CN100529654C - 适于远程监控的混凝土裂缝宽度测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适于远程监控的混凝土裂缝宽度测量仪及测量方法，主要用于混凝土裂缝宽度本地自动判读。硬件模块部分包括摄像头、图像采集模块、DSP、图像显示模块、网络模块、外扩存储空间、中断控制模块、显示器以及外围电路。图像采集模块将采集到的模拟视频信号转化成数字信号送DSP处理。DSP接收数字视频信号后，对裂缝图像进行处理，计算裂缝的宽度值，然后将带有裂缝宽度值的数字视频信号传给网络模块或图像显示模块。处理方法主要包括图像截取、图像分割、反色处理、区域标记、小面积消去、宽度测量、图像标尺、宽度显示、输出图像合成。本发明一定程度上减少了混凝土裂缝宽度测量工作中错误的发生，便于对危险裂缝进行实时监控。

Description

适于远程监控的混凝土裂缝宽度测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及适于远程监控的混凝土裂缝宽度测量仪，主要用于混凝土裂缝宽度本地自动判读，裂缝宽度及图像数据的远程网络传输和对某一段处危险裂缝的远程实时网络监控。

背景技术

混凝土裂缝通用检测标准规定裂缝宽度最大为0.2mm。超过该标准的混凝土裂缝会严重降低混凝土材料的承载力从而危及人们的生命安全。因此现场快速精确测出缝宽，个别危险裂缝进行远程实时监控，对裂缝宽度及图像数据进行远程网络传输及分析具有特别重要意义。目前国内对于裂缝宽度的测量，使用最广的是读数显微镜法。该方法是操作者通过目镜能看到裂缝放大图像及刻度尺和游标，通过刻度盘调整游标位于裂缝边缘，位于两个边缘的刻度盘数值之差即为缝宽。该方法读数过程繁琐，人员主观性大，测量精度低；随后出现基于CCD技术的混凝土缝宽测量法。该方法的操作者是使用CCD摄像头拍摄裂缝图像，用显示屏显示放大的裂缝图像，并通过调整摄像头使裂缝与显示器上刻度尺垂直，即可根据显示屏上的刻度尺读取裂缝宽度值。但该方法仍然没有从根本上克服测量效率和人为误差的问题；基于DSP技术的混凝土裂缝宽度测量仪的出现克服了上述弊端，实现了对裂缝宽度数据的快速自动判读，但仍存在很多不足：1.要求操作人员必须到现场操作仪器，导致操作现场化，存在严重弊端。2.无法将裂缝及图像数据进行远程传输、分析，影响了危险裂缝的分析判决，导致判识效率低且易引发严重事故。3.对个别危险裂缝不能实时跟踪监控从而引发危险事故，造成安全隐患。4.由于对个别危险裂缝无法进行远程实时监控，也导致现场频繁检测，造成人力浪费，检测效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有混凝土裂缝宽度测量仪仅限于本地自动判读，无法将缝宽及图像数据远程网络传输和对某一段危险裂缝进行远程实时监控，导致实时性差、测量效率低。本发明提出了一种基于新的网络视频、DSP、CCD三者技术结合，能实现远程数据传输、接收、存储、分析和缝宽自动判读功能的便携式高精度嵌入式混凝土裂缝宽度检测仪。

