1、引言
通常情况下，在Linux控制台下是无法查看图像文件的，要想查看图像文件，比如要查看JPEG格式的图像文件，可能必须启动X-Windows，通过GNOME或者KDE之类的桌面管理器提供的图像查看工具查看图片内容。那么，能不能有办法在控制台下面简单地浏览图像内容呢。实际上，这是完全可以的。在Linux下有一个名为zgv的看图软件就是工作在控制台下的。不过，由于它所使用的底层图形库svgalib已经是一个比较“古老”的图形库了，所以现在知道zgv的人并不是很多，用的人就更少了。
目前Linux上的底层图形支持通常是由Framebuffer提供的，因此，作者试图在本文中说明如何通过Framebuffer和libjpeg在控制台上显示JPEG图像。需要说明的是，本文中所编写的程序fv并非zgv的替代品，而只是一个出于验证想法的简单程序（fv的含义是Framebuffer Vision）。本文将先对Framebuffer和libjpeg的编程做一个简略的说明，然后再给出程序fv的具体实现。
2、Framebuffer介绍
Framebuffer在Linux中是作为设备来实现的，它是对图形硬件的一种抽象[1]，代表着显卡中的帧缓冲区（Framebuffer）。通过Framebuffer设备，上层软件可以通过一个良好定义的软件接口访问图形硬件，而不需要关心底层图形硬件是如何工作的，比如，上层软件不用关心应该如何读写显卡寄存器，也不需要知道显卡中的帧缓冲区从什么地址开始，所有这些工作都由Framebuffer去处理，上层软件只需要集中精力在自己要做的事情上就是了。
Framebuffer的优点在于它是一种低级的通用设备，而且能够跨平台工作，比如Framebuffer既可以工作在x86平台上，也能工作在PPC平台上，甚至也能工作在m68k和SPARC等平台上，在很多嵌入式设备上Framebuffer也能正常工作。诸如Minigui之类的GUI软件包也倾向于采用Framebuffer作为硬件抽象层（HAL）。
从用户的角度来看，Framebuffer设备与其它设备并没有什么不同。Framebuffer设备位于/dev下，通常设备名为fb*，这里*的取值从0到31。对于常见的计算机系统而言，32个Framebuffer设备已经绰绰有余了（至少作者还没有看到过有32个监视器的计算机）。最常用到的Framebuffer设备是/dev/fb0。通常，使用Framebuffer的程序通过环境变量FRAMEBUFFER来取得要使用的Framebuffer设备，环境变量FRAMEBUFFER通常被设置为”/dev/fb
从程序员的角度来看，Framebuffer设备其实就是一个文件而已，可以像对待普通文件那样读写Framebuffer设备文件，可以通过mmap()将其映射到内存中，也可以通过ioctl()读取或者设置其参数，等等。最常见的用法是将Framebuffer设备通过mmap()映射到内存中，这样可以大大提高IO效率。
要在PC平台上启用Framebuffer，首先必须要内核支持，这通常需要重新编译内核。另外，还需要修改内核启动参数。在作者的系统上，为了启用Framebuffer，需要将/boot/grub/menu.lst中的下面这一行：
kernel /boot/vmlinuz-
修改为
kernel /boot/vmlinuz-
即增加了vga=0x0314这样一个内核启动参数。这个内核启动参数表示的意思是：Framebuffer设备的大小是800x600，颜色深度是16bits/像素。
下面，来了解一下如何编程使用Framebuffer设备。由于对Framebuffer设备的读写应该是不缓冲的，但是标准IO库默认是要进行缓冲的，因此通常不使用标准IO库读写Framebuffer设备，而是直接通过read()、write()或者mmap()等系统调用来完成与Framebuffer有关的IO操作。又由于mmap()能够大大降低IO的开销，因此与Framebuffer设备有关的IO通常都是通过mmap()系统调用来完成的。mmap()的函数原型如下（Linux系统上的定义）：
#include <sys/mman.h>
#ifdef _POSIX_MAPPED_FILES
void * mmap(void *start, size_t length, int prot , int flags, int fd,
off_t offset);
int munmap(void *start, size_t length);
#endif
系统调用mmap()用来实现内存映射IO。所谓内存映射IO，是指将一个磁盘文件的内容与内存中的一个空间相映射。当从这个映射内存空间中取数据时，就相当于从文件中读取相应的字节，而当向此映射内存空间写入数据时，就相当于向磁盘文件中写入数据。这就是内存映射IO的含义。
