ARM9的轉(zhuǎn)轍機缺口圖像采集設(shè)計

轉(zhuǎn)轍機缺口監(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。
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??? 1 系統(tǒng)技術(shù)指標
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??? 主要技術(shù)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(tài)圖像傳輸碼流100~250 kbit·s-1.
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??? 2 圖像采集模塊設(shè)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(shù)目，常以像素/英寸（ppi）為單位來表示。對電動轉(zhuǎn)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(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準。JPEG標準定義了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展、增強編碼系統(tǒng)，用于高壓縮比、高精度或漸進重建應(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。
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??? 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(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。
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??? 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?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。
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??? 3 圖像采集硬件設(shè)計
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??? 在ARM9系統(tǒng)中通過USB接口連接USB攝像頭對圖像進行采集，實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機缺口監(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。
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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(tǒng)，下端可接USB設(shè)備。
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??? 4 圖像采集軟件實現(xiàn)
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??? 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)。
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??? 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
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??? 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
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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(nèi)核，在終端輸入命令：#make menu config命令，選擇“l(fā)oad 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。
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??? 4.3 圖像采集應(yīng)用程序
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??? 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。
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??? 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準的I/O系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)操作設(shè)備文件，從而達到與設(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(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)：
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??? （1）打開視頻設(shè)備，這里用int v41_open（char*,v41_device*）實現(xiàn)。
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??? （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.
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??? 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。
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??? （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。
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??? （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)。
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??? 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.
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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(qū)幀數(shù)據(jù)進行循環(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。
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??? （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。
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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(jié)束語
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??? 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)，并對圖進行了JPEG格式壓縮，再將數(shù)據(jù)進行顯示處理，為后續(xù)的轉(zhuǎn)轍機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)與先進的上位機圖像處理系統(tǒng)，將使轉(zhuǎn)轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)得以實現(xiàn)。