轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測問題一直是鐵路信號系統(tǒng)特別是信號維修部門關(guān)注的熱點,。隨著鐵路高速,、高密度行車區(qū)段的不斷增加，為了確保行車安全,，對行車道岔運行質(zhì)量與狀態(tài)穩(wěn)定性監(jiān)測無為重要,。
1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
主要技術(shù)指標(biāo)：(1)缺口圖像分辨率0．01 mm。(2)缺口偏移檢測精度0．1 mm,。(3)信號傳輸距離≤2．5 km(1．0 mm線徑),。(4)動態(tài)圖像傳輸碼流100～250 kbit·s-1。
2 圖像采集模塊設(shè)計原理
圖像采集使用微型攝像頭,，圖像分辨率是指圖像中每單位長度所包含的像素或點的數(shù)目,，常以像素／英寸(ppi)為單位來表示。對電動轉(zhuǎn)轍機(jī)(S700K,、ZD6)正面缺口在4～6 mm,，用普通的30萬像素攝像頭，精度可達(dá)6／640=0．01 mm,。圖像數(shù)據(jù)量大小=圖像中的像素總數(shù)×圖像深度÷1 024(單位為kB),。30萬像素攝像頭捕捉到640×480的畫面，二值圖像深度為1,，灰度圖像深度為8或者彩色圖像深度為24,，普通灰度圖像大小為2400kB,。
JPEG是由ISO和CCITT 1986年成立了“聯(lián)合圖片專家組”(Joint Photographic Experts Group)所制定的靜止灰度或彩色圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG標(biāo)準(zhǔn)定義了3種編碼系統(tǒng)：(1)基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng),，可以適合大多數(shù)壓縮場合,。(2)基于分層遞增模式的擴(kuò)展、增強(qiáng)編碼系統(tǒng),，用于高壓縮比,、高精度或漸進(jìn)重建應(yīng)用場合。(3)基于預(yù)測編碼中DPCM方法的無損系統(tǒng),，用于無失真應(yīng)用的場合,。
圖像應(yīng)用系統(tǒng)要與JPEG兼容，必須支持JPEG基本系統(tǒng),，可以通過修改其文件格式,、圖像分辨率或彩色空間模型應(yīng)用于不同場合。在不降低圖像視覺質(zhì)量的基礎(chǔ)上JPEG標(biāo)準(zhǔn)可以將圖像壓縮到1／10～1／50,，這樣一幀圖像的大小就可以壓縮到48 kB,，根據(jù)需要還可以壓縮為6 kB的二值圖像，滿足缺口檢測的要求,。
在基本系統(tǒng)中,，輸入和輸出數(shù)據(jù)的精度為8 bit，量化DTC值的精度為11 bit,。壓縮過程由3個步驟組成：(1)DCT計算,。(2)量化,。(3)用熵編碼器進(jìn)行變長碼賦值,。具體過程如下：先把圖像分割成一系列8×8的子塊，然后按從左向右從上到下的次序處理,?；鞠到y(tǒng)的編碼器如圖2所示。
Video4Linux(V4L)是Linux的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ),。Video4Linux是Linux Kemel里支持影像設(shè)備的一組APIs,，配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集卡與驅(qū)動程序，Video4Linux可以實現(xiàn)影像圖像采集,，它支持圖像的JPEG壓縮,。Video4Linux分為2層式架構(gòu)，上層為Video4Linux驅(qū)動程序本身,，下層架構(gòu)則是影像設(shè)備的驅(qū)動程序,。實驗中使用了V4L的上層驅(qū)動程序，即V4L所提供給程序開發(fā)人員的APIs,。通過使用Video 4Linux的API函數(shù)從視頻設(shè)備中讀取圖像數(shù)據(jù),，然后將這些數(shù)據(jù)寫入Frame Buffer,，使攝像頭采集到的圖像在液晶屏中顯示出來。
3 圖像采集硬件設(shè)計
在ARM9系統(tǒng)中通過USB接口連接USB攝像頭對圖像進(jìn)行采集,，實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測的圖像采集,。ARM9核心板：處理器采用ARM920T處理器的S3C2410A，工作頻率203 MHz,；SDRAM是64 MB,；NANDFlash：64 MB；NORFlash：2 MB,；USB接口：AU9254A21支持USB1．1協(xié)議,。
USB采集電路的原理框圖如圖3所示。
