專利名稱：適于遠程監(jiān)控的混凝土裂縫寬度測量儀及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適于遠程監(jiān)控的混凝土裂縫寬度測量儀，主要用于混凝土裂縫寬度本地自動判讀，裂縫寬度及圖像數(shù)據(jù)的遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸和對某一段處危險裂縫的遠程實時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。
背景技術(shù)：
混凝土裂縫通用檢測標準規(guī)定裂縫寬度最大為0.2mm。超過該標準的混凝土裂縫會嚴重降低混凝土材料的承載力從而危及人們的生命安全。因此現(xiàn)場快速精確測出縫寬，個別危險裂縫進行遠程實時監(jiān)控，對裂縫寬度及圖像數(shù)據(jù)進行遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸及分析具有特別重要意義。目前國內(nèi)對于裂縫寬度的測量，使用最廣的是讀數(shù)顯微鏡法。該方法是操作者通過目鏡能看到裂縫放大圖像及刻度尺和游標，通過刻度盤調(diào)整游標位于裂縫邊緣，位于兩個邊緣的刻度盤數(shù)值之差即為縫寬。該方法讀數(shù)過程繁瑣，人員主觀性大，測量精度低；隨后出現(xiàn)基于CCD技術(shù)的混凝土縫寬測量法。該方法的操作者是使用CCD攝像頭拍攝裂縫圖像，用顯示屏顯示放大的裂縫圖像，并通過調(diào)整攝像頭使裂縫與顯示器上刻度尺垂直，即可根據(jù)顯示屏上的刻度尺讀取裂縫寬度值。但該方法仍然沒有從根本上克服測量效率和人為誤差的問題；基于DSP技術(shù)的混凝土裂縫寬度測量儀的出現(xiàn)克服了上述弊端，實現(xiàn)了對裂縫寬度數(shù)據(jù)的快速自動判讀，但仍存在很多不足1.要求操作人員必須到現(xiàn)場操作儀器，導(dǎo)致操作現(xiàn)場化，存在嚴重弊端。2.無法將裂縫及圖像數(shù)據(jù)進行遠程傳輸、分析，影響了危險裂縫的分析判決，導(dǎo)致判識效率低且易引發(fā)嚴重事故。3.對個別危險裂縫不能實時跟蹤監(jiān)控從而引發(fā)危險事故，造成安全隱患。4.由于對個別危險裂縫無法進行遠程實時監(jiān)控，也導(dǎo)致現(xiàn)場頻繁檢測，造成人力浪費，檢測效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有混凝土裂縫寬度測量儀僅限于本地自動判讀，無法將縫寬及圖像數(shù)據(jù)遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸和對某一段危險裂縫進行遠程實時監(jiān)控，導(dǎo)致實時性差、測量效率低。本發(fā)明提出了一種基于新的網(wǎng)絡(luò)視頻、DSP、CCD三者技術(shù)結(jié)合，能實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸、接收、存儲、分析和縫寬自動判讀功能的便攜式高精度嵌入式混凝土裂縫寬度檢測儀。
本發(fā)明的技術(shù)方案如圖1所示，其特征在于包括硬件模塊及實現(xiàn)縫寬自動判讀方法的軟件模塊。硬件模塊部分包括攝像頭、圖像采集模塊、DSP、圖像顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、外擴存儲空間、中斷控制模塊、顯示器以及外圍電路。軟件模塊用于實現(xiàn)硬件模塊初始化及實現(xiàn)縫寬自動判讀方法。硬件部分用攝像頭來采集混凝土表面的裂縫圖像，輸出模擬視頻信號；圖像采集模塊采用Philips公司的SAA7115芯片將采集到的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號送DSP處理。DSP接收數(shù)字視頻信號后，對裂縫圖像進行處理，計算裂縫的寬度值，然后將帶有裂縫寬度值的數(shù)字視頻信號傳給網(wǎng)絡(luò)模塊或圖像顯示模塊。網(wǎng)絡(luò)模塊負責將視頻信號通過以太網(wǎng)接口進行遠距離網(wǎng)絡(luò)傳輸。圖像顯示模塊采用Philips公司的SAA7104芯片將DSP處理后的數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)化成模擬視頻信號在顯示器上實時顯示裂縫圖像和寬度值；外擴存儲空間是由存儲電路擴展的兩片SDRAM和一片F(xiàn)LASH ROM閃存組成。中斷控制模塊與按鍵電路共同作用產(chǎn)生DSP硬件中斷，從而實現(xiàn)本儀器的菜單功能。所述的網(wǎng)絡(luò)模塊與DSP芯片連接，DSP芯片內(nèi)置10/100Mb/s的以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制器EMAC和管理數(shù)據(jù)輸入輸出模塊MDIO，DSP芯片通過以上兩個模塊與網(wǎng)絡(luò)模塊相連。EMAC模塊是DSP處理器內(nèi)核與片外的網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，負責以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。