ARM9的轉轍機缺口圖像采集設計

轉轍機缺口監測問題一直是鐵路信號系統特別是信號維修部門關注的熱點。隨著鐵路高速、高密度行車區段的不斷增加，為了確保行車安全，對行車道岔運行質量與狀態穩定性監測無為重要。
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??? 1 系統技術指標
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??? 主要技術指標：（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）動態圖像傳輸碼流100~250 kbit·s-1.
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??? 2 圖像采集模塊設計原理
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??? 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目，常以像素/英寸（ppi）為單位來表示。對電動轉轍機（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6/640=0.01 mm.圖像數據量大小=圖像中的像素總數×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準。JPEG標準定義了3種編碼系統：（1）基于DCT的有損編碼基本系統，可以適合大多數壓縮場合。（2）基于分層遞增模式的擴展、增強編碼系統，用于高壓縮比、高精度或漸進重建應用場合。（3）基于預測編碼中DPCM方法的無損系統，用于無失真應用的場合。
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??? 圖像應用系統要與JPEG兼容，必須支持JPEG基本系統，可以通過修改其文件格式、圖像分辨率或彩色空間模型應用于不同場合。在不降低圖像視覺質量的基礎上JPEG標準可以將圖像壓縮到1/10~1/50,這樣一幀圖像的大小就可以壓縮到48 kB,根據需要還可以壓縮為6 kB的二值圖像，滿足缺口檢測的要求。
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??? 在基本系統中，輸入和輸出數據的精度為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。基本系統的編碼器如圖2所示。

Video4Linux（V4L）是Linux的影像串流系統與嵌入式影像系統的基礎。Video4Linux是Linux Kemel里支持影像設備的一組APIs,配合適當的視頻采集卡與驅動程序，Video4Linux可以實現影像圖像采集，它支持圖像的JPEG壓縮。Video4Linux分為2層式架構，上層為Video4Linux驅動程序本身，下層架構則是影像設備的驅動程序。實驗中使用了V4L的上層驅動程序，即V4L所提供給程序開發人員的APIs.通過使用Video 4Linux的API函數從視頻設備中讀取圖像數據，然后將這些數據寫入Frame Buffer,使攝像頭采集到的圖像在液晶屏中顯示出來。
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??? 3 圖像采集硬件設計
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??? 在ARM9系統中通過USB接口連接USB攝像頭對圖像進行采集，實現轉轍機缺口監測的圖像采集。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協議。
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??? USB采集電路的原理框圖如圖3所示。

??? USB主機芯片采用AU9254A21,它是單片的四端口USB控制芯片，這里擴展了4個USB接口。它的上端接USB控制系統，下端可接USB設備。
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??? 4 圖像采集軟件實現
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??? 在Linux系統中，通過使用Video4Linux的API函數，從視頻設備中讀取圖像數據，然后將這些數據寫入系統臨時文件為后續的功能實現奠定基礎。
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??? 采集程序實現過程：一個嵌入式Linux系統從軟件的角度看通常分為4個層次：Bootloader、Linux內核、文件系統和用戶應用程序，如圖4所示。

4.1 移植Bootloader
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??? USB攝像頭的采集應用程序是建立在Linux系統上，首先配置適合系統的Bootloader,Linux內核在RAM中運行，這就需要Linux的Bootloa der將整個內核復制到RAM中。系統中Bootloader是運行在NORFlash中，它的主要作用是：將Linux內核文件、根文件系統文件、Linux啟動參數文件復制到SDRAM中，并跳至RAM中Linux內核的首地址，運行Linux.各文件在RAM中存放的空間示意圖，如圖5所示。

