CN101719981B - 井下全黑环境下高清视频采集处理系统及采集处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下全黑环境下高清视频采集处理系统及采集处理方法，其系统包括供电单元、微处理器、视频采集及处理单元、语音处理单元、显示单元、存储单元、无线收发单元和USB接口，且上述器件连接组成一对音频和视频信号进行采集且对所采集信号进行无线收发、回放和有线输出的移动终端设备；视频采集及处理单元包括光学镜头、微光像增强器、CMOS图像传感器和白光辅助光源；其方法包括步骤：一、语音和视频信号采集；二、微处理器对接收到的音频和视频信号进行无线收发、回放和有线输出。本发明所用设备结构简单、体积小、组网灵活、移动轻便、成本低且功耗低，能实现井下全黑环境下高清晰视频采集处理和实时低功耗移动语音通信功能。

Description

井下全黑环境下高清视频采集处理系统及采集处理方法

技术领域

本发明属于矿山无线监控及无线矿山救援技术领域，尤其是涉及一种井下全黑环境下高清视频采集处理系统及采集处理方法。

背景技术

目前，矿山监控领域中，广泛使用了矿用低照度高清晰摄像机，并且现有视频采集处理装置均采用的是CCD传感器+DSP控制器的组合技术方案，实际使用过程中，其通过采取不同的CCD传感器和DSP控制器相配合，实现了不同的成像效果，同时配以光纤等有线方式对采集到的信号进行传输。因而，现有视频采集处理装置大多都存在以下局限性：功耗较大、携带不方便，没有音频通信，且多数摄像机并不能在全黑环境下即0Lx照度下工作，即便可以达到0Lx照度的产品也是配有红外辅助照明装置，从而更进一步增加了功耗；同时，现有视频采集处理装置仅适用于矿山监控领域，并不适用于矿山救援过程中。而矿山救援中使用的救援设备体积大、重量大且多采用有线方式传输，携带不便。综上，煤矿配备监控设备和救援设备费用一般都比较昂贵。

目前市场上没有采用微光夜视仪+ARM处理器的矿用手持终端设备。ARM处理器处理功能强大，处理速度快，片上外设比较丰富，接口多种多样，适合于各种嵌入式系统；而现有的DSP控制器相对与ARM控制器而言，功耗较大，片上外设有限，外围电路相对复杂，制约了电路板的面积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设备结构简单、组网灵活、移动轻便、成本低且功耗低的井下全黑环境下高清视频采集处理系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种井下全黑环境下高清视频采集处理系统，其特征在于：包括外部壳体和安装在所述外部壳体内部的电路板，所述电路板上设置有为各用电单元供电的供电单元、微处理器以及分别与微处理器相接的视频采集及处理单元、语音处理单元、显示单元、存储单元、无线收发单元和USB接口，所述微处理器通过USB接口与PC机相接；所述微处理器、视频采集及处理单元、语音处理单元、显示单元、存储单元、无线收发单元和USB接口连接组成一个对音频和视频信号进行采集以及对所采集音频和视频信号进行无线收发、回放和有线输出的移动终端设备；所述视频采集及处理单元包括光学镜头、与光学镜头相接的微光像增强器、与微光像增强器相接且能将光信号转换为电信号的CMOS图像传感器和设置在光学镜头周侧的白光辅助光源，所述CMOS图像传感器与微处理器相接。

所述外部壳体为手持式壳体。

所述微处理器为芯片S3C6410。

所述CMOS图像传感器为芯片MT9D111。

所述无线收发单元为WiFi无线通信模块。

所述语音处理单元为音频编码解码芯片UDA1341TS。

所述微光像增强器通过C接口或CS接口与光学镜头相接，且微光像增强器通过光锥直接耦合方式耦合在CMOS图像传感器上。

所述供电单元包括本安电源以及分别与所述本安电源相接的PMIC芯片、LDO芯片和高效DC-DC芯片，所述本安电源包括供电电池、与所述供电电池相接的DC-DC转换电路和与所述DC-DC转换电路相接的本质安全电路。

本发明还公开了一种方便实用、数据处理能力强且使用效果好的井下全黑环境下高清视频采集处理方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、语音和视频信号采集：视频采集及处理单元实时采集被监测环境内的微弱图像模拟信号，且通过微光像增强器和CMOS图像传感器对所采集的微弱图像模拟信号进行图像增强和A/D转换后送至微处理器；同时语音处理单元实时采集被监测环境内的语音模拟信号，且对所采集的语音模拟信号A/D转换后送至微处理器；

