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

SM501的繪圖引擎(Draw Engine)包括兩個部分，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模塊來實現(xiàn)。CSC模塊可以實現(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映射到用戶空間的Frame buffer進行的。實現(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)計成為自動識別地址屬于系統(tǒng)內(nèi)存還是獨立顯存，如果地址屬于系統(tǒng)內(nèi)存，則表明當前顯存不足，于是使用軟件的方法實現(xiàn)繪圖操作。在釋放顯存時，程序若識別參數(shù)地址為系統(tǒng)內(nèi)存，將調(diào)用free去完成釋放。

在多個顯示區(qū)域同時顯示的情況下，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，以避免多線程同時對SM501資源進行爭用帶來的與時間相關(guān)的執(zhí)行錯誤。

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)必須將進程空間地址轉(zhuǎn)化為實現(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，軟件實現(xiàn)了與屏幕絕對坐標無關(guān)的基于區(qū)域內(nèi)部坐標的2D加速顯示接口。區(qū)域內(nèi)部坐標與區(qū)域本身在屏幕上的絕對坐標相加即可得出要顯示的絕對坐標。另外每個顯示區(qū)域都有對齊、縮放方式的選項?？s放方式可以有不縮放，線性縮放，非線性縮放三種，對齊在X,Y方向上分別有三種對齊方式。因為實際顯示的內(nèi)容大小與顯示區(qū)域大小往往不是相同的，因此這兩種選項對實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，非線性縮放將導(dǎo)致顯示內(nèi)容嚴重畸變，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脫機系統(tǒng)的視頻播放器設(shè)計

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

MPEG-4是MPEG(運動圖像專家組)制定的視頻壓縮標準，是目前用得最廣泛的一種視頻編碼標準。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、運動估計與運動補償、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)，包括視頻對象提取技術(shù)、VOP視頻編碼技術(shù)、視頻編碼可分級性技術(shù)、運動估計與運動補償技術(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)計了自己的LED脫機系統(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，每個塊由一個4字符組成的FOURCC字標識。整個文件由一個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，文件中有多少個流，hdrl 列表中就有多少個strl 子列表，strl子列表在 hdrl 中的次序就是流的序號。Movi列表中是實際的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視頻文件只有一個視頻流。戶外LED屏幕對于音頻播放需求少，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文件存儲在USB可移動存儲盤上，文件IO時間延遲會導(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整個解碼時間的影響非常顯著。表1是在S3C2440平臺下使用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。同時為了避免了對數(shù)據(jù)的二次復(fù)制，本文直接在SM501本地顯存中申請了空間作為解碼幀輸出地址，這些優(yōu)化使得整個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)難以達到顯示效果。多個顯示區(qū)域下脫機播放系統(tǒng)AVI視頻文件播放性能測試結(jié)果如表2示?？梢钥吹?，由于有硬件2D加速支持，解碼速率與視頻實際顯示速率完全相等，區(qū)域大小以及多個區(qū)域同時顯示對系統(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MCU和SM501嵌入式顯卡作為硬件平臺，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，在效率和可移植性方面做了較好平衡，運用了良好的軟件設(shè)計思想，開發(fā)出具有開放式體系結(jié)構(gòu)的LED脫機播放軟件。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于全彩LED顯示屏的脫機播放和控制。