具体到对mmap()而言，当调用成功时，返回值就是与磁盘文件建立了映射关系的内存空间的起始地址，当调用失败时，mmap()的返回值是-1。第一个参数start通常设置为0，表示由系统选择映射内存空间；第二个参数length指定了要映射的字节数；第三个参数指明了映射内存空间的保护属性，对于Framebuffer通常将其设置为PROT_READ | PROT_WRITE，表示既可读也可写；第四个参数flags指明了影响映射内存空间行为的标志，对于Framebuffer编程而言，要将flags设置为MAP_SHARED，表明当向映射内存空间写入数据时，将数据写入磁盘文件中；第五个参数fd是要映射的文件的文件描述符；第六个参数offset指明了要映射的字节在文件中的偏移量。
如果mmap()调用成功，就可以在程序中对得到的映射内存空间进行读写操作了。所有的读写都将由操作系统内核转换成IO操作。
在使用完映射内存空间之后，应当将其释放，这是通过munmap()系统调用完成的。munmap()的第一个参数是映射内存空间的起始地址，第二个参数length是映射内存空间的长度，单位为字节。如果释放成功，munmap()返回0，否则返回-1。
如果应用程序需要知道Framebuffer设备的相关参数，必须通过ioctl()系统调用来完成。在头文件<linux/fb.h>中定义了所有的ioctl命令字，不过，最常用的ioctl命令字是下面这两个：FBIOGET_FSCREENINFO和FBIOGET_VSCREENINFO，前者返回与Framebuffer有关的固定的信息，比如图形硬件上实际的帧缓存空间的大小、能否硬件加速等信息；而后者返回的是与Framebuffer有关的可变信息，之所以可变，是因为对同样的图形硬件，可以工作在不同的模式下，简单来讲，一个支持1024x768x24图形模式的硬件通常也能工作在800x600x16的图形模式下，可变的信息就是指Framebuffer的长度、宽度以及颜色深度等信息。这两个命令字相关的结构体有两个：struct fb_fix_screeninfo和struct fb_var_screeninfo，这两个结构体都比较大，前者用于保存Framebuffer设备的固定信息，后者用于保存Framebuffer设备的可变信息。在调用ioctl()的时候，要用到这两个结构体。应用程序中通常要用到struct fb_var_screeninfo的下面这几个字段：xres、yres、bits_per_pixel，分别表示x轴的分辨率、y轴的分辨率以及每像素的颜色深度（颜色深度的单位为bit/pixel），其类型定义都是无符号32位整型数。
3、libjpeg函数库介绍
JPEG是CCITT和ISO定义的一种连续色调图像压缩标准[2]。JPEG是一种有损图像压缩标准，其基础是DCT变换（离散余弦变换）。JPEG图像的压缩过程分为三步：DCT计算，量化，变长编码分配。尽管CCITT定义了JPEG图像压缩标准，但是却并没有为JPEG定义标准的文件格式。这导致了现实世界中出现了各种各样的JPEG文件格式，而一种被称为JFIF的JPEG文件格式逐渐成为JPEG文件格式的主流。
libjpeg是一个被广泛使用的JPEG压缩/解压缩函数库（至少在Unix类系统下是广泛使用的），它能够读写JFIF格式的JPEG图像文件，通常这类文件是以.jpg或者.jpeg为后缀名的。通过libjpeg库，应用程序可以每次从JPEG压缩图像中读取一个或多个扫描线（scanline，所谓扫描线，是指由一行像素点构成的一条图像线条），而诸如颜色空间转换、降采样/增采样、颜色量化之类的工作则都由libjpeg去完成了。
要使用libjpeg，需要读者对数字图像的基本知识有初步的了解。对于libjpeg而言，图像数据是一个二维的像素矩阵。对于彩色图像，每个像素通常用三个分量表示，即R（Red）、G（Green）、B（Blue）三个分量，每个分量用一个字节表示，因此每个分量的取值范围从0到255；对于灰度图像，每个像素通常用一个分量表示，一个分量同样由一个字节表示，取值范围从0到255。由于本文不会涉及到索引图像，因此这里略去对索引图像的说明。
在libjpeg中，图像数据是以扫描线的形式存放的。每一条扫描线由一行像素点构成，像素点沿着扫描线从左到右依次排列。对于彩色图像，每个分量由三个字节组成，因此这三个字节以R、G、B的顺序构成扫描线上的一个像素点。一个典型的扫描线形式如下：
R,G,B,R,G,B,R,G,B,…
通过libjpeg解压出来的图像数据也是以扫描线的形式存放的。
在本文中，只涉及到JPEG的解压缩，因此只对libjpeg的解压过程进行说明，有关libjpeg的压缩过程和其它高级用法，请参考[3]。一般地，libjpeg的解压过程如下：
1、分配并初始化一个JPEG解压对象（本文中将JPEG解压对象命名为cinfo）：
struct jpeg_decompress_struct cinfo;
struct jpeg_error_mgr jerr;
...