步骤二、微处理器对接收到的音频和视频信号进行无线收发、回放和有线输出：

当需对视频采集及处理单元和语音处理单元所采集音频和视频信号进行无线发送时，微处理器对接收到的音频和视频信号依次进行编码压缩、时间排序、存储并打包成适合无线网络传输的数据包，同时微处理器控制显示单元对接收到的视频信号进行同步显示；将需发送信息打包成适合无线网络传输的数据包之后，微处理器控制无线收发单元对需发送数据包进行调制后通过无线网络传至接收端；

当需接收发送端所发送的音频和视频信号时，微处理器控制无线收发单元接收自发送端所发送的音频和视频信号数据包，且通过无线收发单元对所接收的数据包进行解调后送至微处理器；微处理器相应依次对经解调后的数据包进行解包、存储、时间排序和解压缩处理后，将处理后得到的音频信号传至语音处理单元进行D/A转换和滤波并还原成语音模拟信号，同时将处理后得到的视频信号传至显示单元进行同步显示；

当需对存储在存储单元中的音频和视频压缩数据进行回放时，微处理器对存储单元中所存储的视频和音频压缩数据进行时间排序和解压缩处理后，将处理得到的音频信号传至语音处理单元进行D/A转换和滤波并还原成语音模拟信号，同时将处理后得到的视频信号传至显示单元进行同步显示，从而实现资料回放；

当需对存储在存储单元中的音频和视频压缩数据进行对外输出时，微处理器将存储单元中所存储的视频和音频压缩数据通过所述USB接口直接传输到PC机上。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、设计构思新颖，采用CMOS+ARM11方案，配以128MB Mobile DDR SDRAM、128MB NAND Flash，目前市场上没有基于此方案的终端产品。

2、成本低、功耗低、体积小且质量轻，S3C6410是基于ARM1176JZF-S内核的低成本、低功耗、高性能微处理器解决方案，采用90nmCOMS工艺。内部集成了多个功能强大的硬件加速器，集成多格式编解码器(MFC)支持MPEG4/H.263、H.264编解码和VC1解码。同时集成了许多硬件外设，如Camera接口、TFT-24bit真彩色LCD控制器、电源等系统管理、4通道UART、32通道DMA、4通道定时器、通用I/O端口、IIS、IIC总线接口、USB Host、USBOTG、3通道SD/MMC Host控制器及时钟生成PLL。处理能力强、外设接口丰富，简化了电路板的设计，使基于本发明的终端产品实现小体积设计。

3、使用效果好，视频图像清晰，能见度低达0Lx：前端视频采集单元是一套微光视频装置，其将18mm超二代微光像增强器通过光锥直接耦合方式耦合到CMOS摄像机上，像增强器输入端通过C或CS接口与光学镜头连接，同时配有白光辅助照明，并使该装置一体化。显示单元为3.5英寸640×480分辨率的TFT-LCD显示器，采用S3C6410内置的H.264编解码器对图像进行编解码，图像质量达D1质量。

4、WiFi无线传输，组网快捷灵活、使用操作简便：采用的WiFi模块基于802.11b/g协议，基于本发明的视频采集处理终端设备支持的数据传输率高达54Mbps，可以实现多点对多点的快速组网。

5、本安电路设计：本发明采用本安电源供电，其电路设计符合本安标准GB3836.1、GB3836.4要求，电路中设计有过压、过流、防反接保护电路，有一键开关机设计，增加了基于本发明的手持终端的使用寿命。

6、用途广泛，携带方便：基于本发明的终端产品体积小，而且采用WiFi无线传输，不需要依赖管道、线缆等介质，携带方便。既可以实现井下高清视频监控又可以实现实时语音通信功能，既适用于矿山监控领域，又适用于矿山救援领域，大大节省了煤矿的配备成本。

7、实际使用时非常方便，使用者只需采用一个手持通信终端即可如摄像机一样，实现井下全黑环境下高清晰视频采集处理以及实时语音通信。

综上所述，本发明所用设备结构简单、体积小、组网灵活、移动轻便、成本低且功耗低，能实现井下全黑环境下高清晰视频采集处理和实时低功耗移动语音通信功能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明井下全黑环境下高清视频采集处理系统的电路框图。