MDIO模塊負責管理與EMAC相連的所有PHY芯片，包括對PHY芯片進行枚舉、配置和器件狀態(tài)監(jiān)測等。所述的圖像采集模塊與DSP芯片的連接，圖像采集模塊中的視頻A/D轉(zhuǎn)換器通過數(shù)字視頻數(shù)據(jù)信號、視頻采樣時鐘信號以及視頻控制信號與DSP相連，當采集視頻信號時，DSP控制視頻采樣時鐘信號和數(shù)字視頻數(shù)據(jù)信號將采集到的圖像信息從圖像采集模塊中輸出；所述的圖像顯示模塊與DSP芯片的連接，圖像顯示模塊中的視頻D/A轉(zhuǎn)換器通過數(shù)字視頻數(shù)據(jù)信號、視頻采樣時鐘信號以及視頻控制信號與DSP相連，當采集到的裂縫圖像被處理完畢之后，DSP控制視頻采樣時鐘信號和數(shù)字視頻數(shù)據(jù)信號將處理后的圖像信息輸入到圖像顯示模塊；外圍電路包括以太網(wǎng)接口電路、存儲電路、復(fù)位電路、仿真電路、按鍵電路、時鐘電路、模式選擇電路、連接器電路以及電源轉(zhuǎn)換電路；以太網(wǎng)接口電路主要是IntelLXT971PHY的外圍電路的接口設(shè)計，該芯片是快速以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器，能夠與DSP芯片的EMAC/MDIO模塊無縫連接。存儲器電路由SDRAM以及FLASH ROM閃存組成，它們分別與DSP連接，其數(shù)據(jù)的讀入和寫出受DSP控制，SDRAM用于存儲圖像數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH ROM用于存儲儀器的上電加載程序；復(fù)位電路提供復(fù)位信號，當按下復(fù)位按鍵時復(fù)位；仿真電路與DSP相連，用于儀器上電加載程序的下載和調(diào)試；按鍵電路與DSP相連，用于接收外部命令，使儀器按要求執(zhí)行相應(yīng)的指令；時鐘電路用于提供系統(tǒng)時鐘；模式選擇電路主要與DSP芯片的模式選擇引腳相連，用于設(shè)定DSP的工作模式；電源轉(zhuǎn)換電路用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為工作電壓。連接器電路提供電路板上器件與外部CCD攝像頭、電源及顯示器等外圍器件的方便連接，以及采用鋰電池供電和直流轉(zhuǎn)直流電源模塊解決測量儀的供電方法。
軟件模塊部分的特征包括實現(xiàn)硬件電路的初始化和裂縫寬度的自動判讀方法。硬件電路初始化功能的實現(xiàn)是基于TI公司的NDK網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動開發(fā)包來實現(xiàn)的；縫寬自動判讀方法的實現(xiàn)則是借助于一系列圖像處理方法。軟件功能的實現(xiàn)過程如圖2所示首先硬件電路上電后自動從FLASH加載程序，利用TI公司的NDK網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)硬件電路的初始化功能。之后儀器進入開機菜單界面，此時按照用戶選擇的不同菜單項，儀器將分別執(zhí)行裂縫圖像處理、裂縫寬度數(shù)據(jù)察看和裂縫寬度數(shù)據(jù)清除操作。裂縫寬度數(shù)據(jù)察看和裂縫寬度數(shù)據(jù)清除操作菜單項分別執(zhí)行顯示前幾次存儲的裂縫寬度數(shù)據(jù)和清除前幾次存儲的裂縫寬度數(shù)據(jù)操作。裂縫圖像處理菜單項執(zhí)行的圖像處理功能是本儀器的核心功能部分，其特征在于在顯示器中央用DSP做出十字標尺，用CCD攝像頭采集裂縫圖像時，將位于顯示器中央的十字標尺對準要測量的裂縫的中間位置，DSP接收來自圖像采集模塊傳遞來的原始圖像亮度數(shù)據(jù)，由DSP對裂縫圖像進行處理，處理方法主要包括圖像截取、圖像分割、反色處理、區(qū)域標記、小面積消去、寬度測量、圖像標尺、寬度顯示、輸出圖像合成。具體步驟如下DSP接收來自圖像采集模塊傳遞來的原始圖像亮度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在液晶屏上為一幅720×576像素的裂縫灰度圖像。首先執(zhí)行圖像截取功能，該功能是以裂縫為中心，左右各s個像素，以2s×t像素的圖像區(qū)域作為待處理區(qū)域，采用公式 完成截取2s×t像素的圖像區(qū)域，用于后續(xù)的圖像處理，s為大于裂縫寬度像素一半的像素值，t為小于顯示屏高度的像素值；f(x，y)為圖中坐標為(x，y)處圖像像素灰度值。圖像分割功能是對截取的2s×t像素的裂縫灰度圖像的進行二值化處理，即將灰度圖像變?yōu)楹诎讏D像以便于后續(xù)圖像處理；由于二值化后的圖像裂縫為黑色背景為白色，所以為突出裂縫進行反色處理，采用f(x，y)＝255-f(x，y)，(x，y)∈d圖像區(qū)域，使裂縫變?yōu)榘咨珔^(qū)域，背景為黑色區(qū)域；其中f(x，y)為圖像中坐標為(x，y)處像素的灰度值，d圖像區(qū)域是指第一步圖像截取時截取的圖像區(qū)域。區(qū)域標記是用來標記二值圖像中的連通區(qū)域(以八連通為標準進行判斷)，將裂縫圖像中大小不同的連通區(qū)域做上標記，為小面積消去做準備；小面積消去功能則是將圖像中小于一定面積的白色區(qū)域去除，排除不是裂縫的白色干擾區(qū)域。圖像標尺表現(xiàn)為顯示在顯示器中間的白色十字線，是用在CCD攝像頭采集裂縫圖像時，將十字標尺對準要測量的裂縫的中間位置，因為十字標尺本身位于顯示器中央，這樣對中后待測裂縫也位于顯示器的中央位置，有利于圖像處理操作。最后進行裂縫寬度計算，計算方法是將多行裂縫寬度數(shù)據(jù)累加后再除以行數(shù)，得出的裂縫寬度平均值作為最終的裂縫寬度值。完成裂縫寬度自動判讀操作后，最后將處理后的圖像及數(shù)據(jù)傳遞給圖像顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊進行輸出顯示。