cinfo.err = jpeg_std_error(&jerr);
jpeg_create_decompress(&cinfo);
2、指定要解压缩的图像文件：
FILE * infile;
...
if ((infile = fopen(filename, "rb")) == NULL) {
fprintf(stderr, "can't open %s/n", filename);
exit(1);
}
jpeg_stdio_src(&cinfo, infile);
3、调用jpeg_read_header()获取图像信息：
jpeg_read_header(&cinfo, TRUE);
4、这是一个可选步骤，用于设置JPEG解压缩对象cinfo的一些参数，本文可忽略；
5、调用jpeg_start_decompress()开始解压过程：
jpeg_start_decompress(&cinfo);
调用jpeg_start_decompress()函数之后，JPEG解压缩对象cinfo中的下面这几个字段将会比较有用：
l output_width 这是图像输出的宽度
l output_height 这是图像输出的高度
l output_components 每个像素的分量数，也即字节数
这是因为在调用jpeg_start_decompress()之后往往需要为解压后的扫描线上的所有像素点分配存储空间，这个空间的大小可以通过output_width * output_componets确定，而要读取的扫描线的总数为output_height行。
6、读取一行或者多行扫描线数据并处理，通常的代码是这样的：
while (cinfo.output_scanline < cinfo.ouput_height) {
jpeg_read_scanlines();
/* deal with scanlines */
}
对扫描线的读取是按照从上到下的顺序进行的，也就是说图像最上方的扫描线最先被jpeg_read_scanlines()读入存储空间中，紧接着是第二个扫描线，最后是图像底边的扫描线被读入存储空间中。
7、调用jpeg_finish_decompress()完成解压过程：
jpeg_finish_decompress(&cinfo);
8、调用jpeg_destroy_decompress()释放JPEG解压对象cinfo：
jpeg_destroy_decompress(&cinfo);
以上就是通过libjpeg函数解压JPEG压缩图像的基本过程，由于本文不涉及libjpeg的高级特性和用法，因此，上面的介绍对于说明本文中要用到的libjpeg的功能已经足够了。
另外一个需要说明地方是：由于作者所用的Framebuffer设备的颜色深度为16位，颜色格式为
4、程序实现
程序的完整实现见附件中的fv.c，鉴于已经对Framebuffer和libjpeg的编程接口做了说明，因此不再对代码进行说明：
5、测试结果
图1是对fv的一个测试结果，测试用的图像名为FreeBSD.jpg。
图1 命令./fv FreeBSD.jpg的执行结果
图2是对fv的第二个测试结果，测试用的图像名为loveatharvard.jpg。
图2 命令./fv loveatharvard.jpg的执行结果
图3是对fv的第三个测试结果，测试用的图像名为xinbai.jpg。
图3 命令./fv xinbai.jpg的执行结果
6、结论
上述测试结果表明，通过Framebuffer在控制台显示JPEG图像是能够实现的，并且效果能够接受。但是，程序fv目前只能接受JPEG格式的图像，并且图像大小不能超出屏幕大小范围，比如，对于作者测试时所用的Framebuffer设置而言，大小超过800x600的图像是无法显示的。显然，可以通过图像缩放来显示超出屏幕大小的JPEG图像。其次，也可以让fv能够识别更多格式的图像，比如可以通过libpng识别并显示png格式的图像。最后，fv还可以考虑采用误差扩散算法或者抖动算法来完成颜色转换，以减小颜色丢失。
************/
/*
* $Id: fv.c
* $Desp: draw jpeg to framebuffer
* $Author: rockins
* $Date: Wed Jan 3 20:15:49 CST 2007
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>
#include <jpeglib.h>
#include <jerror.h>
#define FB_DEV "/dev/fb0"
/***************** function declaration ******************/
void usage(char *msg);
unsigned short RGB888toRGB565(unsigned char red,
unsigned char green, unsigned char blue);
int fb_open(char *fb_device);
int fb_close(int fd);
int fb_stat(int fd, int *width, int *height, int *depth);
void *fb_mmap(int fd, unsigned int screensize);
int fb_munmap(void *start, size_t length);
int fb_pixel(void *fbmem, int width, int height,
int x, int y, unsigned short color);
/************ function implementation ********************/
int
main(int argc, char *argv[])
{
/*
* declaration for jpeg decompression
*/
struct jpeg_decompress_struct cinfo;
struct jpeg_error_mgr jerr;
FILE *infile;
unsigned char *buffer;
/*
* declaration for framebuffer device
*/
int fbdev;
char *fb_device;
unsigned char *fbmem;
unsigned int screensize;
unsigned int fb_width;
unsigned int fb_height;
unsigned int fb_depth;
unsigned int x;
unsigned int y;
/*
* check auguments
*/
if (argc != 2) {
usage("insuffient auguments");
exit(-1);
}
/*
* open framebuffer device