图2为本发明井下全黑环境下高清视频采集处理方法的方法流程图。

附图标记说明：

1-供电单元；     2-微处理器；      3-视频采集及处理单元；

3-11-光学镜头；  3-2-微光像增强器；3-3-白光辅助光源；

3-4-CMOS图像传感 4-语音处理单元；  5-显示单元；

器；

6-存储单元；     7-无线收发单元。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的井下全黑环境下高清视频采集处理系统，包括外部壳体和安装在所述外部壳体内部的电路板；所述电路板上设置有为各用电单元供电的供电单元1、微处理器2以及分别与微处理器2相接的视频采集及处理单元3、语音处理单元4、显示单元5、存储单元6、无线收发单元7和USB接口8，所述微处理器2通过USB接口8与PC机9相接。所述微处理器2、视频采集及处理单元3、语音处理单元4、显示单元5、存储单元6、无线收发单元7和USB接口8连接组成一个对音频和视频信号进行采集以及对所采集音频和视频信号进行无线收发、回放和有线输出的移动终端设备。所述视频采集及处理单元3包括光学镜头3-11、与光学镜头3-11相接的微光像增强器3-2、与微光像增强器3-2相接且能将光信号转换为电信号的CMOS图像传感器3-4和设置在光学镜头3-11周侧的白光辅助光源3-3，所述CMOS图像传感器3-4与微处理器2相接。

本实施例中，所述外部壳体为手持式壳体。所述微处理器2为芯片S3C6410，所述芯片S3C6410具体为芯片S3C6410XH-66，即主频为667MHz。所述CMOS图像传感器3-4为芯片MT9D111。所述微光像增强器3-2为18mm超二代微光像增强器。所述无线收发单元7为WiFi无线通信模块。所述微光像增强器3-2通过C接口或CS接口与光学镜头3-11相接，且微光像增强器3-2通过光锥直接耦合方式耦合在CMOS图像传感器3-4上。也就是说，视频采集及处理单元3中的视频采集单元为一套微光视频装置，其将微光像增强器3-2(具体是18mm超二代微光像增强器)通过光锥耦合方式直接耦合到CMOS图像传感器3-4上，并且整个装置为一体化结构，同时配有白光辅助光源3-3进行辅助照明。CMOS摄像机的摄像头可视范围达10米，最低照度可达0Lx，其中CMOS摄像机中的CMOS芯片为芯片MT9D111。所述显示单元5为3.5英寸640×480分辨率的TFT-LCD显示器，存储单元6为4G容量的TF卡。所述WiFi无线通信模块为基于802.11b/g标准的无线WiFi模块WM-G-MR-09，其最大传输速率可达54Mbps。所述语音处理单元4为音频编码解码芯片UDA1341TS。

所述供电单元1包括本安电源以及分别与所述本安电源相接的PMIC芯片、LDO芯片和高效DC-DC芯片，所述本安电源包括供电电池、与所述供电电池相接的DC-DC转换电路和与所述DC-DC转换电路相接的本质安全电路。所述本安电源将输入的4V-17V电压通过高效DC-DC转换电路转换成5V电压，再通过PMIC芯片、LDO芯片和高效DC-DC芯片将5V电压转换成3.3V、3V、2.8V、1.8V和1.2V多路电压后分别给各用电单元供电，并且本安电源的电路设计符合本安标准GB3836.1和GB3836.4要求。所述DC-DC转换电路和高效DC-DC芯片均为芯片TPS62112，所述PMIC芯片为芯片TPS650243。本实施例中，所述供电电源为外置的12V磷酸铁锂蓄电池供电。

如图2所示，本发明所述的井下全黑环境下高清视频采集处理方法，包括以下步骤：

步骤一、语音和视频信号采集：视频采集及处理单元3实时采集被监测环境内的微弱图像模拟信号，且通过微光像增强器3-2和CMOS图像传感器3-4对所采集的微弱图像模拟信号进行图像增强和A/D转换后送至微处理器2；同时语音处理单元4实时采集被监测环境内的语音模拟信号，且对所采集的语音模拟信号A/D转换后送至微处理器2。

步骤二、微处理器2对接收到的音频和视频信号进行无线收发、回放和有线输出：

当需对视频采集及处理单元3和语音处理单元4所采集音频和视频信号进行无线发送时，微处理器2对接收到的音频和视频信号依次进行编码压缩、时间排序、存储并打包成适合无线网络传输的数据包，同时微处理器2控制显示单元5对接收到的视频信号进行同步显示；将需发送信息打包成适合无线网络传输的数据包之后，微处理器2控制无线收发单元7对需发送数据包进行调制后通过无线网络传至接收端。此时，视频采集及处理单元3、语音处理单元4、微处理器2、显示单元5、存储单元6和无线收发单元7连接组成所述移动终端设备的信号发射回路。

