基于現(xiàn)代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的高清智能網(wǎng)絡攝像機的應用研究

何玲玲,王勇

（1.深圳技師學院中德智造學院，廣東 深圳 518116; 2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學院招生就業(yè)辦公室,廣東 深圳 518172）

基于現(xiàn)代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的高清智能網(wǎng)絡攝像機的應用研究

何玲玲1,王勇2

（1.深圳技師學院中德智造學院，廣東 深圳 518116; 2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學院招生就業(yè)辦公室,廣東 深圳 518172）

本文設計了一款采用H.264編碼標準的1080P高清網(wǎng)絡攝像機設計方案，實現(xiàn)了高壓縮比采集和傳輸高清視頻信號，并支持煤礦監(jiān)控的智能化視頻分析應用。該款高清網(wǎng)絡攝像機是以Aptina CMOS圖像傳感器和海思高性能SOC處理器為設計基礎(chǔ)的，符合當今煤礦行業(yè)安全監(jiān)控管理的發(fā)展需要。

視頻監(jiān)控；網(wǎng)絡攝像機；高清1080P

引言

煤炭是我國主要的能源資源，由于煤礦開采在地下環(huán)境，極易發(fā)生塌方、瓦斯爆炸等人員傷亡事故，煤礦井下工作一向有著很高的危險性。通過使用視頻監(jiān)控技術(shù)對井下工作面的狀況進行遠程監(jiān)控與管理，使得井上的安全生產(chǎn)管理人員能實時的監(jiān)視井下工作現(xiàn)場的生產(chǎn)情況并提醒可疑的違規(guī)操作，避免安全事故的發(fā)生，防患于未然。

目前，在煤礦普遍使用的傳統(tǒng)模擬監(jiān)控系統(tǒng)，清晰度已經(jīng)不足以有效的還原現(xiàn)場，分辨細節(jié)，同時也存在不易存儲，不能分享，不能遠程管理的問題。而數(shù)字高清視頻監(jiān)控的成熟，為煤礦監(jiān)控的更新?lián)Q代提供了完善的技術(shù)手段。網(wǎng)絡攝像機技術(shù)的成熟，為智能視頻分析技術(shù)在前端應用，提供了可行的技術(shù)條件。

煤礦行業(yè)一直被稱為“高?！毙袠I(yè)，對生產(chǎn)作業(yè)的安全性要求較高，因此對視頻監(jiān)控圖像的清晰度提出了更高的要求。圖像越清晰，細節(jié)越明顯，智能視頻分析等應用業(yè)務的準確度也越高，視頻監(jiān)控對圖像高清度的需求幾乎是永無止境的。比如將局部圖像全屏顯示時，圖像仍具有很高分辨率，并不出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象；識別車輛牌照和人員面部特征時，足夠的像素數(shù)才能得到較高識別率。

安防監(jiān)控行業(yè)目前主流的分辨率已經(jīng)達到1920x1080/30fps的高清實時采集與傳輸，在H.264編碼標準壓縮實時視頻時，碼率在2～4 Mbps。應用于煤礦行業(yè)，將具有以下顯著的優(yōu)點：

（1）高清攝像機在同樣的場景下具有的清晰度更高。1080P分辨率的可用像素數(shù)達到200W，是720P可用像素數(shù)的2.25倍以及D1的5倍，對于拍攝相同視場角度的同一場景，能夠有更多的信息量去還原場景中的細節(jié)，對同一目標分辨的更清晰真實。

（2）高清攝像機采用CMOS感光組件，相較于傳統(tǒng)的CCD感光器件，采用逐行掃描方式，提供更好的圖像質(zhì)量和更新率，使圖像細節(jié)更加清晰和細膩，能有效解決隔行掃描帶來的梳狀模糊等現(xiàn)象。視頻分析算法的基礎(chǔ)條件就是高質(zhì)量的圖像，這對井下工人行為識別、工作現(xiàn)場分析等智能視頻應用具有重要意義。

（3）在高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)中，一臺高清攝像機的監(jiān)控效果可以超過數(shù)臺普通攝像機，圖像分辨率更高、有效信息更豐富，而且配合云臺使用，其監(jiān)控覆蓋角度和場景深度也更廣更深。高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)比傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的點數(shù)少，線路布設容易，工程規(guī)模與造價更低，可以有效地縮減系統(tǒng)規(guī)模，減少前后端設備配置，減少系統(tǒng)維護的運營的人力，大大降低系統(tǒng)建設成本。