本發(fā)明具有混凝土裂縫寬度自動判讀、裂縫寬度數(shù)據(jù)遠距離網(wǎng)絡(luò)傳輸、裂縫圖像遠距離實時監(jiān)控等功能。只需要把攝像頭對準混凝土裂縫，就可以通過網(wǎng)絡(luò)遠距離監(jiān)控裂縫寬度變化，并通過網(wǎng)絡(luò)遠距離傳輸視頻數(shù)據(jù)，減少頻繁的現(xiàn)場操作。也可以按下儀器上的開始處理按鈕，即可在顯示器上看到經(jīng)過采集、處理后輸出的被放大的混凝土裂縫圖像以及裂縫寬度的數(shù)字顯示值，或者將寬度數(shù)據(jù)實時地通過網(wǎng)絡(luò)進行遠距離傳輸。
適于遠程監(jiān)控的混凝土裂縫寬度測量儀是一種高精度、自動化程度高，并可進行網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)及圖像傳輸?shù)膶Ｓ脺y量儀。該儀器基于網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，實時性好，減少了人員頻繁現(xiàn)場測量，使用方便，大大降低了操作人員的勞動強度，提高了工作效率。因此在一定程度上減少了混凝土裂縫寬度測量工作中錯誤的發(fā)生，便于對危險裂縫進行實時監(jiān)控，對保障混凝土建筑物安全具有重要意義。


圖1是本發(fā)明的具有自動判讀功能的裂縫寬度測量儀的技術(shù)方案框圖；
圖2是本發(fā)明裂縫寬度自動判讀的圖像處理流程圖；圖3是本發(fā)明圖像采集及顯示模塊與DSP芯片的接口框圖；圖4是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)模塊與DSP芯片的接口框圖；圖5是本發(fā)明SAA7115解碼器電路的電路原理圖；圖6是本發(fā)明SAA7104編碼器電路的電路原理圖；圖7是本發(fā)明的DSP芯片外部存儲器(EMIF)接口框圖；圖8是本發(fā)明的DSP芯片時鐘電路的電路原理圖；圖9是本發(fā)明以太網(wǎng)接口電路的電路原理圖；圖10是本發(fā)明FLASH存儲器電路的電路原理圖；圖11是本發(fā)明的JTAG仿真電路的電路原理圖；圖12是本發(fā)明按鍵電路的電路原理圖；圖13(a)是本發(fā)明的DSP芯片上電加載模式選擇電路原理圖；圖13(b)是本發(fā)明的DSP芯片EMIF接口時鐘輸入模式選擇電路原理圖；圖14是本發(fā)明復(fù)位電路的電路原理圖；圖15是本發(fā)明連接器電路的電路原理圖。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合圖2-圖14對本發(fā)明做進一步的說明一種以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心，具有自動判讀功能的混凝土裂縫寬度測量儀，整臺儀器包括攝像頭、圖像采集模塊、DSP、網(wǎng)絡(luò)模塊、圖像顯示模塊以及網(wǎng)絡(luò)接口電路、復(fù)位電路、仿真電路、按鍵電路、時鐘電路、存儲電路、模式選擇電路、電源轉(zhuǎn)換電路、連接器電路和顯示器。
參照圖2，本測量儀自動判讀功能是通過相關(guān)的圖像處理方法實現(xiàn)的。第一步圖像截取。該功能是將720×576像素的裂縫圖像用十字標尺對中后使圖像位于顯示屏中央，然后在顯示器中央截取300×576像素(以裂縫為中心左右各150個像素)的裂縫圖像區(qū)域作為后續(xù)進行圖像處理的區(qū)域。方法描述如下 f(x，y)為圖中坐標為(x，y)處圖像像素灰度值。
第二步圖像分割。圖像分割功能是分析圖像數(shù)據(jù)，獲取合適的閾值，并用該閾值對圖像進行二值化處理，為后面進一步圖像處理做準備。本設(shè)計采用自適應(yīng)OSTU法進行閾值選取，該方法可靈活選擇大小合適的閾值。方法描述計算計算截取區(qū)域圖像灰度的均方差，當均方差小于混凝土裂縫圖像處理閾值25～30時，常用的閾值為30，說明圖像中的目標大小不合適直接利用OSTU方法進行閾值選取。此時縮小選取圖像區(qū)域的寬度，再次統(tǒng)計均方差，迭代此過程直至均方差達到預(yù)定門限值時確定選取區(qū)域的寬度。把選取區(qū)域的直方圖在給定閾值(可選1-255之間的數(shù)值)處分割成兩組，當被分成的兩組之間的方差為最大時給定的閾值就是最終要選的閾值。OSTU法公式計算如下設(shè)一幅圖像的灰度值為1-m級(m為1到255中的任一值)，灰度值為i的像素個數(shù)為ni，此時我們得到圖像總像素個數(shù)為N=Σi=1mni;]]>各個像素值的概率Pi=niN;]]>用K將其分成兩組C0＝{1～k}和C1＝{k+1～m}，(K為1到255之間的數(shù)值。其中C0為灰度值是1到K之間數(shù)值的集合，C1為灰度值是K到255之間數(shù)值的集合)，各組產(chǎn)生概率如下
