基于煤矿工作面条件的多通道图像采集系统设计

崔怀兵

摘要：为提高煤矿工作面突发事故后的快速评估以及工作面恶劣环境下的风险评估，确保工作面安全生产，设计一款基于摄像机阵列的视频装备，以实现工作面恶劣环境下结构病害的快速精确检测。该文在分析工作面工作环境的基础上，提出摄像机阵列的设计方案；为适应在大粉尘、近距离、大视场检测，系统采用摄像头是带照明的微型内窥镜；为减小后期图像拼接的压力，本系统采用Matrox _morphis_qxt图像采集卡，配合磁盘阵列RAID系统以达到同步采集、实时传输、快速存储；最终通过图像拼接技术，恢复被测工作面现场的表观全貌图。

关键词：工作面；大视场；Matrox _morphis_qxt采集卡；同步采集；图像拼接

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）35-8518-02

煤矿井下生产条件恶劣，特别是在工作面。其地质条件恶劣、能见度低、粉尘雾气大、空间狭小、到处存在安全隐患。基于此种情况，该文设计出一款基于微型数码摄像阵列的恶劣工作面环境下的快速检测装备。争取做到32及以上通道，实现各通道摄像头同步抓图，每秒4帧，RGB图像，640*480，并且以BMP格式的非压缩格式保存到PC机硬盘中。最终通过图像拼接技术，对多通道采集的图像进行拼接，恢复被测恶劣环境工作面的表观全貌图。

1 系统硬件设计

1.1摄像机阵列设计

针对井下工作面环境粉尘大、潮湿、光线不足等条件，本方案采用带照明的微型内窥镜作为图像采集摄像头。用微型内窥镜做成一个近距离大视场的采集阵列，可以做到比单个摄像头测量时，空间分辨率以及对环境能见度的适应能力都提高数倍。这样有利于后期各通道的图像拼接。

1.2 图像采集卡选型

图像采集卡（Image Capture Card），又称图像捕捉卡，是一种可以获取数字化视频图像信息，并将其存储和播放出来的硬件设备。很多图像采集卡能在捕捉视频信息的同时获得伴音，使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。针对一个具体的测试对象，视频采集卡的选择主要考虑监测信号的标准（数字或模拟），信号记录方式，相机速度，分辨率，颜色，视频信号接口，以及数据采集能力等几方面。

本系统针对工作面条件下， 32路或者更多通道摄像头的阵列结构设计，将涉及到各通道每帧图片都同步的需求，为减轻后期图像拼接的压力，以及同步性考虑，选用模拟、彩色摄像头。

另外因为数字摄像头涉及到视频压缩的问题，在解码之后得到的图像序列无法还原最初的同步性。对于采集卡的数据采集能力，要求采集卡的数据采样频率大于或等于相机信号数据输出频率。采集卡的数据率必须满足的要求可按下式计算：

模拟 Data Rate （Grabber） ≥ 1.2×R*f

（Data Rate（Grabber）为采集卡的数据率；R为相机的分辨率；f为相机的帧频）。

以32通道摄像头为例，我们所采用的微型内窥镜为标准的PAL制，支持每秒25帧640*480，摄像头采集YUV4：2：2的原始图像，同时传输到主机内存所需要的传输带宽至少需要（640*480+320*240+320*240）*25*32 ≈352MB/s，这样就会产生很大的数据量。

针对以上考虑，该文选择加拿大Matrox公司的采集卡Matrox _morphis_qxt。它理论峰值传输带宽能达到1GB/S，可同时采集16路独立视频输入，支持NTSC， PAL ，RS-170和CCIR标准视频；卡上有一个大型专用的缓冲区，可靠地保证了图像采集到PC主机。另外，其还具有看门狗定时器，用于全面监视系统的完整性。

1.3 主机选型

考虑所有通道采集的图像数据进行快速存储的要求，本系统采用双CPU+磁盘阵列RAID结构。双CPU协调运行，处理速度将大大提高。RAID（独立冗余磁盘阵列）是一种把多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同的方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的存储性能与数据备份能力的技术。

1.4 采集系统框图

2 软件采集系统设计

Matrox公司图像采集卡的软件开发库MIL（Matrox Image Language）， 具有易于使用的特点。它通过引入函数驱动层，实现了源码硬件无关性，即同一段源代码不需修改， 或仅修改一个参数， 即可实现对Matrox不同图像采集卡的操作。函数驱动层是一个硬件相关的文件， 不同的采集卡需要不同的函数驱动层 ，它们保证不同的卡对API层的一致性。从而大大降低了编程难度， 具有独特的设计思想。

图2为一般Matrox卡与操作系统及用户接口的工作原理框图。

2.1 采集程序设计

图像采集系统软件设计与实现，程序设计流程：

读取设备信息：查看摄像头/图像采集卡支持的功能，如支持图像数据格式、支持窗口大小等；

更改设备信息：配置摄像头、配置采集卡采集参数等；

进行图像采集：需要再在内存中为采集卡申请缓存空间，同时把申请到的缓存空间映射到用户空间，用户程序可以对用户空间的图像数据进行处理。

对采集的图像进行处理：抓图、录像，图像格式转换等。

后期的图像拼接需要BMP格式的图像。一张真彩640*480的BMP图像文件大小为900KB。按两张卡，一张卡16通道，一共32通道。由于我们选用的微型内窥镜不支持外同步，所以我们只能在采集程序上实现同步。采集程序设计过程中不仅需要考虑单张卡各通道之间的同步，还需要考虑卡与卡之间的同步。在应用程序设计中开辟多线程，提高应用程序响应，减少占用的系统资源，进一步保证同步性。

3 各通道图像拼接

图像拼接技术就是将数张有重叠部分的图像（可能是不同时间、不同视角或者不同传感器获得的）拼成一幅大型的无缝高分辨率图像的技术。

后期对阵列采集的二维数字图像进行拼接，显示被测量结构的全貌，其通用流程图如图4。

利用图像拼接技术与系统，可以实时观看与可视化监控煤矿综采工作面的总体工况。通过对不同摄像机获取的视频图像提取目标特征，可以实时检测并匹配跟踪运动目标，同时对于摄像机视野范围有限的问题可以根据匹配特征点建立投影模型实现拼接。但由于煤矿井下特殊环境，不可避免地存在着人工照明光照不均、粉尘多、噪声大的问题，获取的图像分辨率低、干扰大，给图像特征匹配带来难度。因此，在常用的角点匹配、颜色匹配算法效果不明显的情况下，研究井下复杂环境下图像特征提取与拼接的新技术与图像算法，解决现有算法易误匹配问题，提高拼接精度。

4 结束语

近年来计算机视觉技术在测量检测技术上发挥出了其独特的优点。本采集系统采用Matrox图像采集卡与计算机为硬件平台，软件设计采用VC++软件设计思想，提高了系统的可靠性和维护性。该设计将为工作面安全生产，决策处理，预测通提供可靠的检测手段。