本文采用H.264編碼標準，具備智能視頻分析功能的1080P高清網(wǎng)絡攝像機十分適合在現(xiàn)代礦井安全生產(chǎn)高清監(jiān)控系統(tǒng)中使用。本文設計的高清網(wǎng)絡攝像機采用Aptina CMOS圖像傳感器和海思高性能SOC處理器，應用于煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能實時監(jiān)視井下作業(yè)情況，為礦井的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)設計

網(wǎng)絡攝像機是視頻監(jiān)控系統(tǒng)核心，攝像機傳來的視頻號經(jīng)數(shù)字化再進行圖像處理、編碼壓縮，通過網(wǎng)絡總線傳送到Web服務器。網(wǎng)絡上用戶無需其他主機控制，可以直接用瀏覽器觀看Web服務器上的圖像。

圖1 高清網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)框圖Fig.1 Hd network camera block diagram

本文設計的高清網(wǎng)絡攝像機系統(tǒng)設計如圖1所示，該圖表示了系統(tǒng)核心芯片之間的信號傳輸關(guān)系。Aptina CMOS圖像傳感器通過光敏二極管進行將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；主處理器Hi3516C對圖像傳感器采集到的光電信號進行數(shù)字處理，然后按照H.264標準對視頻流進行編碼壓縮；以太網(wǎng)PHY芯片RTL8201EL把編碼后的視頻流傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上。網(wǎng)絡用戶可以直接用瀏覽器觀看Web服務器上的圖像。下面就框圖中的主處理器和核心板等主要芯片做詳細說明。

1.1 主處理器

本文設計的高清網(wǎng)絡攝像機采用海思半導體公司的Hi3516C為主處理器。Hi3516C是海思為高清攝像機開發(fā)的一款專業(yè)型高端SOC芯片，支持1080P/30fps的H264多碼流編碼技術(shù)，提供高效優(yōu)質(zhì)的編碼視頻質(zhì)量，提供高性能的智能加速引擎，使客戶在滿足差異化的高清攝像機產(chǎn)品功能、性能、圖像質(zhì)量要求的同時，可有效降低設計與生產(chǎn)成本。

圖2 Hi3516C架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of Hi3516C

Hi3516C作為海思行業(yè)專用型HD IP攝像機SOC，集成新一代ISP，優(yōu)化后的編碼前圖像處理算法和H.264編碼器，并且采用了先進低功耗工藝和低功耗架構(gòu)設計，在低碼率、高畫質(zhì)、低功耗等方面處于行業(yè)領(lǐng)先水平。Hi3516C集成POR、RTC、Audio Codec以及待機喚醒電路，為客戶極大的降低了ebom成本，且與海思DVR/NVR芯片相似的接口設計，能使客戶方便的進行產(chǎn)品開發(fā)和量產(chǎn)。

Hi3516C具有以下一些主要的功能特點：

（1）大視角：

在相同分辨率下，5M的視場范圍是2M的2倍。

（2）超高分辨率：

在相同視場角條件下，5M水平清晰度達到1500線以上。

（3）低噪度：

低照度攝像機是指在較低光照度的條件下仍然可以拍攝清晰的圖像。對于最低照度的級別劃分：暗光級：0.1Lux；月光級：0.01Lux；星光級：0.001Lux及以下；

（4）領(lǐng)先的多幀Line/Frame Base WDR技術(shù)：

在明暗對比強烈場景中，Line/Frame Base WDR技術(shù)通過控制圖像傳感器，分別對前后相接的多幀圖像進行長短時長的曝光，進行不同區(qū)域的裁剪并合成一副畫面，得到清晰圖像。

（5）ROI感興趣區(qū)域編碼技術(shù)：

通過對不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同幀率、清晰度的調(diào)節(jié)，使用戶在感興趣區(qū)域圖像質(zhì)量不損失的前提下，達到減少網(wǎng)絡帶寬占用，節(jié)省存儲容量的目的。