本发明的技术方案如图1所示，其特征在于包括硬件模块及实现缝宽自动判读方法的软件模块。硬件模块部分包括CCD摄像头、图像采集模块、DSP、图像显示模块、网络模块、外扩存储空间、中断控制模块、显示器以及外围电路。软件模块用于实现硬件模块初始化及实现缝宽自动判读方法。硬件部分用摄像头来采集混凝土表面的裂缝图像，输出模拟视频信号；图像采集模块采用Philips公司的SAA7115芯片将采集到的模拟视频信号转化成数字视频信号送DSP处理。DSP接收数字视频信号后，对裂缝图像进行处理，计算裂缝的宽度值，然后将带有裂缝宽度值的数字视频信号传给网络模块或图像显示模块。网络模块负责将视频信号通过以太网接口进行远距离网络传输。图像显示模块采用Philips公司的SAA7104芯片将DSP处理后的数字视频信号转化成模拟视频信号在显示器上实时显示裂缝图像和宽度值；外扩存储空间是由存储电路扩展的两片SDRAM和一片FLASH ROM闪存组成。中断控制模块与按键电路共同作用产生DSP硬件中断，从而实现混凝土裂缝宽度测量仪的菜单功能。所述的网络模块与DSP芯片连接，DSP芯片内置10/100Mb/s的以太网介质访问控制器模块EMAC和管理数据输入输出模块MDIO，DSP芯片通过以上两个模块与网络模块相连。EMAC模块是DSP处理器内核与片外的网络物理层数据传输的接口，负责以太网数据的接收和发送。MDIO模块负责管理与EMAC模块相连的所有PHY芯片，包括对PHY芯片进行枚举、配置和器件状态监测。所述的图像采集模块与DSP芯片的连接，图像采集模块中的视频A/D转换器通过数字视频数据信号、视频采样时钟信号以及视频控制信号与DSP相连，当采集视频信号时，DSP控制视频采样时钟信号和数字视频数据信号将采集到的图像信息从图像采集模块中输出；所述的图像显示模块与DSP芯片的连接，图像显示模块中的视频D/A转换器通过数字视频数据信号、视频采样时钟信号以及视频控制信号与DSP相连，当采集到的裂缝图像被处理完毕之后，DSP控制视频采样时钟信号和数字视频数据信号将处理后的图像信息输入到图像显示模块；外围电路包括以太网接口电路、存储电路、复位电路、仿真电路、按键电路、时钟电路、模式选择电路、连接器电路以及电源转换电路；以太网接口电路主要是Intel LXT971PHY的外围电路的接口设计，IntelLXT971PHY芯片是快速以太网物理层自适应收发器，能够与DSP芯片的EMAC/MDIO模块无缝连接。存储器电路由SDRAM以及FLASH ROM闪存组成，它们分别与DSP连接，其数据的读入和写出受DSP控制，SDRAM用于存储图像数据，FLASH ROM用于存储仪器的上电加载程序；复位电路提供复位信号，当按下复位按键时复位；仿真电路与DSP相连，用于仪器上电加载程序的下载和调试；按键电路与DSP相连，用于接收外部命令，使仪器按要求执行相应的指令；时钟电路用于提供系统时钟；模式选择电路主要与DSP芯片的模式选择引脚相连，用于设定DSP的工作模式；电源转换电路用于将输入电压转换为工作电压。连接器电路提供电路板上器件与外部CCD摄像头、电源及显示器等外围器件的方便连接，以及采用锂电池供电和直流转直流电源模块解决测量仪的供电方法。

软件模块部分的特征包括实现硬件电路的初始化和裂缝宽度的自动判读方法。硬件电路初始化功能的实现是基于TI公司的NDK网络驱动开发包来实现的；缝宽自动判读方法的实现则是借助于一系列图像处理方法。软件功能的实现过程如图2所示：首先硬件电路上电后自动从FLASH加载程序，利用TI公司的NDK网络驱动程序实现硬件电路的初始化功能。之后仪器进入开机菜单界面，此时按照用户选择的不同菜单项，仪器将分别执行裂缝图像处理、裂缝宽度数据察看和裂缝宽度数据清除操作。裂缝宽度数据察看和裂缝宽度数据清除操作菜单项分别执行显示前几次存储的裂缝宽度数据和清除前几次存储的裂缝宽度数据操作。裂缝图像处理菜单项执行的图像处理功能是本仪器的核心功能部分，其特征在于：在显示器中央用DSP做出十字标尺，用CCD摄像头采集裂缝图像时，将位于显示器中央的十字标尺对准要测量的裂缝的中间位置，DSP接收来自图像采集模块传递来的原始图像亮度数据，由DSP对裂缝图像进行处理，处理方法主要包括图像截取、图像分割、反色处理、区域标记、小面积消去、宽度测量、图像标尺、宽度显示、输出图像合成。具体步骤如下：DSP接收来自图像采集模块传递来的原始图像亮度数据，该数据在液晶屏上为一幅720×576像素的裂缝灰度图像。首先执行图像截取功能，该功能是以裂缝为中心，左右各s个像素，以2s×t像素的图像区域作为待处理区域，采用公式

完成截取2s×t像素的图像区域，用于后续的图像处理，s为大于裂缝宽度像素一半的像素值，t为小于显示屏高度的像素值；f(x，y)为图中坐标为(x，y)处图像像素灰度值。图像分割功能是对截取的2s×t像素的裂缝灰度图像的进行二值化处理，即将灰度图像变为黑白图像以便于后续图像处理；由于二值化后的图像裂缝为黑色背景为白色，所以为突出裂缝进行反色处理，采用f(x，y)＝255-f(x，y)，(x，y)∈d_图像区域，使裂缝变为白色区域，背景为黑色区域；其中f(x，y)为图像中坐标为(x，y)处像素的灰度值，d_图像区域是指第一步图像截取时截取的图像区域。区域标记是用来标记二值图像中的连通区域(以八连通为标准进行判断)，将裂缝图像中大小不同的连通区域做上标记，为小面积消去做准备；小面积消去功能则是将图像中小于一定面积的白色区域去除，排除不是裂缝的白色干扰区域。图像标尺表现为显示在显示器中间的白色十字线，是用在CCD摄像头采集裂缝图像时，将十字标尺对准要测量的裂缝的中间位置，因为十字标尺本身位于显示器中央，这样对中后待测裂缝也位于显示器的中央位置，有利于图像处理操作。最后进行裂缝宽度计算，计算方法是将多行裂缝宽度数据累加后再除以行数，得出的裂缝宽度平均值作为最终的裂缝宽度值。完成裂缝宽度自动判读操作后，最后将处理后的图像及数据传递给图像显示模块和网络模块进行输出显示。