C0產(chǎn)生的概率為W0W0=Σi=1kpi=wk,]]>(W0＝WK)C1產(chǎn)生的概率為W1W1=Σi=k+1kpi=1-wi,]]>(W1＝1-WK)C0的平均值U0U0=Σi=1ki×piW0=ukWk]]>C1的平均值U1U1=Σi=k+1mi×piW1=u-uk1-Wk]]>其中u=Σi=1mi·pi]]>是整體圖像的灰度平均值；uk=Σi=1ki·pi]]>是閾值為K時的灰度平均值。所以全部采樣的灰度平均值為u＝W0·U0+W1·U1兩組間方差(類間方差)σk2σ2k=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2=ω0ω1(μ1-μ0)2=[ωk×u-uk]2ωk×[1-ωk]]]>從1～m之間改變K的大小，并求出σk2的最大值。當σk2為最大值時對應(yīng)的K值即為閾值。利用計算出的閾值對圖像進行二值化處理f(x,y)=0,f(x,y)≤K255,f(x,y)>K.]]>第三步圖像反色。該功能是將圖像進行反色處理，使裂縫圖像中背景為黑色，裂縫為白色。方法描述f(x，y)＝255-f(x，y)，(x，y)∈d圖像區(qū)域(其中f(x，y)為圖像中坐標為(x，y)處像素的灰度值，d圖像區(qū)域是指第一步圖像截取時截取的圖像區(qū)域)。
第四步區(qū)域標記功能。用來標記二值圖像中的連通區(qū)域(以八連通為標準進行判斷)。將裂縫圖像中大小不同的連通區(qū)域做上標記，為小面積消去做準備。方法描述1.從左到右、從上到下遍歷圖像像素，找到最左上角的像素，并將其像素值標記為1；2.從左到右、從上到下遍歷圖像像素，若像素值為255，則按右上、正上、左上、左前的順序判斷這四點像素值；若右上點像素值不為0，則當前點像素值標記為右上點像素值；若右上點像素值為0，則依次判斷正上、左上、左前的像素，并進行相同操作；3.若該像素右上、正上、左上、左前四點像素值皆為0，則將該點像素值置為2，以后遇到此情況，只需將標記值加1即可；4.合并不同標記的連通區(qū)域。
第五步小面積消去功能。用來去除圖像中面積小于給定閾值(本設(shè)計采用閾值為40)的區(qū)域。本方法根據(jù)區(qū)域標記的結(jié)果，將裂縫圖像中小于40的連通區(qū)域消去，從而排除干擾。方法描述統(tǒng)計圖像中所有已標記的連通區(qū)域，當連通區(qū)域所包含的像素點數(shù)小于40，則將該連通區(qū)域中的像素灰度置為背景色。
第六步寬度計算功能是計算圖像中裂縫的寬度。方法描述逐行掃描統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)的圖像，記錄30行白色目標區(qū)域的寬度并進行累加，結(jié)果除以統(tǒng)計區(qū)域的行數(shù)30，得到以像素為單位的裂縫寬度，該寬度乘以水平像素表示的寬度，得到最終的裂縫寬度值。
參照圖3，本測量儀選用TI公司的TMS320DM642 DSP芯片作為主處理芯片，該芯片內(nèi)部集成了三個可配置的視頻端口，這些視頻端口提供了與視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片的無縫接口，因而無需外加CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)和FIFO(先入先出存儲器)就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。在本系統(tǒng)中，VPO端口用于視頻采集，采集頻率最高可以達到80MHz；VP2端口用于視頻顯示，頻率最高可達到110MHz。其中，數(shù)據(jù)線VP0/2D[9..2]用于傳輸8位BT656格式的數(shù)字視頻流；VP0/2CTL0與采集/顯示模塊的水平同步引腳相連；VP0/2CTL1與采集/顯示模塊的垂直同步引腳相連；VP0/2CTL2與采集/顯示模塊的場同步引腳相連；VP0/2CLK0與采集/顯示模塊的時鐘輸出引腳相連。
參照圖4，DM642片內(nèi)有EMAC/MDIO模塊，與片外Intel LXT971 PHY芯片及其外圍電路連接，可以快速實現(xiàn)OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能，Intel LXT971 PHY芯片是快速以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器，支持IEEE802.3標準，提供MII(media independent interface)接口，能夠與DM642中的EMAC/MDIO模塊無縫連接。支持10/100Mb/s全雙工數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示，主要接口信號包括時鐘、控制和監(jiān)測信號與數(shù)據(jù)總線。其中時鐘信號MTCLK發(fā)送時鐘。MRCLK接收時鐘。MDCLK管理數(shù)據(jù)時鐘，該時鐘信號由DM642片上的MDIO模塊來實現(xiàn)?？刂坪捅O(jiān)測信號包括MTXEN發(fā)送使能信號。MCOL網(wǎng)絡(luò)沖突監(jiān)測信號。