姜 利，汪 洋，鄧勝江，王曉冬

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

基于CIS的鐵路客票票號(hào)的圖像采集

姜 利，汪 洋，鄧勝江，王曉冬

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

本文針對(duì)接觸式圖像傳感器（CIS）在掃描鐵路車票票號(hào)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。文中詳細(xì)論述掃描票號(hào)在鐵路車票制票中的重要性，CIS的圖像采集原理，CIS讀出電路設(shè)計(jì)方案，以及對(duì)讀出電路輸出的圖像處理方式。為自動(dòng)售票設(shè)備今后增加掃描票號(hào)功能奠定了基礎(chǔ)。

接觸式圖像傳感器；讀出電路；自動(dòng)售票設(shè)備；票號(hào)

我國(guó)鐵路使用的車票左上角有一個(gè)預(yù)印刷的紅色票號(hào)，這是客票系統(tǒng)記錄車票信息的唯一標(biāo)識(shí)。在制票的過程中，票號(hào)核對(duì)由人工進(jìn)行，售票人員必須對(duì)每張票的票號(hào)進(jìn)行核對(duì)，一旦出現(xiàn)售票人員失誤或設(shè)備出錯(cuò)，就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)票。目前的自動(dòng)售票設(shè)備中還沒有核對(duì)票號(hào)的功能，同樣可能由于制票時(shí)網(wǎng)絡(luò)突然中斷或票卷用盡時(shí)更換錯(cuò)誤，導(dǎo)致客票系統(tǒng)記錄的票號(hào)與票面票號(hào)不對(duì)應(yīng)。

為了避免以上制票設(shè)備在出票時(shí)，票面票號(hào)與客票系統(tǒng)記錄的票號(hào)不匹配，可在制票機(jī)上安裝接觸式圖像傳感器（CIS）掃描票號(hào)。CIS是20世紀(jì)90年代開發(fā)的一種新型圖像傳感器，它無需光學(xué)透鏡、體積小、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、功耗低且具有良好的溫度特性。本文將對(duì)采用CIS采集票號(hào)圖像的方法進(jìn)行研究。

1 接觸式圖像傳感器圖像采集原理

CIS，其光學(xué)分辨力比電荷耦合器（CCD，charge coupled device）略低些，但是其驅(qū)動(dòng)電路、光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)卻比CCD簡(jiǎn)單，完全能滿足車票票號(hào)圖像的要求。CIS界面剖視圖如圖1所示，它是由LED光源、微自聚焦透鏡陣列、線性CMOS圖像傳感器、棱鏡、保護(hù)玻璃、塑料殼體和電路板幾部分構(gòu)成。

圖1 CIS界面剖視圖

CIS的內(nèi)部組成框圖如圖2所示，該CIS物理分辨率為600 DPI（23.6 dots/mm），有效掃描寬度為28 mm。其傳感器單元排成線陣，共有688個(gè)傳感單元，可分別檢測(cè)688個(gè)像素點(diǎn)。電路板共有8個(gè)引腳，VLEDA和GLED為L(zhǎng)ED的電源和地，CP為CIS的掃描控制時(shí)鐘，SP為掃描開始信號(hào)，VOUT為CIS的輸出信號(hào)。

圖2 CIS內(nèi)部組成框圖

工作時(shí)，LED發(fā)出的光線由棱鏡控制光線方向，照射到待掃描車票上，由車票反射的光線經(jīng)過聚焦透鏡聚焦后直接照射到線性CMOS圖像傳感器上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，反射光線的強(qiáng)弱隨車票上被掃描處的顏色程度變化。工作原理為：從外部輸入一個(gè)周期性的脈沖信號(hào)，此信號(hào)控制移位寄存器移位，移位寄存器通過信號(hào)移位控制模擬開關(guān)依次打開，CMOS傳感器即可將像元的電信號(hào)依次串行輸出，CIS就完成了對(duì)票號(hào)的橫向掃描。在自動(dòng)售票設(shè)備的制票機(jī)中，采用步進(jìn)電機(jī)控制車票縱向移動(dòng)，即可對(duì)票號(hào)進(jìn)行完整掃描。

2 接觸式圖像傳感器讀出電路

CIS信號(hào)處理過程較復(fù)雜。圖3為系統(tǒng)中CIS采樣信號(hào)的時(shí)序，CP為CIS時(shí)鐘信號(hào)，采樣在每個(gè)時(shí)鐘上升沿及下降沿，因此每一個(gè)時(shí)鐘沿之后都會(huì)有一個(gè)數(shù)據(jù)輸出。CIS輸出信號(hào)為電平變化的模擬信號(hào)，由于后端圖像處理需要數(shù)字信號(hào)，因此需要對(duì)此模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換方式

目前，通常采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式是AD轉(zhuǎn)換器。其中，CLK為采樣/保持及A/D轉(zhuǎn)換控制時(shí)鐘信號(hào)，EOC為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，VOUT為CIS視頻信號(hào)。在CLK的上升沿，A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)采樣保持器進(jìn)入跟隨狀態(tài)，在CLK的下降沿，采樣保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，同時(shí)開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC信號(hào)為低電平，將該信號(hào)返回ARM存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果?？梢钥闯?，對(duì)某一象素點(diǎn)測(cè)試信號(hào)的采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換只能在CP時(shí)鐘沿之前的某一時(shí)刻即CIS的輸出信號(hào)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行。同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換過程以及轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出必須在下一個(gè)CP時(shí)鐘沿之前完成。由此可見，系統(tǒng)對(duì)圖像信號(hào)采樣點(diǎn)的選取、采樣/保持控制時(shí)序、A/D啟動(dòng)控制邏輯、A/D變換的速度、A/D結(jié)果的快速存儲(chǔ)都有較高的要求。