本发明具有混凝土裂缝宽度自动判读、裂缝宽度数据远距离网络传输、裂缝图像远距离实时监控等功能。只需要把摄像头对准混凝土裂缝，就可以通过网络远距离监控裂缝宽度变化，并通过网络远距离传输视频数据，减少频繁的现场操作。也可以按下仪器上的开始处理按钮，即可在显示器上看到经过采集、处理后输出的被放大的混凝土裂缝图像以及裂缝宽度的数字显示值，或者将宽度数据实时地通过网络进行远距离传输。

适于远程监控的混凝土裂缝宽度测量仪是一种高精度、自动化程度高，并可进行网络视频数据及图像传输的专用测量仪。该仪器基于网络传输数据，实时性好，减少了人员频繁现场测量，使用方便，大大降低了操作人员的劳动强度，提高了工作效率。因此在一定程度上减少了混凝土裂缝宽度测量工作中错误的发生，便于对危险裂缝进行实时监控，对保障混凝土建筑物安全具有重要意义。

附图说明：

图1是本发明的具有自动判读功能的裂缝宽度测量仪的技术方案框图；

图2是本发明裂缝宽度自动判读的图像处理流程图；

图3是本发明图像采集及显示模块与DSP芯片的接口框图；

图4是本发明网络模块与DSP芯片的接口框图；

图5是本发明SAA7115解码器电路的电路原理图；

图6是本发明SAA7104编码器电路的电路原理图；

图7是本发明的DSP芯片外部存储器(EMIF)接口框图；

图8是本发明的DSP芯片时钟电路的电路原理图；

图9是本发明以太网接口电路的电路原理图；

图10是本发明FLASH存储器电路的电路原理图；

图11是本发明的JTAG仿真电路的电路原理图；

图12是本发明按键电路的电路原理图；

图13(a)是本发明的DSP芯片上电加载模式选择电路原理图；

图13(b)是本发明的DSP芯片EMIF接口时钟输入模式选择电路原理图；

图14是本发明复位电路的电路原理图；

图15是本发明连接器电路的电路原理图。

具体实施方式：

现结合图2-图14对本发明做进一步的说明：

一种以数字信号处理器(DSP)为核心，具有自动判读功能的混凝土裂缝宽度测量仪，整台仪器包括摄像头、图像采集模块、DSP、网络模块、图像显示模块以及网络接口电路、复位电路、仿真电路、按键电路、时钟电路、存储电路、模式选择电路、电源转换电路、连接器电路和显示器。

参照图2，本测量仪自动判读功能是通过相关的图像处理方法实现的。第一步：图像截取。该功能是将720×576像素的裂缝图像用十字标尺对中后使图像位于显示屏中央，然后在显示器中央截取300×576像素(以裂缝为中心左右各150个像素)的裂缝图像区域作为后续进行图像处理的区域。方法描述如下：f(x，y)为图中坐标为(x，y)处图像像素灰度值。

第二步：图像分割。图像分割功能是分析图像数据，获取合适的阈值，并用该阈值对图像进行二值化处理，为后面进一步图像处理做准备。本设计采用自适应OSTU法进行阈值选取，该方法可灵活选择大小合适的阈值。方法描述：计算计算截取区域图像灰度的均方差，当均方差小于混凝土裂缝图像处理阈值25～30时，常用的阈值为30，说明图像中的目标大小不合适直接利用OSTU方法进行阈值选取。此时缩小选取图像区域的宽度，再次统计均方差，迭代此过程直至均方差达到预定门限值时确定选取区域的宽度。把选取区域的直方图在给定阈值(可选1-255之间的数值)处分割成两组，当被分成的两组之间的方差为最大时给定的阈值就是最终要选的阈值。OSTU法公式计算如下：设一幅图像的灰度值为1-m级(m为1到255中的任一值)，灰度值为i的像素个数为n，此时我们得到：