當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突時，該信號由PHY置位告訴EMAC。MRXDV接收數(shù)據(jù)使能。MRXER接收錯誤，當接收的幀中發(fā)現(xiàn)錯誤，該信號線被置位。數(shù)據(jù)總線MTXD(3-0)發(fā)送數(shù)據(jù)總線，只在使能信號MTXEN有效時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)才有效。MRXD(3-0)接收數(shù)據(jù)總線，只在使能信號MRXDV有效時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)才有效。MDIO管理數(shù)據(jù)I/O。以向PHY寫入或讀出數(shù)據(jù)幀的形式對PHY進行配置。
參照圖5，SAA7104編碼芯片用于將DM642處理后的視頻信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送顯示屏顯示。其中編碼器BLUE_CB_CVBS引腳即與顯示器相連，用于將編碼后的模擬視頻信號送顯示器。編碼器的XTAL0引腳外接27M晶振，用于提供編碼芯片的時鐘信號。HSVGC、VSVGC、FSVGC三個引腳分別為水平同步、垂直同步和場同步信號引腳，與DM642水平同步、垂直同步、場同步引腳相連，用來保證視頻信號的正確傳輸。VP1D[9..2]與DM642的VP1端口相連，用于將DM642處理后的8位BT656格式的數(shù)字視頻流送編碼器進行D/A轉(zhuǎn)換。RESET引腳與復(fù)位電路的復(fù)位信號相連，保證編碼器上電后正確復(fù)位。
參照圖6，SAA7115解碼芯片用于將CCD攝像頭采集的模擬視頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換后送DSP進行處理。解碼芯片的AI11引腳用于接收來自CCD攝像頭的模擬視頻信號，數(shù)據(jù)線VP2D[9..2]與DM642VP2端口相連，用于傳輸8位BT656格式的數(shù)字視頻流送DM642進行處理；XTAL1引腳外接24M的晶振，用于提供解碼芯片的時鐘信號。Reset引腳與復(fù)位電路的復(fù)位信號相連，保證解碼器上電后正確復(fù)位。
參照圖7，DM642芯片具有外部存儲器接口，能夠與多種外存實現(xiàn)無縫連接。DM642的地址總線為64位，因此在該系統(tǒng)中，選用兩片SDRAM串聯(lián)，每一片的容量為4M*32bit，這樣兩片串聯(lián)在一起就相當于一片4M*64bit的SDRAM，共用地址線和控制線，TBE[7..0]為字節(jié)使能信號，使能八個字節(jié)。TED[63..0]為外部存儲器的數(shù)據(jù)信號線；TEA[22..3]為外部存儲器的地址信號線。由于系統(tǒng)中SDRAM被分配在DM642的CE0空間，因此TCE0作為片選信號，當其為低電平時，SDRAM被使能。TWE為寫使能信號，當其為低電平時，DSP芯片可以將數(shù)據(jù)寫入SDRAM中。TSDRAS為行選通信號，當其為低電平時，DSP芯片發(fā)送讀寫SDRAM的行地址。TSDCAS為列選通信號，當其為低電平時，DSP芯片發(fā)送讀寫SDRAM的列地址；TSDCKE為時鐘使能信號。
參照圖8，DSP時鐘輸入電路主要由50MHz的晶振與DSP芯片的時鐘倍頻模式選擇管腳連接組成。系統(tǒng)時鐘輸入頻率為50MHz，通過CLKMODE0和CLKMODE1的高低電平組合，選擇DM642內(nèi)部CPU的工作頻率是1倍、6倍、或12倍的時鐘輸入頻率。
參照圖9，DM642用LXT971物理層芯片擴展了一個10/100Mb/s的以太網(wǎng)接口，本電路就是以太網(wǎng)接口部分的詳細原理圖。連接器為標準以太網(wǎng)連接器RJ-45。
參照圖10，該系統(tǒng)FLASH用來存儲上電加載程序。FLASH芯片型號為AMD公司的AM29LV800B，容量為1M*8bit，被分配在DM642的CE1空間。具體電路原理圖參考圖4由于這款芯片可以選擇以8位數(shù)據(jù)或16位傳輸數(shù)據(jù)，即當BYTE引腳為低電平時，以8位寬度傳輸，反之，當其為高電平時，選擇以16位數(shù)據(jù)寬度進行傳輸，在本系統(tǒng)中，將BYTE引腳接地，以8位傳輸，因此AM29LV800B使用數(shù)據(jù)線TED[7..0]，DQ15/A-1引腳作為地址線TEA3來使用，AM29LV800B的A[18..0]接到DSP的地址總線TEA[22..4]。RESET#接到系統(tǒng)復(fù)位信號。AM29LV800B的RY/BY#信號與片選信號通過一個或門電路接到DM642的ARDY信號上，這樣，當TCE1#為低電平，即選通CE1空間時，若RY/BY#為低電平，表示FLASH芯片還沒有準備好，若RY/BY#高電平，表示FLASH處于空閑狀態(tài)，這時系統(tǒng)就可以對FLASH進行讀寫操作。
參照圖11，DM642DSP具有符合IEEE1149.1標準的JTAG仿真端口，它是一種邊界掃描測試方式，通過仿真調(diào)試軟件及仿真器可以訪問DSP的內(nèi)部資源。具體電路原理圖參照圖5JTAG仿真端口共有13條信號線，需要連接到標準的14腳插槽上，其中第6管腳為空。插槽上的管腳1為測試模式選擇信號TMS，管腳2為測試復(fù)位信號TRST#，管腳3為測試數(shù)據(jù)輸入信號TDI，管腳7為測試數(shù)據(jù)輸出信號TDO，管腳11為測試的時鐘信號TCK，管腳9為時鐘反饋信號。
