基于Linux的虚拟试妆系统设计

随着社会的进步，人们对自身形象愈加重视，化妆成为女性一门必修课。如何选择合适的化妆品对于不少女性来说是一项难题。近几年针对该问题提出了多种虚拟试妆解决方案。包括通过浏览器进行本地与远程服务器交互方案及使用Visual C++开发上位机软件[1]等。
以Altera公司的SoPC技术和Linux操作系统为基础，设计了一款嵌入式虚拟试妆系统。该系统在SD卡中存储信息，通过摄像头采集用户面部图像，用户可通过触摸屏浏览、选择商品对影像进行上妆，并查看试妆效果，最终达到选购化妆品的目的。系统具有体积小巧、方便易用等特点，适合于各种商场的化妆品柜台。
1 系统总体结构设计
系统以DE2-70为核心板，外接PS2键盘录入信息，通过扩展口分别接入LTM触摸屏和D5M 500万像素摄像头。为使用Linux操作系统，构建了基于带MMU的Nios II处理器的SoPC。通过SDRAM运行内核和RAM文件系统，使用SSRAM作为显示缓存，将硬件编程代码烧入EPCS，而将压缩的内核、文件系统与引导代码一起烧入Flash。系统采用Altera大学计划IP中的PS2 Controller和Video IPs分别管理PS2接口和触摸屏的显示部分，自行编写硬件模块实现触摸屏的配置、摄像头采集和SSRAM多路复用。此外，系统还使用SPI模式管理SD/MMC卡以及第三方IP管理网络物理芯片。系统结构框图如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 运行Linux的最小系统搭建
Linux操作系统对SoPC系统的构建有特殊要求，包括带MMU处理器设置、全功能定时器启用、通信终端设定等。表1总结了基于Linux系统所需要添加的SoPC组件以及关键设置[2]。
2.2 影像采集和存储方案设计
图2所示为本系统使用的影像采集和存储方案。在SoPC系统外，通过Cam_CFG_CAP模块配置和采集摄像头数据，经由SSRAM_WRITE模块合成指定格式数据并生成SSRAM写时序送入SSRAM_2PORT进行仲裁；SSRAM_2PORT既接收SSRAM_WRITE的数据写入SSRAM的指定区域，又允许SSRAM Controller访问SSRAM获取相应数据。

(1)SSRAM_WRITE
该模块分别提取Cam_CFG_CAP传入RGB分量的高5、6、5 bit数据，拼接成16 bit数据，读入两个像素合成32 bit，同时生成对应的21 bit SSRAM地址，将其传递给SSRAM_2PORT。
(2)SSRAM_2PORT
该模块对来自SoPC系统的SSRAM控制器和SSRAM_WRITE的读写请求做出仲裁。在CPU读请求有效期间，SSRAM_2PORT模块读取SSRAM中的数据发送给Avalon总线；超出读请求有效期则接收SSRAM_WRITE模块图像数据写入SSRAM。在该模块中添加两个DCFIFO分别作为实时图像数据及其对应地址的缓冲空间，实现不同时钟域的数据同步。
3 系统软件设计
3.1 开发包修改及内核配置
系统采用NiosWiki社区发布的nios2-linux-20090929.tar内核开发包作为软件开发基础。SoPC系统构建好后，通过“sopc-create-header-files --single custom_fpga.h”生成自定义硬件对应的C语言头文件，将该文件拷贝到“nios-linux/linux-2.6/arch/nios/include/asm/”路径中。开发包通过custom_fpga.h和nios.h两个文件中的宏定义管理SoPC组件与Linux内核驱动代码对设备的映射，同时通过config.c文件内置了大量设备的驱动支持，由内核配置生成的config.h文件和nios.h以及custom_fpga.h共同控制。图3所示为这三个文件之间的关系。

默认的内核开发包并不能直接使用，需针对本系统进行移植修改，主要内容如下：
(1)custom_fpga.h中的串口宏定义和config.c中使用的宏定义不同，将config.c中关于串口0的宏定义UART0_*改为UART_0_*。
(2)/dev/mmcblk* 系列设备的主设备号与注册时不一致，导致挂载操作失败，解决办法是将nios2-linuxuClinux-dist/vendor/Altera/nios2/device-table.txt中关于mmcblk*的主设备号修改为179。
图4所示为本系统进行的内核配置。

在所有配置中，需要特别注意以下几点：
(1)内核配置菜单中，需将默认的“Nios II Configuration--->Nios II FPGA Configuration（MMU DEFAULT）”修改为“Nios II FPGA Configuration（CUSTOM_FPGA）”。
(2)为防止内核解压缩内容覆盖内核压缩文件，设置“Nios II Configuration--->Link address offset for booting”为0x00F00000。
3.2 应用程序开发
3.2.1 图形库移植
FTK是Funny Tool Kit的缩写，是一个专门为嵌入式系统开发的图形库，其核心代码只有几百KB，在传统控件基础上可开发自定义控件，具有主题设置功能[3]。FTK支持Linux系统，因此在发行版Linux操作系统上安装FTK函数库只需下载相应代码，编译安装即可。而Nios II平台移植FTK需解决以下几个问题：
(1)Nios II平台下png和jpeg编解码函数库无法使用，同时FTK的bmp解码函数采用定义整形指针的方式，如“(*(unsigned int*)0x01000000)”对内存进行访问会触发异常中断。解决方法为移除FTK对png和jpeg格式的支持并修改ftk_image_bmp_decoder.c代码，将4字节指针访问修改为4个单字节指针访问。
(2)Nios II平台通过触摸屏设备进行人机交互。解决办法：内核开发包中开启tslib函数库而FTK源代码进行configure配置时添加“--enable-tslib”参数。