图像总像素个数为： $N=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i;$

各个像素值的概率： $P_i=\frac{n_i}{N};$

用K将其分成两组：C₀＝{1～k}和C₁＝{k+1～m}，(K为1到255之间的数值。其中C₀为灰度值是1到K之间数值的集合，C₁为灰度值是K到255之间数值的集合)，各组产生概率如下：

C₀产生的概率为W₀： $W_0=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i=w_k,(W_0=W_K)$

C₁产生的概率为W₁： $W_1=\underset{i=k+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i=1-w_i,(W_1=1-W_K)$

C₀的平均值U₀： $U_0=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{i\×p_i}{W_0}=\frac{u_k}{W_k}$

C₁的平均值U₁： $U_1=\underset{i=k+1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{i\×p_i}{W_1}=\frac{u-u_k}{1-W_k}$

其中 $u=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}i\·p_i$ 是整体图像的灰度平均值； $u_k=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i\·p_i$ 是阈值为K时的灰度平均值。所以全部采样的灰度平均值为：u＝W₀·U₀+W₁·U₁两组间方差(类间方差)σ_k ²： ${{\mathrm{\σ}}^2}_k={\mathrm{\ω}}_0{({\mathrm{\μ}}_0-\mathrm{\μ})}^2+{\mathrm{\ω}}_1{({\mathrm{\μ}}_1-\mathrm{\μ})}^2={\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\ω}}_1{({\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_0)}^2$ $=\frac{{[{\mathrm{\ω}}_k\×u-u_k]}^2}{{\mathrm{\ω}}_k\×[1-{\mathrm{\ω}}_k]}$

从1～m之间改变K的大小，并求出σ_k ²的最大值。当σ_k ²为最大值时对应的K值即为阈值。利用计算出的阈值对图像进行二值化处理：

$f(x,y)=\left\{\begin{array}{c}0,f(x,y)\≤K\\ 255,f(x,y)>K\end{array}\right..$

第三步：图像反色。该功能是将图像进行反色处理，使裂缝图像中背景为黑色，裂缝为白色。方法描述：f(x，y)＝255-f(x，y)，(x，y)∈d_图像区域(其中f(x，y)为图像中坐标为(x，y)处像素的灰度值，d_图像区域是指第一步图像截取时截取的图像区域)。

第四步：区域标记功能。用来标记二值图像中的连通区域(以八连通为标准进行判断)。将裂缝图像中大小不同的连通区域做上标记，为小面积消去做准备。方法描述：1.从左到右、从上到下遍历图像像素，找到最左上角的像素，并将其像素值标记为1；2.从左到右、从上到下遍历图像像素，若像素值为255，则按右上、正上、左上、左前的顺序判断这四点像素值；若右上点像素值不为0，则当前点像素值标记为右上点像素值；若右上点像素值为0，则依次判断正上、左上、左前的像素，并进行相同操作；3.若该像素右上、正上、左上、左前四点像素值皆为0，则将该点像素值置为2，以后遇到此情况，只需将标记值加1即可；4.合并不同标记的连通区域。

第五步：小面积消去功能。用来去除图像中面积小于给定阈值(本设计采用阈值为40)的区域。本方法根据区域标记的结果，将裂缝图像中小于40的连通区域消去，从而排除干扰。方法描述：统计图像中所有已标记的连通区域，当连通区域所包含的像素点数小于40，则将该连通区域中的像素灰度置为背景色。

第六步：宽度计算功能是计算图像中裂缝的宽度。方法描述：逐行扫描统计区域内的图像，记录30行白色目标区域的宽度并进行累加，结果除以统计区域的行数30，得到以像素为单位的裂缝宽度，该宽度乘以水平像素表示的宽度，得到最终的裂缝宽度值。

参照图3，本测量仪选用TI公司的TMS320DM642 DSP芯片作为主处理芯片，该芯片内部集成了三个可配置的视频端口，这些视频端口提供了与视频A/D转换芯片的无缝接口，因而无需外加CPLD(复杂可编程逻辑器件)和FIFO(先入先出存储器)就可以满足系统设计的要求。在本系统中，VP0端口用于视频采集，采集频率最高可以达到80MHz；VP2端口用于视频显示，频率最高可达到110MHz。其中，数据线VP0/2D[9..2]用于传输8位BT656格式的数字视频流；VP0/2CTL0与采集/显示模块的水平同步引脚相连；VP0/2CTL1与采集/显示模块的垂直同步引脚相连；VP0/2CTL2与采集/显示模块的场同步引脚相连；VP0/2CLK0与采集/显示模块的时钟输出引脚相连。