參照圖12，按鍵電路主要由集成電路U1組成，型號為74HC08，該集成電路中的nA與nB為輸入信號，nY為輸出信號，當且僅當nA與nB同時為高電平時，nY為高電平。只要其中之一為低電平，nY則為低電平。在本系統(tǒng)中，U1的1A、1B、2A、2B分別接到DM642的GPO[9..11]，同時與外部按鍵相連，當操作者按下按鍵時，例如KEY1被按下，GPO9變?yōu)榈碗娖剑?Y也變?yōu)榈碗娖剑?B為低電平，則3Y即EXTINT6為低電平，此時將引發(fā)中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序。
參照圖13(a)，由于DM642支持多種工作模式，因此為不同的工作模式預(yù)留一些設(shè)置手段能夠很好地提高系統(tǒng)的靈活性，并給調(diào)試帶來方便。TEA[22:21]的高低電平組合決定了系統(tǒng)采用哪一種上電加載模式，本系統(tǒng)選用外部存儲器接口(EMIF)加載方式，即通過外部擴展FLASH來加載系統(tǒng)程序。LENDIAN_MODE為大小端模式選擇引腳，若為低電平，系統(tǒng)工作在大端模式下，反之若為高電平，系統(tǒng)工作在小端模式下，本系統(tǒng)選擇小端模式。
參照圖13(b)，TEA[20:19]的高低電平組合決定了EMIFA接口的時鐘輸入方式。若TEA20為低電平，TEA19也為低電平，則選擇通過AECLKIN引腳為EMIFA接口提供時鐘信號；若TEA20為低電平，TEA19為高電平，則EMIFA接口的時鐘頻率為CPU工作頻率的四分之一；若TEA20為高電平，TEA19為低電平，則EMIFA接口的時鐘頻率為CPU工作頻率的六分之一。
參照圖14，系統(tǒng)復(fù)位電路主要由集成電路U12組成，型號為74HC14。該芯片的工作原理為若nA為高電平，則nY為低電平，反之同理。當按鍵S9被按下時，1A變?yōu)榈碗娖?，則1Y變?yōu)楦唠娖?，由?Y與2A用導(dǎo)線相連，則2A也為高電平，2Y變?yōu)榈碗娖剑?A也為低電平，3Y、4A為高電平，則4Y即RESET信號變?yōu)榈碗娖剑紫到y(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)。該測量儀器在使用時，檢測人員只需將攝像頭放在裂縫上，即可在顯示器上看到采集到的裂縫圖像，按下開始處理按鍵，即可看到測量得出的裂縫寬度值。本發(fā)明操作簡單、方便，實用性強，能夠快速精確地測出混凝土裂縫的寬度，具有很強的應(yīng)用價值。
參照圖15，連接器電路提供電路板上器件與外部CCD、電源及顯示器等外圍器件的方便連接，以便于儀器整機安裝。DC5V模塊是直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)化模塊，用來將鋰電池提供的12V直流電轉(zhuǎn)化為5V的直流電供給DSP硬件電路。CON2是鋰電池供電輸入插口CON1是液晶顯示器信號線及電源線連接插口，用于鋰電池給液晶顯示器供電及顯示器與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸；CON3是按鍵電路外接鍵盤的連接插口；CON4是CCD信號線及電源線連接插口，用于鋰電池給CCD攝像頭提供電源及CCD與DSP進行數(shù)據(jù)傳輸；CON3是鋰電池的供電插口，用于通過外接電源給鋰電池供電。鋰電池是采用日本三洋公司生產(chǎn)的UR18650F鋰離子電池，其標準輸出電壓為3.7V，標準電容量為2400mAh。本發(fā)明需要提供12V的直流電壓和8小時以上的供電時間，所以采用六塊鋰電池，三塊鋰電池串聯(lián)后再將兩組串聯(lián)的鋰電池并聯(lián)給測量儀供電。
權(quán)利要求
1.適于遠程監(jiān)控的混凝土裂縫寬度測量儀，包括攝像頭、圖像采集模塊、DSP、圖像顯示模塊、外擴存儲空間、顯示器以及外圍電路；用CCD攝像頭來采集混凝土表面的裂縫圖像，輸出模擬視頻信號；圖像采集模塊將采集到的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號送DSP處理；DSP接收數(shù)字視頻信號后，對裂縫圖像進行處理，計算裂縫的寬度值，然后將帶有裂縫寬度值的數(shù)字視頻信號傳給圖像顯示模塊，圖像顯示模塊將DSP處理后的數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)化成模擬視頻信號在顯示器上實時顯示裂縫圖像和寬度值；其特征在于還包括網(wǎng)絡(luò)模塊，中斷控制模塊，外圍電路還包括以太網(wǎng)接口電路、連接器電路；網(wǎng)絡(luò)模塊負責將視頻信號通過以太網(wǎng)接口進行遠距離網(wǎng)絡(luò)傳輸；中斷控制模塊與按鍵電路共同作用產(chǎn)生DSP硬件中斷，從而實現(xiàn)本儀器的菜單功能；所述的網(wǎng)絡(luò)模塊與DSP芯片連接，DSP芯片內(nèi)置10/100Mb/s的以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制器EMAC和管理數(shù)據(jù)輸入輸出模塊MDIO，DSP芯片通過以上兩個模塊與網(wǎng)絡(luò)模塊相連；EMAC模塊是DSP處理器內(nèi)核與片外的網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，負責以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；MDIO模塊負責管理與EMAC相連的所有PHY芯片，包括對PHY芯片進行枚舉、配置和器件狀態(tài)監(jiān)測等；DSP將帶有裂縫寬度值的數(shù)字視頻信號傳給網(wǎng)絡(luò)模塊；以太網(wǎng)接口電路主要是Intel