4.2 編譯下載內核
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??? 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。建立依賴關系，在終端運行命令：#make dep.編譯內核，在終端輸入命令：#make zImage.編譯完成后在arch/arm/boot目錄下會生產arm?Linux內核映像文件zIm age,用FlashFXP軟件的FTP下載。
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??? 4.3 圖像采集應用程序
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??? 在圖像采集設備驅動安裝后，只需再編寫一個視頻流采集應用程序，即可采集視頻圖像。
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??? 前面提到Linux系統中把設備看成設備文件，在用戶空間可以通過標準的I/O系統調用函數操作設備文件，從而達到與設備通信交互的目的。視頻設備在Linux系統下為一個字符型設備，分配給視頻設備使用的主設備號固定為81,次設備號為0~31.在Linux系統中通常使用設備名為video0~video31,使用以下命令在設備文件夾/dev/下創建1名稱為video0的節點：# mknod/dev/video0 c 81 0配置Video4Linux內核：在終端使用make menuconfig命令打開S3C2410Linux內核編譯的Main Menu窗口，并進入“Multimedia devices→”菜單選項，然后將Video For Linux配置為模塊；返回主菜單（Main Menu），再進入“USB support→”菜單選項，然后將USB Camera support設置為模塊，退出并保存配置，使用make dep命令建立文件依聯關系，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眼V2000.

利用V4L API獲取視頻圖像的應用程序流程，如圖6所示。

下面簡要介紹其實現：
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??? （1）打開視頻設備，這里用int v41_open（char*,v41_device*）實現。
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??? （2）獲得設備信息的任務，這里用extern int v41_get_capability（v41_device*）實現。函數有vd->capability和vd->picture兩個結構體。capability主要包括設備名稱、支持的最大最小分辨率、信號源信息等。picture結構包括了亮度，對比度，色深。及兩個函數中最主要的語句ioctl.對于ioctl的行為，它是由驅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備的capability和picture.
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??? 運用int v41_get_mbuf（v41_device*vd）函數。通過這個結函數可以獲得攝像頭可映射的設備存儲圖像的內存大小、攝像頭可同時存儲的幀數、每一幀圖像的偏移量。
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??? （3）按需要更改設備的相應設置，通過int v41_set_picture函數實現。其核心是v41為提供的ioctl相關調用，通過這個函數可以修改如亮度，對比度等相關的值。
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??? （4）獲得采集到的圖像數據，通過extern int v41_grab_picture實現。先使用ioctl（fd,VIDIOCGMBUF,&grab_vm）函數獲得攝像頭存儲緩沖區的幀信息，之后修改voideo_mmap中的設置，例如重新設置圖像幀的垂直及水平分辨率、彩色顯示格式。其中vd->map所指向的數據就是圖像數據。
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??? 采集其中的第一幀，使用ioctl（fd,VIDIOCMCAPTURE,&grab_buf）函數，若調用成功，則激活設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，之后就可把圖像數據寫入到Frame Buffer.
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??? 然后利用grab_fd.frames值確定采集完畢攝像頭幀緩沖區幀數據進行循環的次數。在循環語句中，也是使用VIDIOCMCCAPTURE? ioctl和VIDIOCSYNC?ioctl函數完成每幀截取，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。若要繼續采集可再加一個外循環，在外循環語句只要給原來的內循環再賦frame=0即可。通過顯示屏把采集到的視頻圖像顯示出來。
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??? （5）關閉設備，int v41_close（v41_device*），主要是關閉設備，取消映射。
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??? 5 圖像采集效果
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??? 將攝像頭插入到USB主機下行口，這時在終端上將打印以下信息：
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??? ov511.c:USB OV511+camera found
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??? ov511.c:Camera type（108）not recognized
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??? ov511.c:Please notify?mmcclell@bigfoot.com?of the name,
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??? ov511.c:manufacturer,model.and this number of your camera.
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??? ov511.C:Also include the output of the detection process.
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??? ov511.c:Sensor iS an OV7620
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??? ov511.c:Device registered on minor 0
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??? 進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：
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??? #/videodemo

??? 6 結束語
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??? 在arm-Linux平臺上，通過使用Video4Linux的API函數從視頻設備中讀取圖像數據，并對圖進行了JPEG格式壓縮，再將數據進行顯示處理，為后續的轉轍機缺口檢測的上傳功能實現奠定了基礎。系統若配合使用可靠的傳輸技術與先進的上位機圖像處理系統，將使轉轍機缺口監測系統得以實現。