参照图4，DM642片内有EMAC/MDIO模块，与片外Intel LXT971PHY芯片及其外围电路连接，可以快速实现OSI模型中数据链路层和物理层的功能，Intel LXT971PHY芯片是快速以太网物理层自适应收发器，支持IEEE802.3标准，提供MII(media independent interface)接口，能够与DM642中的EMAC/MDIO模块无缝连接。支持10/100Mb/s全双工数据传输。如图2所示，主要接口信号包括时钟、控制和监测信号与数据总线。其中时钟信号：MTCLK：发送时钟。MRCLK：接收时钟。MDCLK：管理数据时钟，该时钟信号由DM642片上的MDIO模块来实现。控制和监测信号包括：MTXEN：发送使能信号。MCOL：网络冲突监测信号。当网络出现数据冲突时，该信号由PHY置位告诉EMAC。MRXDV：接收数据使能。MRXER：接收错误，当接收的帧中发现错误，该信号线被置位。数据总线：MTXD(3-0)：发送数据总线，只在使能信号MTXEN有效时，数据总线上的数据才有效。MRXD(3-0)：接收数据总线，只在使能信号MRXDV有效时，数据总线上的数据才有效。MDIO：管理数据I/O。以向PHY写入或读出数据帧的形式对PHY进行配置。

参照图5，SAA7104编码芯片用于将DM642处理后的视频信号经D/A转换后送显示屏显示。其中编码器BLUE_CB_CVBS引脚即与显示器相连，用于将编码后的模拟视频信号送显示器。编码器的XTAL0引脚外接27M晶振，用于提供编码芯片的时钟信号。HSVGC、VSVGC、FSVGC三个引脚分别为水平同步、垂直同步和场同步信号引脚，与DM642水平同步、垂直同步、场同步引脚相连，用来保证视频信号的正确传输。VP1D[9..2]与DM642的VP1端口相连，用于将DM642处理后的8位BT656格式的数字视频流送编码器进行D/A转换。RESET引脚与复位电路的复位信号相连，保证编码器上电后正确复位。

参照图6，SAA7115解码芯片用于将CCD摄像头采集的模拟视频信号进行A/D转换后送DSP进行处理。解码芯片的AI11引脚用于接收来自CCD摄像头的模拟视频信号，数据线VP2D[9..2]与DM642VP2端口相连，用于传输8位BT656格式的数字视频流送DM642进行处理；XTAL1引脚外接24M的晶振，用于提供解码芯片的时钟信号。Reset引脚与复位电路的复位信号相连，保证解码器上电后正确复位。

参照图7，DM642芯片具有外部存储器接口，能够与多种外存实现无缝连接。DM642的地址总线为64位，因此在该系统中，选用两片SDRAM串联，每一片的容量为4M*32bit，这样两片串联在一起就相当于一片4M*64bit的SDRAM，共用地址线和控制线，TBE[7..0]为字节使能信号，使能八个字节。TED[63..0]为外部存储器的数据信号线；TEA[22..3]为外部存储器的地址信号线。由于系统中SDRAM被分配在DM642的CE0空间，因此TCE0作为片选信号，当其为低电平时，SDRAM被使能。TWE为写使能信号，当其为低电平时，DSP芯片可以将数据写入SDRAM中。TSDRAS为行选通信号，当其为低电平时，DSP芯片发送读写SDRAM的行地址。TSDCAS为列选通信号，当其为低电平时，DSP芯片发送读写SDRAM的列地址；TSDCKE为时钟使能信号。

参照图8，DSP时钟输入电路主要由50MHz的晶振与DSP芯片的时钟倍频模式选择管脚连接组成。系统时钟输入频率为50MHz，通过CLKMODE0和CLKMODE1的高低电平组合，选择DM642内部CPU的工作频率是1倍、6倍、或12倍的时钟输入频率。

参照图9，DM642用LXT971物理层芯片扩展了一个10/100Mb/s的以太网接口，本电路就是以太网接口部分的详细原理图。连接器为标准以太网连接器RJ-45。

参照图10，该系统FLASH用来存储上电加载程序。FLASH芯片型号为AMD公司的AM29LV800B，容量为1M*8bit，被分配在DM642的CE1空间。具体电路原理图参考图4：由于这款芯片可以选择以8位数据或16位传输数据，即当BYTE引脚为低电平时，以8位宽度传输，反之，当其为高电平时，选择以16位数据宽度进行传输，在本系统中，将BYTE引脚接地，以8位传输，因此AM29LV800B使用数据线TED[7..0]，DQ15/A-1引脚作为地址线TEA3来使用，AM29LV800B的A[18..0]接到DSP的地址总线TEA[22..4]。RESET#接到系统复位信号。AM29LV800B的RY/BY#信号与片选信号通过一个或门电路接到DM642的ARDY信号上，这样，当TCE1#为低电平，即选通CE1空间时，若RY/BY#为低电平，表示FLASH芯片还没有准备好，若RY/BY#高电平，表示FLASH处于空闲状态，这时系统就可以对FLASH进行读写操作。

