基于CIS的铁路客票票号的图像采集

姜 利，汪 洋，邓胜江，王晓冬

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

基于CIS的铁路客票票号的图像采集

姜 利，汪 洋，邓胜江，王晓冬

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

本文针对接触式图像传感器（CIS）在扫描铁路车票票号中的应用进行研究。文中详细论述扫描票号在铁路车票制票中的重要性，CIS的图像采集原理，CIS读出电路设计方案，以及对读出电路输出的图像处理方式。为自动售票设备今后增加扫描票号功能奠定了基础。

接触式图像传感器；读出电路；自动售票设备；票号

我国铁路使用的车票左上角有一个预印刷的红色票号，这是客票系统记录车票信息的唯一标识。在制票的过程中，票号核对由人工进行，售票人员必须对每张票的票号进行核对，一旦出现售票人员失误或设备出错，就会导致错票。目前的自动售票设备中还没有核对票号的功能，同样可能由于制票时网络突然中断或票卷用尽时更换错误，导致客票系统记录的票号与票面票号不对应。

为了避免以上制票设备在出票时，票面票号与客票系统记录的票号不匹配，可在制票机上安装接触式图像传感器（CIS）扫描票号。CIS是20世纪90年代开发的一种新型图像传感器，它无需光学透镜、体积小、价格低、结构简单、安装方便、功耗低且具有良好的温度特性。本文将对采用CIS采集票号图像的方法进行研究。

1 接触式图像传感器图像采集原理

CIS，其光学分辨力比电荷耦合器（CCD，charge coupled device）略低些，但是其驱动电路、光学系统和机械结构却比CCD简单，完全能满足车票票号图像的要求。CIS界面剖视图如图1所示，它是由LED光源、微自聚焦透镜阵列、线性CMOS图像传感器、棱镜、保护玻璃、塑料壳体和电路板几部分构成。

图1 CIS界面剖视图

CIS的内部组成框图如图2所示，该CIS物理分辨率为600 DPI（23.6 dots/mm），有效扫描宽度为28 mm。其传感器单元排成线阵，共有688个传感单元，可分别检测688个像素点。电路板共有8个引脚，VLEDA和GLED为LED的电源和地，CP为CIS的扫描控制时钟，SP为扫描开始信号，VOUT为CIS的输出信号。

图2 CIS内部组成框图

工作时，LED发出的光线由棱镜控制光线方向，照射到待扫描车票上，由车票反射的光线经过聚焦透镜聚焦后直接照射到线性CMOS图像传感器上，将光信号转化为电信号，反射光线的强弱随车票上被扫描处的颜色程度变化。工作原理为：从外部输入一个周期性的脉冲信号，此信号控制移位寄存器移位，移位寄存器通过信号移位控制模拟开关依次打开，CMOS传感器即可将像元的电信号依次串行输出，CIS就完成了对票号的横向扫描。在自动售票设备的制票机中，采用步进电机控制车票纵向移动，即可对票号进行完整扫描。

2 接触式图像传感器读出电路

CIS信号处理过程较复杂。图3为系统中CIS采样信号的时序，CP为CIS时钟信号，采样在每个时钟上升沿及下降沿，因此每一个时钟沿之后都会有一个数据输出。CIS输出信号为电平变化的模拟信号，由于后端图像处理需要数字信号，因此需要对此模拟信号进行模数转换。

2.1 A/D转换器模数转换方式

目前，通常采用的模数转换方式是AD转换器。其中，CLK为采样/保持及A/D转换控制时钟信号，EOC为A/D转换结束信号，VOUT为CIS视频信号。在CLK的上升沿，A/D转换器内采样保持器进入跟随状态，在CLK的下降沿，采样保持器进入保持状态，同时开始进行A/D转换。当A/D转换结束时，EOC信号为低电平，将该信号返回ARM存储A/D转换的结果。可以看出，对某一象素点测试信号的采样保持及A/D转换只能在CP时钟沿之前的某一时刻即CIS的输出信号稳定时进行。同时，A/D转换过程以及转换结果输出必须在下一个CP时钟沿之前完成。由此可见，系统对图像信号采样点的选取、采样/保持控制时序、A/D启动控制逻辑、A/D变换的速度、A/D结果的快速存储都有较高的要求。

2.2 施密特触发器模数转换方式

本研究主要采用施密特触发器进行模数转换。由于CIS在票号扫描时只需对票号与底色两种颜色的识别，因此模数转换只需对两种电平信号转换。采用的磁介质车票底色为蓝色，票号为红色。使用蓝光的CIS扫描票纸时，若扫描的是蓝色，由于蓝色票纸对蓝光反射，CMOS传感器感应到反射光线，模拟开关导通，输出为高电平，相反扫描红色时输出低电平。施密特触发器是一种迟滞比较器，通过调整其阈值电压，使其对输入信号电平进行比较，输出数字信号，如图4所示。

图3 CIS采样信号时序

图4 施密特触发器电路

2.3 读出电路

采用反向输入的施密特触发器，原理图如图4所示，电源电压为0 V～5 V，CIS输出电压范围1 V～4.9 V。事实上，CIS扫描到的蓝色区域普遍输出4.9 V，红色区域则根据字体的清晰度，电压在1 V～3 V内有所波动，通过反复测试可以确定出高低阈值电压最合适的值VH和VL，即此范围内可避免噪声影响电平触发。根据施密特触发器的计算公式（1），可以计算出参考电压VREF。由于需要恒定的电压，因此不能采用简单的电阻分压方式。本电路采用了电压跟随器，保证电压稳定在VREF。在CIS工作时，本电路采用ARM控制CPLD给CIS输入CP时钟信号，每次输入370个时钟周期，CIS对应输出688个像元的电压信号，施密特触发器对此电压信号进行迟滞比较，输出数字信号返回ARM，即完成对图像信号到数字信号的转换。

3 图像处理方式

得到CIS读出电路输出的数字信号后，还需要对此信号进行处理才能做图像识别。处理步骤包括图像旋转、平滑及区域划分。

3.1 图像旋转

扫描后图像垂直显示，因此需要翻转。将图像f(x，y)绕坐标原点O(0,0)旋转90。，图像的原始坐标为[x，y]，旋转后的坐标为[x’,y’]，由式（3）可以得到图像旋转后的每个标记块的坐标位置。

3.2 平滑图像

此图像有两种颜色，不需要二值化，但笔画的边沿仍然会存在一些噪声干扰，因此需要对图像平滑处理。只有平滑后的图像才便于识别或核对。采用中值滤波器平滑法，对图像上的一点（x,y）按式（4）计算及其代数和F(x,y)，中值滤波后的像素（x,y）的f(x,y) 由式（5）决定：

3.3 区域划分

由于铁路车票票号统一为1位字母后接6位数字，因此可以采用字符切分的方法将这7位字符从图像中分离出来，并通过寻找字符的最大矩形将其分离成一个个孤立的小图像。划分结果如图5所示。

图5 区域划分示意图

区域划分后即可做文字识别，将识别出来的票号传回客票系统，客票系统就可以核对并记录票号。

4 结束语

采用接触式图像传感器扫描票号，既实现了扫描票号的功能，又不影响制票机设备的成本及制票机的结构。同时，自动售票设备增加票号核对功能后，对客票系统正确记录票号信息提供了很大帮助。

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责任编辑 陈 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，副研究员；汪 洋，研究实习员。