基于CIS的鐵路客票票號的圖像采集

姜 利，汪 洋，鄧勝江，王曉冬

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

基于CIS的鐵路客票票號的圖像采集

姜 利，汪 洋，鄧勝江，王曉冬

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

本文針對接觸式圖像傳感器（CIS）在掃描鐵路車票票號中的應用進行研究。文中詳細論述掃描票號在鐵路車票制票中的重要性，CIS的圖像采集原理，CIS讀出電路設計方案，以及對讀出電路輸出的圖像處理方式。為自動售票設備今后增加掃描票號功能奠定了基礎。

接觸式圖像傳感器；讀出電路；自動售票設備；票號

我國鐵路使用的車票左上角有一個預印刷的紅色票號，這是客票系統記錄車票信息的唯一標識。在制票的過程中，票號核對由人工進行，售票人員必須對每張票的票號進行核對，一旦出現售票人員失誤或設備出錯，就會導致錯票。目前的自動售票設備中還沒有核對票號的功能，同樣可能由于制票時網絡突然中斷或票卷用盡時更換錯誤，導致客票系統記錄的票號與票面票號不對應。

為了避免以上制票設備在出票時，票面票號與客票系統記錄的票號不匹配，可在制票機上安裝接觸式圖像傳感器（CIS）掃描票號。CIS是20世紀90年代開發的一種新型圖像傳感器，它無需光學透鏡、體積小、價格低、結構簡單、安裝方便、功耗低且具有良好的溫度特性。本文將對采用CIS采集票號圖像的方法進行研究。

1 接觸式圖像傳感器圖像采集原理

CIS，其光學分辨力比電荷耦合器（CCD，charge coupled device）略低些，但是其驅動電路、光學系統和機械結構卻比CCD簡單，完全能滿足車票票號圖像的要求。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、保護玻璃、塑料殼體和電路板幾部分構成。

圖1 CIS界面剖視圖

CIS的內部組成框圖如圖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個傳感單元，可分別檢測688個像素點。電路板共有8個引腳，VLEDA和GLED為LED的電源和地，CP為CIS的掃描控制時鐘，SP為掃描開始信號，VOUT為CIS的輸出信號。

圖2 CIS內部組成框圖

工作時，LED發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，將光信號轉化為電信號，反射光線的強弱隨車票上被掃描處的顏色程度變化。工作原理為：從外部輸入一個周期性的脈沖信號，此信號控制移位寄存器移位，移位寄存器通過信號移位控制模擬開關依次打開，CMOS傳感器即可將像元的電信號依次串行輸出，CIS就完成了對票號的橫向掃描。在自動售票設備的制票機中，采用步進電機控制車票縱向移動，即可對票號進行完整掃描。

2 接觸式圖像傳感器讀出電路

CIS信號處理過程較復雜。圖3為系統中CIS采樣信號的時序，CP為CIS時鐘信號，采樣在每個時鐘上升沿及下降沿，因此每一個時鐘沿之后都會有一個數據輸出。CIS輸出信號為電平變化的模擬信號，由于后端圖像處理需要數字信號，因此需要對此模擬信號進行模數轉換。

2.1 A/D轉換器模數轉換方式

目前，通常采用的模數轉換方式是AD轉換器。其中，CLK為采樣/保持及A/D轉換控制時鐘信號，EOC為A/D轉換結束信號，VOUT為CIS視頻信號。在CLK的上升沿，A/D轉換器內采樣保持器進入跟隨狀態，在CLK的下降沿，采樣保持器進入保持狀態，同時開始進行A/D轉換。當A/D轉換結束時，EOC信號為低電平，將該信號返回ARM存儲A/D轉換的結果。可以看出，對某一象素點測試信號的采樣保持及A/D轉換只能在CP時鐘沿之前的某一時刻即CIS的輸出信號穩定時進行。同時，A/D轉換過程以及轉換結果輸出必須在下一個CP時鐘沿之前完成。由此可見，系統對圖像信號采樣點的選取、采樣/保持控制時序、A/D啟動控制邏輯、A/D變換的速度、A/D結果的快速存儲都有較高的要求。

2.2 施密特觸發器模數轉換方式

本研究主要采用施密特觸發器進行模數轉換。由于CIS在票號掃描時只需對票號與底色兩種顏色的識別，因此模數轉換只需對兩種電平信號轉換。采用的磁介質車票底色為藍色，票號為紅色。使用藍光的CIS掃描票紙時，若掃描的是藍色，由于藍色票紙對藍光反射，CMOS傳感器感應到反射光線，模擬開關導通，輸出為高電平，相反掃描紅色時輸出低電平。施密特觸發器是一種遲滯比較器，通過調整其閾值電壓，使其對輸入信號電平進行比較，輸出數字信號，如圖4所示。

圖3 CIS采樣信號時序

圖4 施密特觸發器電路

2.3 讀出電路

采用反向輸入的施密特觸發器，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。事實上，CIS掃描到的藍色區域普遍輸出4.9 V，紅色區域則根據字體的清晰度，電壓在1 V～3 V內有所波動，通過反復測試可以確定出高低閾值電壓最合適的值VH和VL，即此范圍內可避免噪聲影響電平觸發。根據施密特觸發器的計算公式（1），可以計算出參考電壓VREF。由于需要恒定的電壓，因此不能采用簡單的電阻分壓方式。本電路采用了電壓跟隨器，保證電壓穩定在VREF。在CIS工作時，本電路采用ARM控制CPLD給CIS輸入CP時鐘信號，每次輸入370個時鐘周期，CIS對應輸出688個像元的電壓信號，施密特觸發器對此電壓信號進行遲滯比較，輸出數字信號返回ARM，即完成對圖像信號到數字信號的轉換。

3 圖像處理方式

得到CIS讀出電路輸出的數字信號后，還需要對此信號進行處理才能做圖像識別。處理步驟包括圖像旋轉、平滑及區域劃分。

3.1 圖像旋轉

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

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存在一些噪聲干擾，因此需要對圖像平滑處理。只有平滑后的圖像才便于識別或核對。采用中值濾波器平滑法，對圖像上的一點（x,y）按式（4）計算及其代數和F(x,y)，中值濾波后的像素（x,y）的f(x,y) 由式（5）決定：

3.3 區域劃分

由于鐵路車票票號統一為1位字母后接6位數字，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個孤立的小圖像。劃分結果如圖5所示。

圖5 區域劃分示意圖

區域劃分后即可做文字識別，將識別出來的票號傳回客票系統，客票系統就可以核對并記錄票號。

4 結束語

采用接觸式圖像傳感器掃描票號，既實現了掃描票號的功能，又不影響制票機設備的成本及制票機的結構。同時，自動售票設備增加票號核對功能后，對客票系統正確記錄票號信息提供了很大幫助。

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責任編輯 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，研究實習員。