参照图11，DM642DSP具有符合IEEE1149.1标准的JTAG仿真端口，它是一种边界扫描测试方式，通过仿真调试软件及仿真器可以访问DSP的内部资源。具体电路原理图参照图5：JTAG仿真端口共有13条信号线，需要连接到标准的14脚插槽上，其中第6管脚为空。插槽上的管脚1为测试模式选择信号TMS，管脚2为测试复位信号TRST#，管脚3为测试数据输入信号TDI，管脚7为测试数据输出信号TDO，管脚11为测试的时钟信号TCK，管脚9为时钟反馈信号。

参照图12，按键电路主要由集成电路U1组成，型号为74HC08，该集成电路中的nA与nB为输入信号，nY为输出信号，当且仅当nA与nB同时为高电平时，nY为高电平。只要其中之一为低电平，nY则为低电平。在本系统中，U1的1A、1B、2A、2B分别接到DM642的GPO[9..11]，同时与外部按键相连，当操作者按下按键时，例如KEY1被按下，GPO9变为低电平，1Y也变为低电平，即3B为低电平，则3Y即EXTINT6为低电平，此时将引发中断，执行相应的中断程序。

参照图13(a)，由于DM642支持多种工作模式，因此为不同的工作模式预留一些设置手段能够很好地提高系统的灵活性，并给调试带来方便。TEA[22∶21]的高低电平组合决定了系统采用哪一种上电加载模式，本系统选用外部存储器接口(EMIF)加载方式，即通过外部扩展FLASH来加载系统程序。LENDIAN_MODE为大小端模式选择引脚，若为低电平，系统工作在大端模式下，反之若为高电平，系统工作在小端模式下，本系统选择小端模式。

参照图13(b)，TEA[20∶19]的高低电平组合决定了EMIFA接口的时钟输入方式。若TEA20为低电平，TEA19也为低电平，则选择通过AECLKIN引脚为EMIFA接口提供时钟信号；若TEA20为低电平，TEA19为高电平，则EMIFA接口的时钟频率为CPU工作频率的四分之一；若TEA20为高电平，TEA19为低电平，则EMIFA接口的时钟频率为CPU工作频率的六分之一。

参照图14，系统复位电路主要由集成电路U12组成，型号为74HC14。该芯片的工作原理为：若nA为高电平，则nY为低电平，反之同理。当按键S9被按下时，1A变为低电平，则1Y变为高电平，由于1Y与2A用导线相连，则2A也为高电平，2Y变为低电平，3A也为低电平，3Y、4A为高电平，则4Y即RESET信号变为低电平，整套系统处于复位状态。该测量仪器在使用时，检测人员只需将摄像头放在裂缝上，即可在显示器上看到采集到的裂缝图像，按下开始处理按键，即可看到测量得出的裂缝宽度值。本发明操作简单、方便，实用性强，能够快速精确地测出混凝土裂缝的宽度，具有很强的应用价值。

参照图15，连接器电路提供电路板上器件与外部CCD、电源及显示器等外围器件的方便连接，以便于仪器整机安装。DC5V模块是直流转直流的电源转化模块，用来将锂电池提供的12V直流电转化为5V的直流电供给DSP硬件电路。CON2是锂电池供电输入插口CON1是液晶显示器信号线及电源线连接插口，用于锂电池给液晶显示器供电及显示器与DSP之间的数据传输；CON3是按键电路外接键盘的连接插口；CON4是CCD信号线及电源线连接插口，用于锂电池给CCD摄像头提供电源及CCD与DSP进行数据传输；CON3是锂电池的供电插口，用于通过外接电源给锂电池供电。锂电池是采用日本三洋公司生产的UR18650F锂离子电池，其标准输出电压为3.7V，标准电容量为2400mAh。本发明需要提供12V的直流电压和8小时以上的供电时间，所以采用六块锂电池，三块锂电池串联后再将两组串联的锂电池并联给测量仪供电。

Claims (10)