（6）Defog數(shù)字去霧技術(shù)：

通過在芯片內(nèi)部集成的ISP算法，檢測畫面中霧化程度并進行分塊分區(qū)域進行圖像亮度、對比度、色彩等方面的調(diào)節(jié)，減少霧霾對成像質(zhì)量的影響。

（7）DIS數(shù)字圖像穩(wěn)定技術(shù)：

數(shù)字圖像穩(wěn)定，又叫“電子防抖”，可有效的減少或消除由于攝像機安裝平臺不穩(wěn)定形成的畫面抖動，通過緩存sensor像素和智能的參照物定位算法，使監(jiān)控畫面始終居中，使圖像中的物體穩(wěn)定。

（8）LDC鏡頭畸形校正技術(shù)：

通過智能選定參考物，修正由于鏡頭畸變導致的物體變形，達到還原真實場景的目的。

（9）支持Rotation走廊模式：

在特殊應用中，攝像機希望獲得更多縱向數(shù)據(jù)，得到6:19圖像信息，通過垂直安裝攝像機并啟動“走廊模式”可使得圖像正常的情況下使得sensor采集更多縱向信息。

（10）智能硬件加速核心IVE：

海思半導體獨樹一幟的智能硬件可自行運行和加載復雜的視頻分析算法，這極大的降低系統(tǒng)對主控CPU性能的需求，為智能視頻產(chǎn)品的普及化開辟了新的道路。

1.2 圖像傳感器

圖像傳感器是網(wǎng)絡攝像機的重要組成部分。根據(jù)元件的不同，目前圖像傳感器分為CCD（電耦合元件）和CMOS（金屬氧化物半導體元件）兩種主要技術(shù)， CCD傳感器雖然有靈敏度高、低照度效果好、色彩還原能力強等優(yōu)點，但其響應速度低，無法滿足高清監(jiān)控攝像機采用的逐行掃描方式，因此高清監(jiān)控攝像機基本采用響應快、功耗小、集成度高的CMOS傳感器。CMOS比較CCD最主要的優(yōu)勢是功耗小，但靈敏度較低，對光線的要求比較高。目前采用最新背照技術(shù)的CMOS傳感器，與表面照射型CMOS傳感器相比，背照式CMOS在靈敏度上優(yōu)勢突顯，顯著提高低光照條件下的拍攝效果。本文采用1080P專用的背照式CMOS器件，其靈敏度性能已經(jīng)與CCD接近，達到了網(wǎng)絡攝像機在低照度條件下的靈敏度要求。

在滿足煤礦用戶對像元尺寸、圖像質(zhì)量、低照度條件和系統(tǒng)造價等各方面要求的前提下，本設計為了追求高穩(wěn)定性，低成本的系統(tǒng)方案配置，圖像傳感器選用了Aptina公司的全高清1080p60圖像傳感器AR0330RC，該芯片采用背照技術(shù)，主要技術(shù)參數(shù)如下：靶面1/3英寸，像素2052*1536，60幀/秒，數(shù)據(jù)位寬10/12bit，時鐘頻率54MHz。像素設計2.2微米，采用Aptina A-Pix技術(shù)，支持并行接口選項和2通道MIPI輸出，采用CPS封裝(6.28mm*6.65mm)。圖3給出了Aptina公司的圖像傳感器AR0330CS架構(gòu)圖。

圖3 AR0330CS架構(gòu)圖Fig.3 Architecture diagram of AR0330CS

1.3 核心板的設計

核心板是以海思IPC4689D為基礎(chǔ)，進行二次開發(fā)設計，具備以下功能性能與接口：300萬寬動態(tài)CMOS傳感器,三層標準38mm*38mm板；接口豐富：音頻輸入輸出、復位、報警輸入輸出、RS422/RS485、TF卡接口，支持日夜轉(zhuǎn)換（支持選配IRCUT）感紅外,支持光敏電阻信號聯(lián)動，適合裝多功能型（音/視頻、報警、WIFI）半球和海螺，也適合裝多功能型紅外槍機；H.264/H.265視頻編碼，支持雙碼流，最高分辨率2560*1080，彩色0.05Lux@F1.2,黑白0.01 Lux@F1.2。圖4給出了核心板的PCB板。具體性能指標見表1

