基于嵌入式linux的全彩LED顯示屏脫機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

SM501的繪圖引擎(Draw Engine)包括兩個(gè)部分，2D繪圖引擎和CSC顏色空間轉(zhuǎn)換模塊。2D繪圖引擎主要用來繪制直線(基于Bresenham算法)，矩形填充，復(fù)制(Bitblt)，旋轉(zhuǎn)復(fù)制(Rotation bitblt)?？s放與顏色空間轉(zhuǎn)換功能都是通過CSC模塊來實(shí)現(xiàn)。CSC模塊可以實(shí)現(xiàn)YUV422,YUV420,RGB565,RGB888幾種色彩空間及格式轉(zhuǎn)換到RGB565和RGB888,色空間轉(zhuǎn)換隱含了縮放功能。

顯存分配與釋放管理是對(duì)映射到用戶空間的Frame buffer進(jìn)行的。實(shí)現(xiàn)上使用空閑鏈表的方法，并且采用最先適應(yīng)的原則。最先適應(yīng)分配算法有利于保留更大的連續(xù)內(nèi)存塊給那些一次性內(nèi)存需求量大的分配請(qǐng)求。由于視頻解碼后色空間轉(zhuǎn)換和縮放必須使用硬件加速來實(shí)現(xiàn)，因此總是預(yù)留1M的顯存空間給視頻顯示使用。在顯存不足的情況下，通過malloc分配系統(tǒng)內(nèi)存。相應(yīng)的所有顯示層接口的地址參數(shù)均被設(shè)計(jì)成為自動(dòng)識(shí)別地址屬于系統(tǒng)內(nèi)存還是獨(dú)立顯存，如果地址屬于系統(tǒng)內(nèi)存，則表明當(dāng)前顯存不足，于是使用軟件的方法實(shí)現(xiàn)繪圖操作。在釋放顯存時(shí)，程序若識(shí)別參數(shù)地址為系統(tǒng)內(nèi)存，將調(diào)用free去完成釋放。

在多個(gè)顯示區(qū)域同時(shí)顯示的情況下，顯存的分配與釋放管理以及所有的基于硬件加速的2D操作均被互斥地調(diào)用，以避免多線程同時(shí)對(duì)SM501資源進(jìn)行爭用帶來的與時(shí)間相關(guān)的執(zhí)行錯(cuò)誤。

由于SM501加速操作只能使用本地幀存的物理地址，而通過mmap映射得到的是進(jìn)程空間的虛擬地址，顯存分配得到的地址也是基于映射后的地址，因此寫入SM501寄存器中作為地址的操作數(shù)必須將進(jìn)程空間地址轉(zhuǎn)化為實(shí)現(xiàn)的幀存物理地址。轉(zhuǎn)化方法就是用顯示分配函數(shù)得到的地址減去mmap得到的首地址。

建立在底層顯示層之上，軟件實(shí)現(xiàn)了與屏幕絕對(duì)坐標(biāo)無關(guān)的基于區(qū)域內(nèi)部坐標(biāo)的2D加速顯示接口。區(qū)域內(nèi)部坐標(biāo)與區(qū)域本身在屏幕上的絕對(duì)坐標(biāo)相加即可得出要顯示的絕對(duì)坐標(biāo)。另外每個(gè)顯示區(qū)域都有對(duì)齊、縮放方式的選項(xiàng)?？s放方式可以有不縮放，線性縮放，非線性縮放三種，對(duì)齊在X,Y方向上分別有三種對(duì)齊方式。因?yàn)閷?shí)際顯示的內(nèi)容大小與顯示區(qū)域大小往往不是相同的，因此這兩種選項(xiàng)對(duì)實(shí)際顯示效果影響極大。如區(qū)域?qū)捀弑扰c顯示內(nèi)容寬高比相差較大時(shí)，非線性縮放將導(dǎo)致顯示內(nèi)容嚴(yán)重畸變，而線性縮放將顯示內(nèi)容保持為原來的寬高比。顯示層次如圖4.

圖3 顯示層次

4.2.3脫機(jī)系統(tǒng)的視頻播放器設(shè)計(jì)

這部分主要介紹針對(duì)SM501顯卡的解碼過程優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出優(yōu)化后的性能測試數(shù)據(jù)。LED脫機(jī)播放系統(tǒng)目前支持MPEG-4視頻格式的AVI文件播放。

MPEG-4是MPEG(運(yùn)動(dòng)圖像專家組)制定的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，是目前用得最廣泛的一種視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG組織于1999年1月正式公布了MPEG-4 V1.0版本。MPEG-4除采用第一代視頻編碼(MPEG-1,MPEG-2,H.263等)的核心技術(shù)，如變換編碼、運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、量化、熵編碼外，還提出了一些新的有創(chuàng)見性的關(guān)鍵技術(shù)，包括視頻對(duì)象提取技術(shù)、VOP視頻編碼技術(shù)、視頻編碼可分級(jí)性技術(shù)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)等。

Xvid是開源的MEPG-4碼器，遵守GPL通用公共許可證，也是目前國際上公認(rèn)的性能最佳的MPEG-4編解器之一，支持MPEG-4 SP框架。本文移植了Xvidcore-1.1.3到arm-Linux環(huán)境，并且基于Xvid設(shè)計(jì)了自己的LED脫機(jī)系統(tǒng)視頻播放器。