1、适于远程监控的混凝土裂缝宽度测量仪，包括CCD摄像头、图像采集模块、DSP、图像显示模块、外扩存储空间、显示器以及外围电路；用CCD摄像头来采集混凝土表面的裂缝图像，输出模拟视频信号；图像采集模块将采集到的模拟视频信号转化成数字视频信号送DSP处理；DSP接收数字视频信号后，对裂缝图像进行处理，计算裂缝的宽度值，然后将带有裂缝宽度值的数字视频信号传给图像显示模块，图像显示模块将DSP处理后的数字视频信号转化成模拟视频信号在显示器上实时显示裂缝图像和宽度值；其特征在于：还包括网络模块，中断控制模块，外围电路包括以太网接口电路、连接器电路和按键电路；网络模块负责将视频信号通过以太网接口进行远距离网络传输；中断控制模块与按键电路共同作用产生DSP硬件中断，从而实现混凝土裂缝宽度测量仪的菜单功能；所述的网络模块与DSP芯片连接，DSP芯片内置10/100Mb/s的以太网介质访问控制器模块EMAC和管理数据输入输出模块MDIO，DSP芯片通过以上两个模块与网络模块相连；EMAC模块是DSP处理器内核与片外的网络物理层数据传输的接口，负责以太网数据的接收和发送；MDIO模块负责管理与EMAC模块相连的所有PHY芯片，包括对PHY芯片进行枚举、配置和器件状态监测；DSP将带有裂缝宽度值的数字视频信号传给网络模块；以太网接口电路主要是Intel LXT971PHY的外围电路的接口设计，Intel LXT971PHY芯片是快速以太网物理层自适应收发器，能够与DSP芯片的EMAC/MDIO模块无缝连接；连接器电路提供电路板上器件与外部CCD摄像头、电源及显示器的方便连接，以及连接直流转直流电源转化模块和锂电池供电电路，解决测量仪的供电问题。

2、根据权利要求1所述的适于远程监控的混凝土裂缝宽度测量仪，其特征在于：所述的图像采集模块与DSP芯片的连接，采用Philips公司的SAA7115芯片将采集到的模拟视频信号转化成数字视频信号送DSP处理，图像采集模块中的视频A/D转换器通过数字视频数据信号、视频采样时钟信号以及视频控制信号与DSP相连，当采集视频信号时，DSP控制视频采样时钟信号和数字视频数据信号将采集到的图像信息从图像采集模块中输出。

3、根据权利要求1所述的适于远程监控的混凝土裂缝宽度测量仪，其特征在于：所述的图像显示模块与DSP芯片的连接，采用Philips公司的SAA7104芯片将DSP处理后的数字视频信号转化成模拟视频信号在显示器上实时显示裂缝图像和宽度值；图像显示模块中的视频D/A转换器通过数字视频数据信号、视频采样时钟信号以及视频控制信号与DSP相连，当采集到的裂缝图像被处理完毕之后，DSP控制视频采样时钟信号和数字视频数据信号将处理后的图像信息输入到图像显示模块。

4、根据权利要求1所述的适于远程监控的混凝土裂缝宽度测量仪，其特征在于：所述的外围电路还包括存储电路、复位电路、仿真电路、时钟电路、模式选择电路以及电源转换电路，复位电路提供复位信号，当按下复位按键时复位；仿真电路与DSP相连，用于仪器上电后程序的下载和调试；所述的按键电路与DSP相连，用于接收外部命令，使仪器按要求执行相应的指令；时钟电路用于提供系统时钟；模式选择电路主要与DSP芯片的模式选择引脚相连，用于设定DSP的工作模式；电源转换电路用于将输入电压转换为工作电压；存储电路由SDRAM以及FLASH ROM闪存组成，它们分别与DSP连接，其数据的读入和写出受DSP控制，SDRAM用于存储图像数据，FLASH ROM用于存储仪器的上电加载程序；外扩存储空间是由存储电路扩展的两片SDRAM和一片FLASH ROM闪存组成。

5、根据权利要求1所述的适于远程监控的混凝土裂缝宽度测量仪所采用的测量方法，其特征在于：在显示器中央用DSP做出十字标尺，用CCD摄像头采集裂缝图像时，将位于显示器中央的十字标尺对准要测量的裂缝的中间位置，DSP接收来自图像采集模块传递来的原始图像亮度数据，由DSP对裂缝图像进行处理，计算裂缝的宽度值，处理和计算的具体步骤如下：

步骤一、首先进行图像截取，以裂缝为中心，左右各选取s个像素，以2s×t像素的图像区域作为待处理区域，采用公式

完成截取2s×t像素的图像区域，用于后续的图像处理，s为大于裂缝宽度像素一半的像素值，t为小于显示屏高度的像素值；f(x，y)为图中坐标为(x，y)处图像像素灰度值；

