基于煤礦工作面條件的多通道圖像采集系統(tǒng)設(shè)計

崔懷兵

摘要：為提高煤礦工作面突發(fā)事故后的快速評估以及工作面惡劣環(huán)境下的風(fēng)險評估，確保工作面安全生產(chǎn)，設(shè)計一款基于攝像機(jī)陣列的視頻裝備，以實現(xiàn)工作面惡劣環(huán)境下結(jié)構(gòu)病害的快速精確檢測。該文在分析工作面工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，提出攝像機(jī)陣列的設(shè)計方案；為適應(yīng)在大粉塵、近距離、大視場檢測，系統(tǒng)采用攝像頭是帶照明的微型內(nèi)窺鏡；為減小后期圖像拼接的壓力，本系統(tǒng)采用Matrox _morphis_qxt圖像采集卡，配合磁盤陣列RAID系統(tǒng)以達(dá)到同步采集、實時傳輸、快速存儲；最終通過圖像拼接技術(shù)，恢復(fù)被測工作面現(xiàn)場的表觀全貌圖。

關(guān)鍵詞：工作面；大視場；Matrox _morphis_qxt采集卡；同步采集；圖像拼接

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）35-8518-02

煤礦井下生產(chǎn)條件惡劣，特別是在工作面。其地質(zhì)條件惡劣、能見度低、粉塵霧氣大、空間狹小、到處存在安全隱患?；诖朔N情況，該文設(shè)計出一款基于微型數(shù)碼攝像陣列的惡劣工作面環(huán)境下的快速檢測裝備。爭取做到32及以上通道，實現(xiàn)各通道攝像頭同步抓圖，每秒4幀，RGB圖像，640*480，并且以BMP格式的非壓縮格式保存到PC機(jī)硬盤中。最終通過圖像拼接技術(shù)，對多通道采集的圖像進(jìn)行拼接，恢復(fù)被測惡劣環(huán)境工作面的表觀全貌圖。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1攝像機(jī)陣列設(shè)計

針對井下工作面環(huán)境粉塵大、潮濕、光線不足等條件，本方案采用帶照明的微型內(nèi)窺鏡作為圖像采集攝像頭。用微型內(nèi)窺鏡做成一個近距離大視場的采集陣列，可以做到比單個攝像頭測量時，空間分辨率以及對環(huán)境能見度的適應(yīng)能力都提高數(shù)倍。這樣有利于后期各通道的圖像拼接。

1.2 圖像采集卡選型

圖像采集卡（Image Capture Card），又稱圖像捕捉卡，是一種可以獲取數(shù)字化視頻圖像信息，并將其存儲和播放出來的硬件設(shè)備。很多圖像采集卡能在捕捉視頻信息的同時獲得伴音，使音頻部分和視頻部分在數(shù)字化時同步保存、同步播放。針對一個具體的測試對象，視頻采集卡的選擇主要考慮監(jiān)測信號的標(biāo)準(zhǔn)（數(shù)字或模擬），信號記錄方式，相機(jī)速度，分辨率，顏色，視頻信號接口，以及數(shù)據(jù)采集能力等幾方面。

本系統(tǒng)針對工作面條件下， 32路或者更多通道攝像頭的陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計，將涉及到各通道每幀圖片都同步的需求，為減輕后期圖像拼接的壓力，以及同步性考慮，選用模擬、彩色攝像頭。

另外因為數(shù)字?jǐn)z像頭涉及到視頻壓縮的問題，在解碼之后得到的圖像序列無法還原最初的同步性。對于采集卡的數(shù)據(jù)采集能力，要求采集卡的數(shù)據(jù)采樣頻率大于或等于相機(jī)信號數(shù)據(jù)輸出頻率。采集卡的數(shù)據(jù)率必須滿足的要求可按下式計算：

模擬 Data Rate （Grabber） ≥ 1.2×R*f

（Data Rate（Grabber）為采集卡的數(shù)據(jù)率；R為相機(jī)的分辨率；f為相機(jī)的幀頻）。

以32通道攝像頭為例，我們所采用的微型內(nèi)窺鏡為標(biāo)準(zhǔn)的PAL制，支持每秒25幀640*480，攝像頭采集YUV4：2：2的原始圖像，同時傳輸?shù)街鳈C(jī)內(nèi)存所需要的傳輸帶寬至少需要（640*480+320*240+320*240）*25*32 ≈352MB/s，這樣就會產(chǎn)生很大的數(shù)據(jù)量。

