　　在QT編程中，有兩種設(shè)計程序窗體（即人機界面）的方法。種方法完全采用面向?qū)ο蟮腃++編程語言實現(xiàn)，開發(fā)者需要手工編寫所有的代碼；另一種是采用編寫代碼與QT Designer設(shè)計工具相結(jié)合的方法。QT Designer工具會幫助開發(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)計采用第二種方法。QT Designer是QT系統(tǒng)專用的窗口界面開發(fā)工具，它不包含任何編譯器，而僅僅提供一個可視化界面編輯器。QT Designer將編輯完成的窗體界面通過XML保存為。ui文件，然后由專用的uic界面編譯器將其轉(zhuǎn)換為標準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程如圖3所示。

　　其過程主要由四步組成

　　（1）初始化視頻結(jié)構(gòu)

　　CvCapture*capture=0；

　　capture=cvCaptureFromCAM（-1）；

　　cvSetCaptureProperty

　　（capture，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CvCapture類型的指針變量capture。CvCapture類是視頻獲取結(jié)構(gòu)，它沒有公共接口，各類圖像數(shù)據(jù)存儲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庫中用CvCapture*cvCaptureFromCAM（int index）函數(shù)對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)只有一個攝像頭或者使用哪個攝像頭都無所謂，則index的值為-1。

　　對視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)capture設(shè)置參數(shù)。用到的OpenCV的庫函數(shù)為int cvSetCaptureProperty。參數(shù)capture指定哪個視頻獲取結(jié)構(gòu)需要設(shè)置參數(shù)；property_id為屬性標識符，由幾個固定值組成，用來決定設(shè)置哪個參數(shù)。

　　（2）開啟定時器后抓取圖像幀

　　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，則開啟由QT庫提供的QTimer定時器。代碼表示為：CameraTimer->start（50，false）。參數(shù)“50”表示QT定時器每隔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庫函數(shù)int cvGrabFrame（CvCapture*capture）；從攝像頭實時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)對于用戶是不可見的。采用這種機制，是因為cvGrabFrame（）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，調(diào)用OpenCV庫函數(shù)cvRetrieveFrame（）。這個函數(shù)把剛剛通過cvGrabFrame（）抓取的一幀圖像數(shù)據(jù)從內(nèi)部緩存重新讀取出來。具體代碼為：IplImage*frame=cvRetrieveFrame（capture）。事實上在調(diào)用這個函數(shù)后，OpenCV內(nèi)部會完成多步復雜的圖像處理的工作。

　　（3）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類型，IplImage類型是24位真彩的三通道BGR（BGR24），而QT庫內(nèi)與圖像處理與顯示相關(guān)的函數(shù)只支持對1 bit、8 bit或者32 bit的位圖進行處理。因此為了使IplImage類型幀圖像能夠在QT/Qtopia圖像界面中顯示，又不降低視頻圖像質(zhì)量，需要通過程序?qū)?4位（BRG24）幀圖像轉(zhuǎn)化為32位（BRG32）幀圖像。

　　BGR32每一個像素點除了擁有與BGR24相同的紅綠藍三種顏色，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)中每隔三個字節(jié)加入一個字節(jié)的0。下列代碼為BGR24->BGR32圖像中一個點的轉(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QPainter的構(gòu)造函數(shù)對主窗口的顯示器組建初始化；初始化結(jié)束后將調(diào)用QPainter類的drawImage成員函數(shù)，把通過QImage類轉(zhuǎn)換過的圖像數(shù)據(jù)image繪制在主窗體的顯示器中，代碼為QPainter.drawImage（0，0，image）。

　　ARM平臺的手持移動監(jiān)控與顯示終端設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)域。OpenCV圖像處理庫以其開源性、高效性、靈活性幫助開發(fā)者大幅度地縮減開發(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、更加穩(wěn)定的特點。本設(shè)計以O(shè)penCV圖像處理庫為，在ARM Linux QT/Qtopia圖形界面操作系統(tǒng)下實現(xiàn)攝像頭顯示的應(yīng)用程序，有非常好的實用性，可以廣泛應(yīng)用于各類ARM終端設(shè)備中。