2.2 施密特觸發(fā)器模數(shù)轉(zhuǎn)換方式

本研究主要采用施密特觸發(fā)器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于CIS在票號(hào)掃描時(shí)只需對(duì)票號(hào)與底色兩種顏色的識(shí)別，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換只需對(duì)兩種電平信號(hào)轉(zhuǎn)換。采用的磁介質(zhì)車票底色為藍(lán)色，票號(hào)為紅色。使用藍(lán)光的CIS掃描票紙時(shí)，若掃描的是藍(lán)色，由于藍(lán)色票紙對(duì)藍(lán)光反射，CMOS傳感器感應(yīng)到反射光線，模擬開關(guān)導(dǎo)通，輸出為高電平，相反掃描紅色時(shí)輸出低電平。施密特觸發(fā)器是一種遲滯比較器，通過調(diào)整其閾值電壓，使其對(duì)輸入信號(hào)電平進(jìn)行比較，輸出數(shù)字信號(hào)，如圖4所示。

圖3 CIS采樣信號(hào)時(shí)序

圖4 施密特觸發(fā)器電路

2.3 讀出電路

采用反向輸入的施密特觸發(fā)器，原理圖如圖4所示，電源電壓為0 V～5 V，CIS輸出電壓范圍1 V～4.9 V。事實(shí)上，CIS掃描到的藍(lán)色區(qū)域普遍輸出4.9 V，紅色區(qū)域則根據(jù)字體的清晰度，電壓在1 V～3 V內(nèi)有所波動(dòng)，通過反復(fù)測(cè)試可以確定出高低閾值電壓最合適的值VH和VL，即此范圍內(nèi)可避免噪聲影響電平觸發(fā)。根據(jù)施密特觸發(fā)器的計(jì)算公式（1），可以計(jì)算出參考電壓VREF。由于需要恒定的電壓，因此不能采用簡(jiǎn)單的電阻分壓方式。本電路采用了電壓跟隨器，保證電壓穩(wěn)定在VREF。在CIS工作時(shí)，本電路采用ARM控制CPLD給CIS輸入CP時(shí)鐘信號(hào)，每次輸入370個(gè)時(shí)鐘周期，CIS對(duì)應(yīng)輸出688個(gè)像元的電壓信號(hào)，施密特觸發(fā)器對(duì)此電壓信號(hào)進(jìn)行遲滯比較，輸出數(shù)字信號(hào)返回ARM，即完成對(duì)圖像信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

3 圖像處理方式

得到CIS讀出電路輸出的數(shù)字信號(hào)后，還需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理才能做圖像識(shí)別。處理步驟包括圖像旋轉(zhuǎn)、平滑及區(qū)域劃分。

3.1 圖像旋轉(zhuǎn)

掃描后圖像垂直顯示，因此需要翻轉(zhuǎn)。將圖像f(x，y)繞坐標(biāo)原點(diǎn)O(0,0)旋轉(zhuǎn)90。，圖像的原始坐標(biāo)為[x，y]，旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)為[x’,y’]，由式（3）可以得到圖像旋轉(zhuǎn)后的每個(gè)標(biāo)記塊的坐標(biāo)位置。

3.2 平滑圖像

此圖像有兩種顏色，不需要二值化，但筆畫的邊沿仍然會(huì)存在一些噪聲干擾，因此需要對(duì)圖像平滑處理。只有平滑后的圖像才便于識(shí)別或核對(duì)。采用中值濾波器平滑法，對(duì)圖像上的一點(diǎn)（x,y）按式（4）計(jì)算及其代數(shù)和F(x,y)，中值濾波后的像素（x,y）的f(x,y) 由式（5）決定：

3.3 區(qū)域劃分

由于鐵路車票票號(hào)統(tǒng)一為1位字母后接6位數(shù)字，因此可以采用字符切分的方法將這7位字符從圖像中分離出來，并通過尋找字符的最大矩形將其分離成一個(gè)個(gè)孤立的小圖像。劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 區(qū)域劃分示意圖

區(qū)域劃分后即可做文字識(shí)別，將識(shí)別出來的票號(hào)傳回客票系統(tǒng)，客票系統(tǒng)就可以核對(duì)并記錄票號(hào)。

4 結(jié)束語

采用接觸式圖像傳感器掃描票號(hào)，既實(shí)現(xiàn)了掃描票號(hào)的功能，又不影響制票機(jī)設(shè)備的成本及制票機(jī)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，自動(dòng)售票設(shè)備增加票號(hào)核對(duì)功能后，對(duì)客票系統(tǒng)正確記錄票號(hào)信息提供了很大幫助。

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責(zé)任編輯 陳 蓉

Image acquisition of railway ticket number base on CIS

JIANG Li, WANG Yang, DENG Shengjiang, WANGXiaodong
(Institute of Computing Technologies, ChinaAcademy of Railway Sciences, Beijing 100081,China)

This paper researched on the application of CIS (Contact Image Sensor) in railway scanning ticket number. The paper described the importance of scanning ticket number in ticket issuing machine, the principle of image acquisition of CIS, the plan of designing readout circuit of CIS and the method of image processing of readout circuit output in detail. It was established the basic foundation of adding the function of scanning ticket to ticket vending machine.

Contact Image Sensor(CIS); readout circuit; ticket vending machine; ticket number

U293.22∶TP39

：A

1005-8451（2014）03-0007-03

2013-12-19

姜 利，副研究員；汪 洋，研究實(shí)習(xí)員。