基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺構建與研究

趙平

(武威第二十三中學，甘肅 武威 733000)

1 引言

反應顯微成像技術能夠為科學實驗以及教學活動各環節提供支持[1-2]。在物理實驗平臺構建中，為提升其技術性和現代性，創新平臺構建的新穎度尤為重要[3]。將反應顯微成像技術運用到物理實驗平臺的構建之中，能夠實現反應顯微成像技術與物理實驗平臺的雙發展，提升科研深度與廣度[4]。

2 基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺總體結構

以反應顯微成像技術為基礎所構建完成的物理實驗平臺系統，其基本組成總體上分為四部分，第一部分為采集圖像終端，第二部分為處理圖像終端、第三部分是無線通訊終端，第四部分是移動終端[5]。系統結構圖如下所示：

圖1 物理實驗平臺總體結構圖

2.1 物理實驗平臺硬件參數分析

2.1.1 CMOS 攝像頭

在物理實驗平臺中選擇使用的是CMOS 攝像頭，這款攝像頭在使用中具有較低的功耗，分辨率最高可以夠及1280×1024，在進行圖像傳輸時，所表現出來的最大速率也已經實現了每秒30 幀，其工作的溫度保持在零下三十攝氏度到七十攝氏度之間，主廣角為25°。

2.1.2 主控芯片

主控芯片選擇使用的是來自于某科技企業的開發板，這款開發板以S3C2440 處理器為核心，功能消耗低，成本較低，性價比較高。

2.1.3 移動終端

基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺支持移動終端平臺，實驗采用的是某型號移動設備。其主要參數如下所示。

表1 移動終端設備參數表

2.2 物理實驗平臺系統實現

2.2.1 構建視頻服務器

物理實驗平臺支持windows 系統，視頻服務器的核心是S3C2440 處理器。windows 系統擁有比較穩定的性能，其實現的功能比較強大，在操作的時候能夠支持多任務，另外在運行的過程中具備比較完善的文件管理機制、圖形圖片管理能力和網絡通信功能[6]。

（1）構建嵌入式系統

構建windows 嵌入式系統，其中包含的內容有U-boot 編譯與移植，交叉編譯環境構建與安裝、文件系統制作。在物理實驗平臺中，對其內核做出精簡，僅僅保留著物理實驗中所必須要使用的模塊

（2）移植MJPG-streamer

視頻服務所實現的攝像輸入是利用CMOS 攝像頭實現，在獲得視頻數據的時候，需要完成視頻數據的轉化，從而獲得所應用的數據流。監聽客戶端位置的Soker 連接，若是沒有出現連接現象，那么此時便需要將其停留在等待的階段。MJPG-streamer 源碼的來源較為廣泛，在對MJPG-streamer 源碼進行編譯，編譯完成以后，所形成的文件為：

mjpg_streamer:此為整個系統最為主要的程序，能夠實現啟動功能；

output_file.so:實驗中獲得的數據信息傳輸到相應文件；

output_http.so:將數據傳輸到網絡中；

output_viewer.so:將數據信息傳輸到LCD;

input_uvc.so:USB 攝像頭輸入;

input_file.so:從視頻或者圖片輸入;

input_cmoscamera.so:CMOS 攝像頭輸入。

在開發板的文件系統目錄之下，需要存放mjpg_streamer，同時需要在/lib/modules 目錄中存放output_http.so 和input_cmoscamera.so，在輸入模塊和輸出模塊加載的時候，可以通過利用命令行實現。在下面這一串程序代碼之中，能夠實現的結果是以攝像頭為物質條件，完成圖像數據錄入，利用壓縮格式，完成圖片序列的輸出。mjpg_streamer-i“/lib/modules/input_cmoscamera.so-y”-o"/lib/modules/output_http.so-w192.168.123.1:8080"-b 程序中i 表示的為input，o 表示的為outout，b 表示的為后臺運行，y 表示的為使用程序jpeg 壓縮，w 表示的為數據輸出綁定的網址端口。

2.2.2 移動終端系統功能實現分析

Windows 系統具有高效性和便利性，將其作為移動終端開發設計環境具有積極意義。在開發系統的時候，選擇使用的程序語言為java。在開發移動終端系統的過程中，選擇使用的集成軟件為Eclipse，從而實現開源。系統開發的環境搭建工作，其步驟總共分為三步，第一步是完成開發與下載軟件開發工具包（Software Development Kit），第二步是完成Eclipse 安裝，第三步是軟件開發工具包以及ADT 安裝。

3 基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺性能測試

3.1 物理實驗平臺的數據傳輸質量分析

實驗在構建完成的物理實驗平臺中，通過使用無線傳輸模塊完成數據信息的傳輸，通過選擇的設備能夠對數據的傳輸距離做好控制，在沒有障礙物影響的前提之下，物理實驗所獲得的數據信息傳輸的距離能夠達到30m，在有障礙物的時候，數據信息傳輸的距離能夠達到10m。在本次設計的基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺中，數據傳輸的速率在設置完成以后，需要達到每秒5 幀。物理實驗所拍攝的圖像，在傳輸時像素需壓縮到30 萬，屬8 位數數據。數據傳輸過程之中，其傳輸的速度維系在12Mbps。

3.2 物理實驗平臺的圖像質量

攝像頭在進行圖像獲取的時候，其保存的圖像為640×512，像素值為30 萬像素。在基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺構建完成以后，對黑白相間的條紋進行拍攝，通過拍攝完成的圖片對色差以及圖像的變形情況作出對比分析。詳細如圖2 所示：

圖2 圖像條紋與色差圖

通過圖2的對比結果可以得知拍攝完成的圖像基本上沒有出現形狀上的變化，但是其對比度卻出現了比較顯著的變化。這種現象出現的原因在于光照存在不均勻問題，若是在拍攝的時候沒有合理的控制光源，將會造成白色的位置表現出淺青色，另一部分將會表現出淺粉色。在黑色與白的過度位置中所表現出來的不夠銳利。這些問題將有待于在后期的研究中深入分析與改進。

4 結束語

本文設計一套基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺，其所實現的功能是采集物理實驗圖像并且完成動態性傳輸，在平臺中將接收到的圖像進行顯示與存儲。本文對基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺的組成進行簡要的介紹，其次分析其硬件構成以及移動端的平臺設計與基本結構的功能等等，基于設計完成的系統進行性能測試，展開內容新穎性探究。基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺最大的優勢在于采集圖像的時候基于windows 系統，通過移動端進行使用，大幅度提升了物理實驗的效率和數據分析的便利性，比較適合在物理研究中推廣與產業化研發。另外，將現代無線技術引入到基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺構建中，也大幅度擴展了平臺的使用范圍，在移動端使用的時候，無需增加任何機械外設，使用更為便捷。相比較于傳統的物理實驗系統，新系統不僅現有的無線網絡設備，從而真正的實現了物理實驗監督的無障礙性，提升了物理實驗的質量和效率。總而言之，基于反應顯微成像技術的物理實驗平臺在圖像傳輸的速度領域以及圖像傳輸的質量領域，均具有高質量和可行性，值得推廣使用。