摘  要： 以嵌入式ARM為硬件平臺(tái)，以ARM-Linux" title="ARM-Linux">ARM-Linux為軟件平臺(tái)，在QT/Qtopia" title="QT/Qtopia">QT/Qtopia圖形用戶界面下，通過(guò)調(diào)用OpenCV" title="OpenCV">OpenCV圖形處理庫(kù)設(shè)計(jì)攝像頭應(yīng)用程序，最終實(shí)現(xiàn)把攝像頭采集到的視頻流數(shù)據(jù)顯示在Qtopia圖形用戶界面窗體上。介紹了QT編程的基本原理，闡述了OpenCV圖像處理庫(kù)的工作機(jī)制與使用方法。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)；ARM-Linux；QT/Qtopia；OpenCV

    隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，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。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。于是，如何以更高的效率和更低的成本設(shè)計(jì)視頻監(jiān)控設(shè)備的硬件和軟件就成為廣大研發(fā)人員關(guān)心的問(wèn)題。
    本文以嵌入式ARM作為硬件核心，在ARM-Linux QT/Qtopia圖形操作系統(tǒng)下開發(fā)攝像頭應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)攝像頭對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示。為了提高應(yīng)用程序的開發(fā)效率，本設(shè)計(jì)采用了OpenCV圖形處理庫(kù)。攝像頭視頻顯示的流程為：首先ARM-Linux通過(guò)攝像頭驅(qū)動(dòng)程序控制攝像頭采集視頻流數(shù)據(jù)，然后利用攝像頭應(yīng)用程序?qū)Σ杉降囊曨l流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終使經(jīng)過(guò)處理的視頻流數(shù)據(jù)能夠在LCD屏上顯示。采用上述平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)ARM-Linux與OpenCV庫(kù)同為開源的免費(fèi)軟件，開發(fā)者不僅可以根據(jù)需要修改源代碼來(lái)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(kù)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(fèi)大量的時(shí)間自己編寫，可以提高軟件的開發(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?？刂圃贏RM板把攝像頭采集到的視頻流數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存中，然后對(duì)內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即把原始圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以在ARM-Linux QT/Qtopia操作系統(tǒng)下顯示的圖像數(shù)據(jù)；(3)LCD顯示驅(qū)動(dòng)程序。本文將著重闡述運(yùn)行在ARM-Linux QT下的攝像頭應(yīng)用程序。
1 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)方法
1.1 硬件平臺(tái)
    嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)由主機(jī)PC機(jī)和目標(biāo)機(jī)ARM板組成。
    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。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 軟件開發(fā)平臺(tái)
    軟件程序的開發(fā)是在PC機(jī)上完成的，PC機(jī)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(jī)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(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上開發(fā)的各類應(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：
    (1)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))。這部分是通過(guò)調(diào)用QT/Embedded庫(kù)的各種庫(kù)函數(shù)與窗口組件來(lái)完成的。
    (2)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。這部分設(shè)計(jì)是攝像頭應(yīng)用程序的核心，除了調(diào)用QT/Embedded庫(kù)函數(shù)，還要調(diào)用OpenCV庫(kù)函數(shù)。
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)為核心，負(fù)責(zé)處理視頻數(shù)據(jù)與圖像顯示。
2.2.1 OpenCV簡(jiǎn)介
    開放源代碼的計(jì)算機(jī)圖像處理庫(kù)OpenCV(Intel Open Source Computer Vision Library)是由一些C函數(shù)和C++類所組成的庫(kù)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像處理及計(jì)算機(jī)圖像算法。OpenCV可以與英特爾公司所開發(fā)的圖形處理庫(kù)IPL兼容，所以它能夠高效而充分地運(yùn)行在Intel處理器上，主要用于對(duì)圖像進(jìn)行高級(jí)處理，例如特征檢測(cè)與跟蹤、運(yùn)動(dòng)分析及3D重建等。
2.2.2 嵌入式QT與Qtopia簡(jiǎn)介
    QT是跨平臺(tái)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(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是由Trolltech公司開發(fā)的基于QT庫(kù)的消費(fèi)電子設(shè)備綜合應(yīng)用平臺(tái)。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(dòng)程序以及開發(fā)框架，并具有游戲和多媒體、工作輔助應(yīng)用程序、同步框架、PIM應(yīng)用程序、Internet應(yīng)用程序等。本設(shè)計(jì)應(yīng)用程序顯示在Qtopia中。
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。第一種方法完全采用面向?qū)ο蟮腃++編程語(yǔ)言實(shí)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(jì)工具相結(jié)合的方法。QT Designer工具會(huì)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(jì)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(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)。關(guān)鍵代碼：
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(gè)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(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。本設(shè)計(jì)開發(fā)板只連接一個(gè)攝像頭，因此代碼為capture=cvCaptureFromCAM(-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(CvCapture* capture，int property_id，double value)。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)一次，即發(fā)出一個(gè)內(nèi)部信號(hào)調(diào)用一個(gè)槽函數(shù)，該槽函數(shù)負(fù)責(zé)從視頻數(shù)據(jù)流中抓取一幀圖像。
    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)于用戶是不可見的。采用這種機(jī)制，是因?yàn)閏vGrabFrame()可以把一幀圖像數(shù)據(jù)以最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，例如解碼等。
    (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(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[2]。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(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類的drawImage成員函數(shù)，把通過(guò)QImage類轉(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)。
    通過(guò)以上步驟，應(yīng)用程序最終將攝像頭采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)顯示在嵌入式設(shè)備的QT/qtopia圖形界面中。
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)相比較有免費(fèi)、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)為核心，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ARM終端設(shè)備中。
參考文獻(xiàn)
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