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摘要：介紹二維圖像處理原理與處理過程，闡述Framebuffer的概念與工作原理，描述基于Framebuffer的二維圖像處理關(guān)鍵技術(shù)，為開發(fā)嵌入式GUI與嵌入式應(yīng)用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：嵌入式GUI；Framebuffer；二維圖像

DOIDOI：10.11907/rjdk.151379

中圖分類號：TP317.4

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）008019702

0 引言

嵌入式應(yīng)用中人機交互接口的圖形用戶接口（GUI），應(yīng)為用戶提供友好界面，操作簡潔、直觀，并滿足體積小、運行時耗用資源少、上層接口與硬件無關(guān)、可移植性好、可靠性高等要求。

嵌入式系統(tǒng)GUI的開發(fā)、移植與底層顯示設(shè)備密切相關(guān)，如果對顯示設(shè)備不熟悉，則無法開發(fā)GUI。然而，不同應(yīng)用系統(tǒng)使用的顯示設(shè)備不同，驅(qū)動程序也則不同。開發(fā)GUI的用戶如果總是去關(guān)心底層設(shè)備，將會導致開發(fā)工作量大、技術(shù)難度高、開發(fā)效率低、開發(fā)的軟件可移植性差。為避免上述問題，Linux操作系統(tǒng)抽象出Framebuffer，用戶通過Framebuffer提供的接口即可操作底層設(shè)備。這樣用戶只需面向Framebuffer編程，從而簡化了開發(fā)步驟，也增加了可移植性。此外，F(xiàn)ramebuffer也是X Windows、MiniGUI等實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。理解二維圖像處理原理，掌握Framebuffer的原理與開發(fā)技術(shù)，是進行嵌入式系統(tǒng)GUI開發(fā)所必須具備的基礎(chǔ)。

1 二維圖像處理原理

二維圖像處理在嵌入式開發(fā)中得到普遍應(yīng)用，其包括獲取、壓縮、存儲、解壓縮、顯示等環(huán)節(jié)。

1.1 圖像獲取與存儲

用于獲取二維圖像的設(shè)備種類繁多，如數(shù)碼相機、攝像機、掃描儀等，由于生產(chǎn)廠家不同、使用目的不同，得到的圖像格式也不同，常見的存儲格式有BMP、GIF、JPEG、PNG等[1]。

BMP位圖格式是Windows操作系統(tǒng)的標準圖像文件格式，Windows的畫圖軟件即使用這種格式；GIF是CompuServe公司開發(fā)的圖像文件存儲格式，可以在一個文件中存放多幅彩色圖形/圖像；JPEG格式是有損壓縮的靜態(tài)圖像文件存儲格式，用于在互聯(lián)網(wǎng)上存儲和傳輸照片；PNG是20世紀90年代出現(xiàn)的圖像文件存儲格式，增加了一些GIF格式所不具備的特性。

1.2 圖像壓縮

二維圖像有多種格式，不同格式的圖像占用存儲空間不同。如BMP格式存儲的圖像數(shù)據(jù)量大，占用存儲空間大，因而影響傳輸效率。為減少存儲空間，對圖像進行壓縮，用較小的數(shù)據(jù)量表達原始圖像，從而能在較小的空間存儲更多圖像，同時帶來更高的傳輸效率。

圖像中存在很多重復數(shù)據(jù)，使用數(shù)學方法可以減少數(shù)據(jù)量。另外，人視覺對圖像細節(jié)和顏色的辨認有一個極限，把超過極限的部分去掉，也能減少數(shù)據(jù)量，達到壓縮的目的。

壓縮方法為使用離散余弦變換將色彩空間表示的圖轉(zhuǎn)換為頻率空間表示的圖，并進行量化與編碼。

不同設(shè)備使用不同的壓縮算法進行圖像處理，但圖像壓縮處理步驟大致相同。以JPEG圖像為例，在進行離散余弦變換將色彩空間轉(zhuǎn)換到頻率空間之前，先將RGB顏色模型轉(zhuǎn)換為YUV顏色模型。因為RGB顏色模型的圖像數(shù)據(jù)量非常大，壓縮效果并不理想，而JPEG壓縮算法也是基于YUV顏色模型的。人們視覺對亮度的變化比對色彩的變化敏感，利用這一特性，YUV顏色模型將圖像的亮度信息Y和顏色信息（U，V）分離，用不同的位數(shù)存儲Y、U、V 3個分量，從而提高了壓縮效率，更好地利用了存儲空間。將RGB顏色模型轉(zhuǎn)換為YUV顏色模型時，保存亮度和顏色變化的數(shù)據(jù)部分，還要舍棄人眼不敏感的成分。這樣既保證了圖像質(zhì)量，也節(jié)省了存儲空間。