圖4 核心PCB板Fig.4 The core printed circuit board

表1 核心板性能指標Tab.1 Performance index of the core printed circuit board

2 智能視頻分析技術(shù)的應用

Hi3516C處理器內(nèi)置有智能硬件加速核心IVE，支持場景識別、運動目標偵測、周界防范、視頻質(zhì)量診斷等多種智能分析應用。

（1）運動目標偵測

a)加載用戶的預定義規(guī)則，進行算法的預處理，如防區(qū)設定、分析模式等。

b)對特殊場景進行過濾預處理，如防抖動、雨、雪、強燈光抑制等。

c)建立背景模型，自動學習并更新背景情況。

d)提取前景中變化目標，與前景相分離，檢測并分析目標的活動。

e)對跟蹤的運動目標進行分類識別，如人或車輛等。

f)根據(jù)規(guī)則判斷是否符合預設的報警規(guī)則。

（2）周界防范

檢測到運動的目標違反設定的規(guī)則時產(chǎn)生報警，根據(jù)預先設置的報警途徑，傳輸報警到指定的用戶。芯片內(nèi)置支持絆線檢測、區(qū)域入侵、電子圍欄、人員徘徊、人群聚集、物品遺留、物品搬移、快速移動等報警類型。

（3）視頻診斷

芯片內(nèi)置支持視頻遮擋、視頻丟失、視頻移位等報警類型。

圖5 井上井下智能視頻分析技術(shù)應用場景Fig.5 Intelligent video analysis application of mine

3 在煤礦井下應用的方案前景與建議

（1）通過視頻監(jiān)控的高清化改造，對各個生產(chǎn)安全隱患點進行全面布控，通過引入視頻智能分析技術(shù)和移動監(jiān)控技術(shù)對監(jiān)控死角做全覆蓋，全面提升煤礦生產(chǎn)工作的安全管理水平。

（2）在視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上，接入消防監(jiān)控、周界報警、環(huán)境質(zhì)量檢測、人員出入管理等子系統(tǒng)，實現(xiàn)安防數(shù)據(jù)的綜合集成，通過預案設計對各子系統(tǒng)進行聯(lián)動管理，提升煤礦周邊和內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)控密度。

（3）接入礦井內(nèi)部各項生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、瓦斯含量、透水、氧氣濃度等傳感器檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對煤礦整體數(shù)據(jù)的集成管理及顯示，并通過視頻對危險地點和隱患進行及時排查。

（4）產(chǎn)品的使用應當滿足井下的相關(guān)電氣安全規(guī)范，做好防火防爆設計。

4 結(jié)束語

基于H.264編碼標準高清網(wǎng)絡攝像機的優(yōu)勢是圖像清晰、存儲數(shù)據(jù)量小，遠程實時監(jiān)控，即插即用、靈活集成。同時以太網(wǎng)供電節(jié)省成本，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，對網(wǎng)絡傳輸帶寬要求低，特別適合在網(wǎng)絡上傳輸高質(zhì)量視頻，滿足對視頻內(nèi)容進行智能分析的圖像質(zhì)量要求，并實時發(fā)出預警和報警。因而該設備若應用在煤礦井下安全生產(chǎn)，能將大部分可視的安全生產(chǎn)隱患防患于未然，該應用必將影響整個礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

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【責任編輯：高潮】

Design and Realization of high definition network camera in modern mine monitor system

HE Lingling1,WANG YONG2
（1.Shenzhen Institute of Technology,Shenzhen 518116,China;2.Office of Recruitment and Employment,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China）

In this paper,the design scheme of 1080P high definition network camera bas ed on H.264 coding standard are introduced，Which are achieved the high compression ratio collection and transmitting HD video signals and supporting the intelligent video analysis application of coal mine monitoring.The design of high definition network camera is based on Aptina CMOS imaging sensor and Haisi high-performance SOC processors,which are in accordance with the development and application of monitoring technology and management in modern mine.

video monitor; network camera; high definition1080P

TP277

A

1672-6332（2017）03-0035-05

2017-7-10

何玲玲（1978－），女(漢)，浙江義烏人，講師，碩士，主要研究方向：電子技術(shù)、視頻技術(shù)和監(jiān)控系統(tǒng)的研究。E-mail:38554946@qq.com