針對以上考慮，該文選擇加拿大Matrox公司的采集卡Matrox _morphis_qxt。它理論峰值傳輸帶寬能達(dá)到1GB/S，可同時采集16路獨立視頻輸入，支持NTSC， PAL ，RS-170和CCIR標(biāo)準(zhǔn)視頻；卡上有一個大型專用的緩沖區(qū)，可靠地保證了圖像采集到PC主機(jī)。另外，其還具有看門狗定時器，用于全面監(jiān)視系統(tǒng)的完整性。

1.3 主機(jī)選型

考慮所有通道采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲的要求，本系統(tǒng)采用雙CPU+磁盤陣列RAID結(jié)構(gòu)。雙CPU協(xié)調(diào)運行，處理速度將大大提高。RAID（獨立冗余磁盤陣列）是一種把多塊獨立的硬盤（物理硬盤）按不同的方式組合起來形成一個硬盤組（邏輯硬盤），從而提供比單個硬盤更高的存儲性能與數(shù)據(jù)備份能力的技術(shù)。

1.4 采集系統(tǒng)框圖

2 軟件采集系統(tǒng)設(shè)計

Matrox公司圖像采集卡的軟件開發(fā)庫MIL（Matrox Image Language）， 具有易于使用的特點。它通過引入函數(shù)驅(qū)動層，實現(xiàn)了源碼硬件無關(guān)性，即同一段源代碼不需修改， 或僅修改一個參數(shù)， 即可實現(xiàn)對Matrox不同圖像采集卡的操作。函數(shù)驅(qū)動層是一個硬件相關(guān)的文件， 不同的采集卡需要不同的函數(shù)驅(qū)動層 ，它們保證不同的卡對API層的一致性。從而大大降低了編程難度， 具有獨特的設(shè)計思想。

圖2為一般Matrox卡與操作系統(tǒng)及用戶接口的工作原理框圖。

2.1 采集程序設(shè)計

圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)，程序設(shè)計流程：

讀取設(shè)備信息：查看攝像頭/圖像采集卡支持的功能，如支持圖像數(shù)據(jù)格式、支持窗口大小等；

更改設(shè)備信息：配置攝像頭、配置采集卡采集參數(shù)等；

進(jìn)行圖像采集：需要再在內(nèi)存中為采集卡申請緩存空間，同時把申請到的緩存空間映射到用戶空間，用戶程序可以對用戶空間的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

對采集的圖像進(jìn)行處理：抓圖、錄像，圖像格式轉(zhuǎn)換等。

后期的圖像拼接需要BMP格式的圖像。一張真彩640*480的BMP圖像文件大小為900KB。按兩張卡，一張卡16通道，一共32通道。由于我們選用的微型內(nèi)窺鏡不支持外同步，所以我們只能在采集程序上實現(xiàn)同步。采集程序設(shè)計過程中不僅需要考慮單張卡各通道之間的同步，還需要考慮卡與卡之間的同步。在應(yīng)用程序設(shè)計中開辟多線程，提高應(yīng)用程序響應(yīng)，減少占用的系統(tǒng)資源，進(jìn)一步保證同步性。

3 各通道圖像拼接

圖像拼接技術(shù)就是將數(shù)張有重疊部分的圖像（可能是不同時間、不同視角或者不同傳感器獲得的）拼成一幅大型的無縫高分辨率圖像的技術(shù)。

后期對陣列采集的二維數(shù)字圖像進(jìn)行拼接，顯示被測量結(jié)構(gòu)的全貌，其通用流程圖如圖4。

利用圖像拼接技術(shù)與系統(tǒng)，可以實時觀看與可視化監(jiān)控煤礦綜采工作面的總體工況。通過對不同攝像機(jī)獲取的視頻圖像提取目標(biāo)特征，可以實時檢測并匹配跟蹤運動目標(biāo)，同時對于攝像機(jī)視野范圍有限的問題可以根據(jù)匹配特征點建立投影模型實現(xiàn)拼接。但由于煤礦井下特殊環(huán)境，不可避免地存在著人工照明光照不均、粉塵多、噪聲大的問題，獲取的圖像分辨率低、干擾大，給圖像特征匹配帶來難度。因此，在常用的角點匹配、顏色匹配算法效果不明顯的情況下，研究井下復(fù)雜環(huán)境下圖像特征提取與拼接的新技術(shù)與圖像算法，解決現(xiàn)有算法易誤匹配問題，提高拼接精度。

4 結(jié)束語

近年來計算機(jī)視覺技術(shù)在測量檢測技術(shù)上發(fā)揮出了其獨特的優(yōu)點。本采集系統(tǒng)采用Matrox圖像采集卡與計算機(jī)為硬件平臺，軟件設(shè)計采用VC++軟件設(shè)計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。該設(shè)計將為工作面安全生產(chǎn)，決策處理，預(yù)測通提供可靠的檢測手段。