不同設(shè)備使用不同的壓縮算法，不同壓縮算法產(chǎn)生不同的圖像格式。例如，用于BMP位圖文件的壓縮算法有RLE4、RLE8兩種，JPEG格式采用JPEG壓縮算法，PNG格式采用LZ77派生的DEFLATE非專利無失真壓縮算法，GIF格式采用LZW壓縮算法。

1.3 圖像解壓縮

對于壓縮存儲的圖像，要經(jīng)過解壓縮后才能還原為在顯示設(shè)備上可用的數(shù)據(jù)格式。解壓縮是壓縮的逆過程，包括頭文件解析、熵編碼、反量化、反離散余弦變換、顏色模型轉(zhuǎn)換等幾個步驟，解壓縮后的圖像數(shù)據(jù)為RGB顏色模型。

首先對圖像數(shù)據(jù)進行頭文件解析，得到圖像的文件信息；然后通過熵編碼得到圖像壓縮前離散余弦變換的量化值；接著進行反量化，將量化值乘以反量化參數(shù)，得到離散余弦變換的頻率系數(shù)；再對頻率系數(shù)進行反離散余弦變換，得到Y(jié)UV顏色模型的圖像取樣數(shù)據(jù)；最后將YUV顏色模型轉(zhuǎn)換為RGB顏色模型，完成圖像解壓縮。

2 Framebuffer工作原理及應(yīng)用

Linux操作系統(tǒng)工作在保護模式下，用戶程序不能直接對設(shè)備進行操作，只能利用操作系統(tǒng)提供的接口完成對設(shè)備的讀寫。對于顯示設(shè)備，該接口即是Framebuffer，稱作幀緩沖。Framebuffer設(shè)備是圖形設(shè)備的抽象，是某些視頻硬件的幀緩沖，允許用戶在完全不了解底層硬件的情況下，應(yīng)用程序通過已定義好的接口（framebuffer）訪問圖形硬件。

2.1 Framebuffer工作原理

Linux操作系統(tǒng)將視頻設(shè)備進行抽象，成為Framebuffer設(shè)備，對幀緩沖設(shè)備操作即相當于對視頻設(shè)備操作，改變幀緩沖設(shè)備中的數(shù)據(jù)，則會改變LCD屏的顯示內(nèi)容。mmap（）函數(shù)將幀緩沖設(shè)備描述符映射到幀緩沖區(qū)，通過讀寫幀緩沖區(qū)來操作幀緩沖設(shè)備。應(yīng)用程序向幀緩沖區(qū)首地址指定的某個位置寫入數(shù)據(jù)，即是向顯存的對應(yīng)位置寫入數(shù)據(jù)。LCD控制器將顯存內(nèi)容輸出到LCD屏，從而實現(xiàn)寫屏。圖1描述了Framebuffer的工作原理。

圖1 Framebuffer工作原理

幀緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)與LCD屏像素點有不同的對應(yīng)關(guān)系。針對像素深度為16位的LCD屏，幀緩沖區(qū)每一個字節(jié)的數(shù)據(jù)對應(yīng)LCD屏上一個像素點，改變一個像素點的顏色需要改變一個字節(jié)的內(nèi)容；針對像素深度為16、24、32位的LCD屏，幀緩沖區(qū)中每2、3、4個字節(jié)數(shù)據(jù)分別對應(yīng)LCD屏上一個像素點，改變一個像素點的顏色則需要同時改變相關(guān)字節(jié)的內(nèi)容。

2.2 Framebuffer應(yīng)用

應(yīng)用Framebuffer進行二維圖像顯示時，需要經(jīng)過圖像文件打開、建立幀緩沖、進行內(nèi)存映射、圖像解壓縮、格式轉(zhuǎn)換及寫屏等步驟。在Linux下進行二維圖像開發(fā)，可以借助已有函數(shù)庫對其進行解壓縮，不同格式的二維圖像使用不同的庫，如libjpeg庫、libgif庫、libpng庫等，分別用于JPEG、GIF、PNG格式圖像的壓縮/解壓縮。

下面以JPEG圖像為例，將圖像顯示在LCD屏上的過程如下：首先初始化Framebuffer設(shè)備。包括打開Framebuffer設(shè)備、獲取設(shè)備描述符、用ioctl（）函數(shù)獲取屏幕參數(shù)、設(shè)置幀緩沖區(qū)大小、用mmap（）函數(shù)將幀緩沖設(shè)備描述符映射到幀緩沖區(qū)、得到幀緩沖區(qū)首地址指針等步驟[2]；然后使用libjpeg庫解壓縮JPEG圖像。在Linux系統(tǒng)中安裝該函數(shù)庫，在程序中包含jpeglib.h、jerror.h頭文件，之后調(diào)用庫函數(shù)對圖像進行解壓縮，并將解壓后的圖像數(shù)據(jù)存儲到虛擬內(nèi)存。