*/
if ((fb_device = getenv("FRAMEBUFFER")) == NULL)
fb_device = FB_DEV;
fbdev = fb_open(fb_device);
/*
* get status of framebuffer device
*/
fb_stat(fbdev, &fb_width, &fb_height, &fb_depth);
/*
* map framebuffer device to shared memory
*/
screensize = fb_width * fb_height * fb_depth / 8;
fbmem = fb_mmap(fbdev, screensize);
/*
* open input jpeg file
*/
if ((infile = fopen(argv[1], "rb")) == NULL) {
fprintf(stderr, "open %s failed/n", argv[1]);
exit(-1);
}
/*
* init jpeg decompress object error handler
*/
cinfo.err = jpeg_std_error(&jerr);
jpeg_create_decompress(&cinfo);
/*
* bind jpeg decompress object to infile
*/
jpeg_stdio_src(&cinfo, infile);
/*
* read jpeg header
*/
jpeg_read_header(&cinfo, TRUE);
/*
* decompress process.
* note: after jpeg_start_decompress() is called
* the dimension infomation will be known,
* so allocate memory buffer for scanline immediately
*/
jpeg_start_decompress(&cinfo);
if ((cinfo.output_width > fb_width) ||
(cinfo.output_height > fb_height)) {
printf("too large JPEG file,cannot display/n");
return (-1);
}
buffer = (unsigned char *) malloc(cinfo.output_width *
cinfo.output_components);
y = 0;
while (cinfo.output_scanline < cinfo.output_height) {
jpeg_read_scanlines(&cinfo, &buffer, 1);
if (fb_depth == 16) {
unsigned short color;
for (x = 0; x < cinfo.output_width; x++) {
color = RGB888toRGB565(buffer[x * 3],
buffer[x * 3 + 1], buffer[x * 3 + 2]);
fb_pixel(fbmem, fb_width, fb_height, x, y, color);
}
} else if (fb_depth == 24) {
memcpy((unsigned char *) fbmem + y * fb_width * 3,
buffer, cinfo.output_width * cinfo.output_components);
}
y++; // next scanline
}
/*
* finish decompress, destroy decompress object
*/
jpeg_finish_decompress(&cinfo);
jpeg_destroy_decompress(&cinfo);
/*
* release memory buffer
*/
free(buffer);
/*
* close jpeg inputing file
*/
fclose(infile);
/*
* unmap framebuffer's shared memory
*/
fb_munmap(fbmem, screensize);
/*
* close framebuffer device
*/
fb_close(fbdev);
return (0);
}
void
usage(char *msg)
{
fprintf(stderr, "%s/n", msg);
printf("Usage: fv some-jpeg-file.jpg/n");
}
/*
* convert 24bit RGB888 to 16bit RGB565 color format
*/
unsigned short
RGB888toRGB565(unsigned char red, unsigned char green, unsigned char blue)
{
unsigned short B = (blue >> 3) & 0x001F;
unsigned short G = ((green >> 2) << 5) & 0x07E0;
unsigned short R = ((red >> 3) << 11) & 0xF800;
return (unsigned short) (R | G | B);
}
/*
* open framebuffer device.
* return positive file descriptor if success,
* else return -1.
*/
int
fb_open(char *fb_device)
{
int fd;
if ((fd = open(fb_device, O_RDWR)) < 0) {
perror(__func__);
return (-1);
}
return (fd);
}
/*
* get framebuffer's width,height,and depth.
* return 0 if success, else return -1.
*/
int
fb_stat(int fd, int *width, int *height, int *depth)
{
struct fb_fix_screeninfo fb_finfo;
struct fb_var_screeninfo fb_vinfo;
if (ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &fb_finfo)) {
perror(__func__);
return (-1);
}
if (ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_vinfo)) {
perror(__func__);