USB主機(jī)芯片采用AU9254A21,，它是單片的四端口USB控制芯片,，這里擴(kuò)展了4個USB接口。它的上端接USB控制系統(tǒng),，下端可接USB設(shè)備,。
4 圖像采集軟件實現(xiàn)
在Linux系統(tǒng)中，通過使用Video4Linux的API函數(shù),，從視頻設(shè)備中讀取圖像數(shù)據(jù),，然后將這些數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)臨時文件為后續(xù)的功能實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。
采集程序?qū)崿F(xiàn)過程：一個嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度看通常分為4個層次：Bootloader,、Linux內(nèi)核,、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序，如圖4所示,。
4．1 移植Bootloader
USB攝像頭的采集應(yīng)用程序是建立在Linux系統(tǒng)上,，首先配置適合系統(tǒng)的Bootloader，Linux內(nèi)核在RAM中運行,，這就需要Linux的Bootloa der將整個內(nèi)核復(fù)制到RAM中,。系統(tǒng)中Bootloader是運行在NORFlash中，它的主要作用是：將Linux內(nèi)核文件,、根文件系統(tǒng)文件,、Linux啟動參數(shù)文件復(fù)制到SDRAM中，并跳至RAM中Linux內(nèi)核的首地址,，運行Linux,。各文件在RAM中存放的空間示意圖，如圖5所示,。
4．2 編譯下載內(nèi)核
將Linux源代碼包放置在工作目錄下解壓,，用命令：#tar xjvf linux-2．4．18．tar．bz2。編譯內(nèi)核，在終端輸入命令：#make menu config命令,，選擇“load analternate configuration file”,，裝載arch／am目錄下的2410配置文件。建立依賴關(guān)系,，在終端運行命令：#make dep,。編譯內(nèi)核，在終端輸入命令：#make zImage,。編譯完成后在arch／arm／boot目錄下會生產(chǎn)ARM Linux內(nèi)核映像文件zIm age,，用FlashFXP軟件的FTP下載。
4．3 圖像采集應(yīng)用程序
在圖像采集設(shè)備驅(qū)動安裝后,，只需再編寫一個視頻流采集應(yīng)用程序,，即可采集視頻圖像。
前面提到Linux系統(tǒng)中把設(shè)備看成設(shè)備文件,，在用戶空間可以通過標(biāo)準(zhǔn)的I／O系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)操作設(shè)備文件,，從而達(dá)到與設(shè)備通信交互的目的。視頻設(shè)備在Linux系統(tǒng)下為一個字符型設(shè)備,，分配給視頻設(shè)備使用的主設(shè)備號固定為81,，次設(shè)備號為0～31。在Linux系統(tǒng)中通常使用設(shè)備名為video0～video31,，使用以下命令在設(shè)備文件夾／dev／下創(chuàng)建1名稱為video0的節(jié)點：# mknod／dev／video0 c 81 0配置Video4Linux內(nèi)核：在終端使用make menuconfig命令打開S3C2410Linux內(nèi)核編譯的Main Menu窗口,，并進(jìn)入“Multimedia devices→”菜單選項，然后將Video For Linux配置為模塊,；返回主菜單(Main Menu),，再進(jìn)入“USB support→”菜單選項，然后將USB Camera support設(shè)置為模塊,，退出并保存配置,，使用make dep命令建立文件依聯(lián)關(guān)系，然后使用make modules命令編譯鏈接模塊,。編譯鏈接完成后,，在／linyx／kernel／driv ers ／media／video文件夾中生成videodev．o模塊，在／linux／kemel／drivers／usb／文件夾中生成ov511．o模塊,，ov511芯片直接就支持Linux，使用這款芯片的攝像頭有網(wǎng)眼V2000,。
利用V4L API獲取視頻圖像的應(yīng)用程序流程,，如圖6所示。
下面簡要介紹其實現(xiàn)：
(1)打開視頻設(shè)備,，這里用int v41_open(char*,，v41_device*)實現(xiàn)。