AVI文件格式是Windows系統(tǒng)下最常用的一種視頻文件格式。AVI文件并不局限任何視頻編碼格式。AVI文件格式是基于RIFF(Resource Interchange File Format)文件格式的。RIFF基于“塊”為信息單位，每個(gè)塊由一個(gè)4字符組成的FOURCC字標(biāo)識(shí)。整個(gè)文件由一個(gè)RIFF塊構(gòu)成，RIFF塊和LIST(列表)塊可以包含子塊。包含子塊的塊結(jié)構(gòu)為：FOURCC+塊長度+塊類型+塊數(shù)據(jù)。不包含子塊的塊結(jié)構(gòu)為：FOURCC+塊長度+數(shù)據(jù)。 AVI文件在RIFF的基礎(chǔ)上定義了自己的塊類型和數(shù)據(jù)。一個(gè)AVI RIFF文件由3大部分組成：RIFF文件頭，hdrl列表，movi列表，除此外還有一個(gè)可選的索引idxl塊。其中hdrl列表包含 avih 子塊和 strl 子列表，文件中有多少個(gè)流，hdrl 列表中就有多少個(gè)strl 子列表，strl子列表在 hdrl 中的次序就是流的序號(hào)。Movi列表中是實(shí)際的MPEG-4編碼流，avih子塊包含了AVI視頻文件的頭信息，比較重要的是幀頻。一般的AVI視頻文件只有一個(gè)視頻流。戶外LED屏幕對(duì)于音頻播放需求少，因此本文并不涉及音頻解碼。

Xvid解碼過程中要不斷輸入MPEG-4視頻編碼比特流，視頻流從AVI文件中的movi列表子塊中提取。AVI文件存儲(chǔ)在USB可移動(dòng)存儲(chǔ)盤上，文件IO時(shí)間延遲會(huì)導(dǎo)致解碼過程產(chǎn)生間隙性的視頻播放停頓，因此有必要采用單獨(dú)的IO線程從AVI文件中不斷提取視頻流。IO線程與解碼線程構(gòu)成一種生產(chǎn)者-消費(fèi)者類型的線程同步關(guān)系，需要引入同步互斥量來保證其同步工作。

由于MPEG-4視頻編解碼的原始顏色空間是YUV420,如果直接輸出YUV420平面格式Xvid不需要進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，其余輸出格式則需要經(jīng)過色空間轉(zhuǎn)換算法得到。Xvidcore-1.1.3解碼器輸出不同的顏色空間格式對(duì)整個(gè)解碼時(shí)間的影響非常顯著。表1是在S3C2440平臺(tái)下使用Xvidcore-1.1.3解碼同一MPEG-4視頻文件(分辨率320x176) 使用不同輸出格式的幀頻比較。

表1 Xvid不同輸出格式解碼速率比較表

本文使Xvid解碼直接輸出YUV420平面格式，避免了Xvid使用軟件算法進(jìn)行色空間

轉(zhuǎn)換，然后使用SM501提供的YUV420轉(zhuǎn)RGBx888硬件色空間轉(zhuǎn)換命令完成視頻幀的顯示。這種方式下SM501與Xvid解碼器并行工作，發(fā)揮了最佳的效果。同時(shí)為了避免了對(duì)數(shù)據(jù)的二次復(fù)制，本文直接在SM501本地顯存中申請(qǐng)了空間作為解碼幀輸出地址，這些優(yōu)化使得整個(gè)解碼器的性能提高了2~3倍。 圖4表示了簡要的視頻播放軟件流程。

通過硬件縮放和象素復(fù)制，本文實(shí)現(xiàn)了1024×768分辨率下全屏流暢視頻顯示和多區(qū)域視頻同步顯示等普通嵌入式系統(tǒng)難以達(dá)到顯示效果。多個(gè)顯示區(qū)域下脫機(jī)播放系統(tǒng)AVI視頻文件播放性能測試結(jié)果如表2示?？梢钥吹剑捎谟杏布?D加速支持，解碼速率與視頻實(shí)際顯示速率完全相等，區(qū)域大小以及多個(gè)區(qū)域同時(shí)顯示對(duì)系統(tǒng)性能沒有顯著影響。

表2 視頻播放器性能測試

測試結(jié)果表明該系統(tǒng)足以勝任大多數(shù)全彩類型商業(yè)廣告LED大屏幕脫機(jī)視頻播放。

圖4 優(yōu)化的視頻播放流程

5 結(jié)論

本文采用高速M(fèi)CU和SM501嵌入式顯卡作為硬件平臺(tái)，突破了嵌入式系統(tǒng)在顯示性能上的瓶頸，接口明確。在軟件上移植了Linux2.6內(nèi)核作為軟件平臺(tái)，在效率和可移植性方面做了較好平衡，運(yùn)用了良好的軟件設(shè)計(jì)思想，開發(fā)出具有開放式體系結(jié)構(gòu)的LED脫機(jī)播放軟件。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于全彩LED顯示屏的脫機(jī)播放和控制。