步骤二、进行图像分割，对步骤一中截取的2s×t像素的裂缝灰度图像进行二值化处理，即将灰度图像变为黑白图像以便于后续图像处理；

步骤三、进行反色处理，采用公式f(x，y)＝255-f(x，y)，(x，y)∈d_图像区域，使裂缝变为白色区域，背景为黑色区域；其中f(x，y)为图像中坐标为(x，y)处像素的灰度值，d_图像区域是指步骤一图像截取时截取的图像区域；

步骤四、进行区域标记，标记二值图像中的连通区域，将裂缝图像中大小不同的连通区域做上标记，为小面积消去做准备；

步骤五、小面积消去，将图像中小于一定面积的白色区域去除，排除不是裂缝的白色干扰区域；

步骤六、进行裂缝宽度计算，计算方法是将多行裂缝宽度数据累加后再除以行数，得出的裂缝宽度平均值作为最终的裂缝宽度值；完成裂缝宽度自动判读操作后，最后将处理后的图像及数据传递给图像显示模块和网络模块进行输出显示。

6、根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤二中的图象分割采用的是：计算截取区域图像灰度的均方差，当均方差小于混凝土裂缝图像处理阈值25～35时，说明图像中的目标大小不合适直接利用OSTU方法进行阈值选取；此时缩小选取图像区域的宽度，再次统计均方差，迭代此过程直至均方差达到预定门限值时确定选取区域的宽度；把选取区域的直方图在给定阈值处分割成两组，给定阈值可选1-255之间的数值，当被分成的两组之间的方差为最大时给定的阈值就是最终要选的阈值；OSTU法公式计算如下：设一幅图像的灰度值为1-m级，m为1到255中的任一值，灰度值为i的像素个数为n_i，此时得到：

图像总像素个数为： $N=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i;$

各个像素值的概率： $P_i=\frac{n_i}{N};$

用K将其分成两组：C₀＝{1～k}和C₁＝{k+1～m}，(K为1到255之间的数值；其中C₀为灰度值是1到K之间数值的集合，C₁为灰度值是K到255之间数值的集合)，各组产生概率如下：

C₀产生的概率为W₀： $W_0=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i=w_k$

C₁产生的概率为W₁： $W_1=\underset{i=k+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i=1-w_i$

C₀的平均值U₀： $U_0=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{i\×p_i}{W_0}=\frac{u_k}{W_k}$

C₁的平均值U₁： $U_1=\underset{i=k+1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{i\×p_i}{W_1}=\frac{u-u_k}{1-W_k}$

其中 $u=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}i\·p_i$ 是整体图像的灰度平均值； $u_k=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}i\·p_i$ 是阈值为K时的灰度平均值；所以全部采样的灰度平均值为：u＝W₀·U₀+W₁·U₁

两组间方差，即类间方差σ_k ²： ${{\mathrm{\σ}}^2}_k={\mathrm{\ω}}_0{({\mathrm{\μ}}_0-\mathrm{\μ})}^2+{\mathrm{\ω}}_1{({\mathrm{\μ}}_1-\mathrm{\μ})}^2={\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\ω}}_1{({\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_0)}^2$

$=\frac{{[{\mathrm{\ω}}_k\×u-u_k]}^2}{{\mathrm{\ω}}_k\×[1-{\mathrm{\ω}}_k]}$

从1～m之间改变K的大小，并求出σ_k ²的最大值；当σ_k ²为最大值时对应的K值即为阈值；利用公式 $f(x,y)=\left\{\begin{array}{c}0,f(x,y)\≤K\\ 255,f(x,y)>K\end{array}\right.,$ 对图像进行二值化处理。

7、根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤四，进行区域标记按以下步骤进行：1.从左到右、从上到下遍历图像像素，找到最左上角的像素，并将其像素值标记为1；2.从左到右、从上到下遍历图像像素，若像素值为255，则按右上、正上、左上、左前的顺序判断这四点像素值；若右上点像素值不为0，则当前点像素值标记为右上点像素值；若右上点像素值为0，则依次判断正上、左上、左前的像素，并进行相同操作；3.若该像素右上、正上、左上、左前四点像素值皆为0，则将该点像素值置为2，以后遇到此情况，只需将标记值加1即可；4.合并不同标记的连通区域。

8、根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤五，小面积消去是去除图像中面积小于给定阈值的区域；方法描述：统计图像中所有已标记的连通区域，当连通区域所包含的像素点数小于给定的阈值时，则将该连通区域中的像素灰度置为背景色。

9、根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述的混凝土裂缝图像处理阈值为30。

10、根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：所述的步骤五，小面积消去的给定阈值为40。

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