(2)獲得設(shè)備信息的任務(wù)，這里用extern int v41_get_capability(v41_device*)實現(xiàn),。函數(shù)有vd->capability和vd->picture兩個結(jié)構(gòu)體,。capability主要包括設(shè)備名稱、支持的最大最小分辨率,、信號源信息等,。picture結(jié)構(gòu)包括了亮度，對比度,，色深,。及兩個函數(shù)中最主要的語句ioctl。對于ioctl的行為,，它是由驅(qū)動程序提供和定義的,，在這里是由v41所定義，其中宏VIDIOCGCAP和VIDIOCGPICT的分別表示獲得視頻設(shè)備的capability和picture,。
運用int v41_get_mbuf(v41_device*vd)函數(shù),。通過這個結(jié)函數(shù)可以獲得攝像頭可映射的設(shè)備存儲圖像的內(nèi)存大小、攝像頭可同時存儲的幀數(shù),、每一幀圖像的偏移量,。
(3)按需要更改設(shè)備的相應(yīng)設(shè)置，通過int v41_set_picture函數(shù)實現(xiàn),。其核心是v41為提供的ioctl相關(guān)調(diào)用,，通過這個函數(shù)可以修改如亮度，對比度等相關(guān)的值,。
(4)獲得采集到的圖像數(shù)據(jù),，通過extern int v41_grab_picture實現(xiàn)。先使用ioctl(fd,，VIDIOCGMBUF,，&grab_vm)函數(shù)獲得攝像頭存儲緩沖區(qū)的幀信息，之后修改voideo_mmap中的設(shè)置,，例如重新設(shè)置圖像幀的垂直及水平分辨率,、彩色顯示格式。其中vd->map所指向的數(shù)據(jù)就是圖像數(shù)據(jù),。
采集其中的第一幀,，使用ioctl(fd，VIDIOCMCAPTURE,，&grab_buf)函數(shù),，若調(diào)用成功，則激活設(shè)備真正開始一幀圖像的截取,，是非阻塞的,。接著使用ioctl(fd,，VIDIOCSYNC，&frame)函數(shù)判斷該幀圖像是否截取完畢,，成功返回表示截取完畢,，之后就可把圖像數(shù)據(jù)寫入到Frame Buffer。
然后利用grab_fd．frames值確定采集完畢攝像頭幀緩沖區(qū)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)的次數(shù),。在循環(huán)語句中,，也是使用VIDIOCMCCAPTURE? ioctl和VIDIOCSYNC?ioctl函數(shù)完成每幀截取，但要給采集到的每幀圖像賦地址,，利用語句buf=grab_data+grab_vm．offsets[frame],，然后保存文件的形式。若要繼續(xù)采集可再加一個外循環(huán),，在外循環(huán)語句只要給原來的內(nèi)循環(huán)再賦frame=0即可,。通過顯示屏把采集到的視頻圖像顯示出來。
(5)關(guān)閉設(shè)備,，int v41_close(v41_device*),，主要是關(guān)閉設(shè)備，取消映射,。
5 圖像采集效果
將攝像頭插入到USB主機(jī)下行口,，這時在終端上將打印以下信息：
ov511．c：USB OV511+camera found
ov511．c：Camera type(108)not recognized
ov511．c：Please notify mmcclell@bigfoot．com of the name，
ov511．c：manufacturer,，model．a(chǎn)nd this number of your camera.
ov511．C：Also include the output of the detection process.
ov511．c：Sensor iS an OV7620
ov511．c：Device registered on minor 0
進(jìn)入到本實驗程序所在文件夾,，運行本實驗程序，觀察液晶屏的圖像效果：
#／videodemo
6 結(jié)束語
在ARM-Linux平臺上,，通過使用Video4Linux的API函數(shù)從視頻設(shè)備中讀取圖像數(shù)據(jù),，并對圖進(jìn)行了JPEG格式壓縮，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示處理,，為后續(xù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口檢測的上傳功能實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),。系統(tǒng)若配合使用可靠的傳輸技術(shù)與先進(jìn)的上位機(jī)圖像處理系統(tǒng)，將使轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測系統(tǒng)得以實現(xiàn),。