LXT971PHY的外圍電路的接口設(shè)計，該芯片是快速以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器，能夠與DSP芯片的EMAC/MDIO模塊無縫連接；連接器電路提供電路板上器件與外部CCD攝像頭、電源及顯示器等外圍器件的方便連接，以及連接直流轉(zhuǎn)直流電源轉(zhuǎn)化模塊和鋰電池供電電路，解決測量儀的供電問題。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于遠程監(jiān)控的混凝土裂縫寬度測量儀，其特征在于所述的圖像采集模塊與DSP芯片的連接，采用Philips公司的SAA7115芯片將采集到的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號送DSP處理，圖像采集模塊中的視頻A/D轉(zhuǎn)換器通過數(shù)字視頻數(shù)據(jù)信號、視頻采樣時鐘信號以及視頻控制信號與DSP相連，當采集視頻信號時，DSP控制視頻采樣時鐘信號和數(shù)字視頻數(shù)據(jù)信號將采集到的圖像信息從圖像采集模塊中輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于遠程監(jiān)控的混凝土裂縫寬度測量儀，其特征在于所述的圖像顯示模塊與DSP芯片的連接，采用Philips公司的SAA7104芯片將DSP處理后的數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)化成模擬視頻信號在顯示器上實時顯示裂縫圖像和寬度值；圖像顯示模塊中的視頻D/A轉(zhuǎn)換器通過數(shù)字視頻數(shù)據(jù)信號、視頻采樣時鐘信號以及視頻控制信號與DSP相連，當采集到的裂縫圖像被處理完畢之后，DSP控制視頻采樣時鐘信號和數(shù)字視頻數(shù)據(jù)信號將處理后的圖像信息輸入到圖像顯示模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于遠程監(jiān)控的混凝土裂縫寬度測量儀，其特征在于所述的外圍電路包括存儲電路、復(fù)位電路、仿真電路、按鍵電路、時鐘電路、模式選擇電路以及電源轉(zhuǎn)換電路，復(fù)位電路提供復(fù)位信號，當按下復(fù)位按鍵時復(fù)位；仿真電路與DSP相連，用于儀器上電后程序的下載和調(diào)試；按鍵電路與DSP相連，用于接收外部命令，使儀器按要求執(zhí)行相應(yīng)的指令；時鐘電路用于提供系統(tǒng)時鐘；模式選擇電路主要與DSP芯片的模式選擇引腳相連，用于設(shè)定DSP的工作模式；電源轉(zhuǎn)換電路用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為工作電壓；存儲電路由SDRAM以及FLASH ROM閃存組成，它們分別與DSP連接，其數(shù)據(jù)的讀入和寫出受DSP控制，SDRAM用于存儲圖像數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH ROM用于存儲儀器的上電加載程序；外擴存儲空間是由存儲電路擴展的兩片SDRAM和一片F(xiàn)LASH ROM閃存組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于遠程監(jiān)控的混凝土裂縫寬度測量儀所采用的測量方法，其特征在于在顯示器中央用DSP做出十字標尺，用CCD攝像頭采集裂縫圖像時，將位于顯示器中央的十字標尺對準要測量的裂縫的中間位置，DSP接收來自圖像采集模塊傳遞來的原始圖像亮度數(shù)據(jù)，由DSP對裂縫圖像進行處理，計算裂縫的寬度值，處理和計算的具體步驟如下步驟一、首先進行圖像截取，以裂縫為中心，左右各選取s個像素，以2s×t像素的圖像區(qū)域作為待處理區(qū)域，采用公式 