具體步驟如下：①打開JPEG圖像文件，獲取文件描述符；②通過jpeg_create_decompress（）函數(shù)分配并初始化一個jpeg對象，通過jpeg_std_error（）函數(shù)定義用于錯誤處理的結(jié)構(gòu)體對象，將其與jpeg對象綁定；③用jpeg_stdio_src（）函數(shù)指定解壓縮數(shù)據(jù)源，將JPEG圖像與jpeg對象綁定；④用jpeg_read_header（）函數(shù)獲取圖像信息，填充到j(luò)peg對象；⑤為解壓縮設(shè)定參數(shù)，例如可以設(shè)置解壓后的圖像與原圖的比例；⑥用jpeg_start_decompress（）函數(shù)開始解壓縮，將解壓后的圖像信息填充至jpeg對象；⑦用jpeg_read_scanlines（）函數(shù)從jpeg對象中讀取一行像素點的顏色值，將讀取的顏色值存放到虛擬內(nèi)存，直至讀完所有行并將數(shù)據(jù)存儲到虛擬內(nèi)存；⑧調(diào)用jpeg_finish_decompress（）函數(shù)，完成解壓縮；⑨調(diào)用jpeg_destroy_decompress（）函數(shù)，釋放jpeg對象；⑩調(diào)用寫屏函數(shù)，將虛擬內(nèi)存中的像素點顏色值寫入幀緩沖區(qū)首地址指向的位置中。需要注意的是，解壓后的圖像采用24位的RGB 8：8：8顏色模型，而顯示設(shè)備可能是8位、16位、24位與32位的RGB顏色模型。針對不同RGB顏色模型的設(shè)備，調(diào)用寫屏函數(shù)之前，可能需要將解壓后的圖像進行RGB顏色模型的轉(zhuǎn)換，使解壓后圖像與設(shè)備的RGB顏色模型相同。

針對8位RGB 3：3：2顏色模型的設(shè)備，轉(zhuǎn)換時要保留R分量的高3位、G分量的高3位與B分量的高2位，舍去低位；16位RGB顏色模型有RGB 5：6：5與RGB 5：5：5（剩余一位是透明度）兩種，轉(zhuǎn)換為第一種顏色模型時，要保留R分量的高5位、G分量的高6位與B分量的高5位，舍去低位。轉(zhuǎn)換為第二種顏色模型時，保持透明度不變，保留R分量的高5位、G分量的高5位與B分量的高5位，舍去低位；針對24位RGB 8：8：8顏色模型的設(shè)備，無需轉(zhuǎn)換；針對32位RGB 8：8：8（剩余8位是透明度）顏色模型的設(shè)備，需將24位RGB顏色模型擴展為32位，保持R分量、G分量與B分量的值不變，添加8位透明度。

為了實現(xiàn)虛擬顯示，保存圖像數(shù)據(jù)的虛擬緩沖區(qū)大小，應(yīng)大于實際LCD面板顯示屏全部像素所需的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小[3]。

3 結(jié)語

本文研究了二維圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)，描述了基于Framebuffer的二維圖像處理過程。Framebuffer能支持絕大多數(shù)顯示設(shè)備，具有良好的平臺無關(guān)性，因而對應(yīng)用程序開發(fā)者而言，不用關(guān)心底層設(shè)備的細節(jié)即可開發(fā)出完美的二維圖像處理程序。Framebuffer不支持三維圖像開發(fā)，如果進行三維圖像應(yīng)用開發(fā)，可以在Windows下使用DirectX，或在Linux下使用OpenGL。二維圖像是圖形庫的基本元素，F(xiàn)ramebuffer為構(gòu)建GUI提供了實現(xiàn)基礎(chǔ)，研究基于Framebuffer的二維圖像處理，可為開發(fā)輕型、可靠、可移植的嵌入式系統(tǒng)GUI提供思路，具有一定參考價值。

參考文獻：

[1] 林宗福.多媒體技術(shù)基礎(chǔ)[M].第2版.北京：清華大學出版社，2002.

[2] 郭劍，趙建.嵌入式Linux的圖像采集與顯示[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（7）：129131.

[3] 劉彥文.嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2011.

（責任編輯：黃 健）