完成截取2s×t像素的圖像區(qū)域，用于后續(xù)的圖像處理，s為大于裂縫寬度像素一半的像素值，t為小于顯示屏高度的像素值；f(x，y)為圖中坐標為(x，y)處圖像像素灰度值；步驟二、進行圖像分割，對步驟一中截取的2s×t像素的裂縫灰度圖像進行二值化處理，即將灰度圖像變?yōu)楹诎讏D像以便于后續(xù)圖像處理；步驟三、進行反色處理，采用公式f(x，y)＝255-f(x，y)，(x，y)∈d圖像區(qū)域，使裂縫變?yōu)榘咨珔^(qū)域，背景為黑色區(qū)域；其中f(x，y)為圖像中坐標為(x，y)處像素的灰度值，d圖像區(qū)域是指第一步圖像截取時截取的圖像區(qū)域；步驟四、進行區(qū)域標記，標記二值圖像中的連通區(qū)域，將裂縫圖像中大小不同的連通區(qū)域做上標記，為小面積消去做準備；步驟五、小面積消去，將圖像中小于一定面積的白色區(qū)域去除，排除不是裂縫的白色干擾區(qū)域；步驟六、進行裂縫寬度計算，計算方法是將多行裂縫寬度數(shù)據(jù)累加后再除以行數(shù)，得出的裂縫寬度平均值作為最終的裂縫寬度值；完成裂縫寬度自動判讀操作后，最后將處理后的圖像及數(shù)據(jù)傳遞給圖像顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊進行輸出顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于所述的步驟二中的圖象分割采用的是計算截取區(qū)域圖像灰度的均方差，當均方差小于混凝土裂縫圖像處理閾值25～35時，說明圖像中的目標大小不合適直接利用OSTU方法進行閾值選?。淮藭r縮小選取圖像區(qū)域的寬度，再次統(tǒng)計均方差，迭代此過程直至均方差達到預(yù)定門限值時確定選取區(qū)域的寬度；把選取區(qū)域的直方圖在給定閾值處分割成兩組，給定閾值可選1-255之間的數(shù)值，當被分成的兩組之間的方差為最大時給定的閾值就是最終要選的閾值；OSTU法公式計算如下設(shè)一幅圖像的灰度值為1-m級，m為1到255中的任一值，灰度值為i的像素個數(shù)為ni，此時得到圖像總像素個數(shù)為N=Σi=1mni;]]>各個像素值的概率Pi=niN;]]>用K將其分成兩組C0＝{1～k}和C1＝{k+1～m}，(K為1到255之間的數(shù)值。其中C0為灰度值是1到K之間數(shù)值的集合，C1為灰度值是K到255之間數(shù)值的集合)，各組產(chǎn)生概率如下C0產(chǎn)生的概率為W0W0=Σi=1kpi=wk]]>C1產(chǎn)生的概率為W1W1=Σi=k+1kpi=1-wi]]>C0的平均值U0U0=Σi=1ki×piW0=ukWk]]>C1的平均值U1U1=Σi=k+1mi×piW1=u-uk1-Wk]]>其中u=Σi=1mi·pi]]>是整體圖像的灰度平均值；uk=Σi=1ki·pi]]>是閾值為K時的灰度平均值。所以全部采樣的灰度平均值為u＝W0·U0+W1·U1兩組間方差，即類間方差σk2σ2k=ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2=ω0ω1(μ1-μ0)2]]>=[ωk×u-uk]2ωk×[1-ωk]]]>從1～m之間改變K的大小，并求出σk2的最大值；當σk2為最大值時對應(yīng)的K值即為閾值；利用公式f(x,y)=0,f(x,y)≤K255,f(x,y)>K,]]>對圖像進行二值化處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于所述的步驟四，進行區(qū)域標記按以下步驟進行1.從左到右、從上到下遍歷圖像像素，找到最左上角的像素，并將其像素值標記為1；2.從左到右、從上到下遍歷圖像像素，若像素值為255，則按右上、正上、左上、左前的順序判斷這四點像素值；若右上點像素值不為0，則當前點像素值標記為右上點像素值；若右上點像素值為0，則依次判斷正上、左上、左前的像素，并進行相同操作；3.若該像素右上、正上、左上、左前四點像素值皆為0，則將該點像素值置為2，以后遇到此情況，只需將標記值加1即可；4.合并不同標記的連通區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于所述的步驟五，小面積消去是去除圖像中面積小于給定閾值的區(qū)域；方法描述統(tǒng)計圖像中所有已標記的連通區(qū)域，當連通區(qū)域所包含的像素點數(shù)小于給定的閾值時，則將該連通區(qū)域中的像素灰度置為背景色。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量方法，其特征在于所述的混凝土裂縫圖像處理閾值為30。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量方法，其特征在于所述的步驟五，小面積消去的給定閾值為40。
全文摘要
本發(fā)明涉及適于遠程監(jiān)控的混凝土裂縫寬度測量儀及測量方法，主要用于混凝土裂縫寬度本地自動判讀。硬件模塊部分包括攝像頭、圖像采集模塊、DSP、圖像顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、外擴存儲空間、中斷控制模塊、顯示器以及外圍電路。圖像采集模塊將采集到的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號送DSP處理。DSP接收數(shù)字視頻信號后，對裂縫圖像進行處理，計算裂縫的寬度值，然后將帶有裂縫寬度值的數(shù)字視頻信號傳給網(wǎng)絡(luò)模塊或圖像顯示模塊。處理方法主要包括圖像截取、圖像分割、反色處理、區(qū)域標記、小面積消去、寬度測量、圖像標尺、寬度顯示、輸出圖像合成。本發(fā)明一定程度上減少了混凝土裂縫寬度測量工作中錯誤的發(fā)生，便于對危險裂縫進行實時監(jiān)控。
文檔編號G01N21/88GK101033944SQ20071009854
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者吳斌, 王芹, 胡彥彥, 何存富, 宋國榮 申請人:北京工業(yè)大學