本实施例中，微处理器2对接收到的音频和视频信号依次进行编码压缩、时间排序、存储并打包成适合WiFi无线网络传输的数据包，同时微处理器2控制显示单元5对接收到的视频信号进行同步显示；将需发送信息打包成适合WiFi无线网络传输的数据包之后，微处理器2控制无线收发单元7对需发送数据包进行调制后通过WiFi无线网络传至接收端，具体是通过WiFi路由进行发送且通过WiFi无线网络传至接收端。

当需接收发送端所发送的音频和视频信号时，微处理器2控制无线收发单元7接收自发送端所发送的音频和视频信号数据包，且通过无线收发单元7对所接收的数据包进行解调后送至微处理器2；微处理器2相应依次对经解调后的数据包进行解包、存储、时间排序和解压缩处理后，将处理后得到的音频信号传至语音处理单元4进行D/A转换和滤波并还原成语音模拟信号，同时将处理后得到的视频信号传至显示单元5进行同步显示。此时，所述无线收发单元7、微处理器2、语音处理单元4、显示单元5和存储单元6连接组成所述移动终端设备的信号接收回路。

当需对存储在存储单元6中的音频和视频压缩数据进行回放时，微处理器2对存储单元6中所存储的视频和音频压缩数据进行时间排序和解压缩处理后，将处理得到的音频信号传至语音处理单元4进行D/A转换和滤波并还原成语音模拟信号，同时将处理后得到的视频信号传至显示单元5进行同步显示，从而实现资料回放。此时，所述存储单元6、微处理器2、语音处理单元4和显示单元5连接组成所述移动终端设备的信号回放回路。

当需对存储在存储单元6中的音频和视频压缩数据进行对外输出时，微处理器2将存储单元6中所存储的视频和音频压缩数据通过所述USB接口8直接传输到PC机9上。此时，所述存储单元6、微处理器2和USB接口8连接组成所述移动终端设备的信号有线方式输出回路。

实际操作时，本发明所述移动通信终端的工作过程是：本安电源供电后，首先信号发送方(即发射端)通过视频采集及处理单元3即微光视频装置对视频信号进行采集、增强处理和A/D转换后，再将增强后的数字图像数据送到微处理器2并通过微处理器2自带的H.264编解码器进行处理；同时，语音处理单元4即送话器对需发送的语音模拟信号进行采样和量化，同时把将量化后的数据送到微处理器2进行处理；所述微处理器2接收到视频采集及处理单元3发送的数字图像数据和语音处理单元4发送的数字语音信号后，分别依次进行压缩、时间排序、存储和打包以及显示。由于经压缩后的语音数据无法在WiFi无线网络中进行传输，因为WiFi无线网络的传输延时具有不确定性，其不是时隙传输，而是包传输；因而微处理器2在数据传输之前，必须根据实际数据包的大小进行合理打包；打包之前，需将每一包中的数据格式进行改进；之后，微处理器2再将处理得到的数据包传至无线收发单元7，由于无线收发单元7支持数据传输率高达54Mbps，因而可以实现快速组网。

所述微处理器2采用H.264编解码器对视频图像信号进行H.264格式压缩，H.264编解码格式最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264编解码格式的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍，大大节省视频图像的传输时间。另外，H.264编解码格式在具有高压缩比的同时，还拥有高质量流畅的图像。所述微处理器2在对语音信号进行压缩之前，语音数据以64Kbps速率进行传输，通过微处理器2所传输的语音数据进行编码压缩后，成传输速率为8Kbps的语音信号。

信号接收方(即接收端)通过无线收发单元7接收自发射端所发送的信号即数据包并进行相应解调后，送至微处理器2进行处理；微处理器2收到数据包后，先把数据包暂时存储在缓冲区内，一般缓冲区内部可以容纳很多包的数据，再进行解包，然后根据包顺序号，重新排列数据，这样就可以完成网络中传输实时数据的需要了，因而本发明是通过牺牲缓冲区和一小段延时时间来完成语音数据的实时传输的，然后将数据存储到存储单元6中。同时，由于收到的数据是压缩后的图像和语音数据格式，需要进行解压，完成图像和语音数据的恢复。综上，微处理器2将所接收的数据包依次进行解包、存储、在时间排序和存储、解压后，再将所述数字图像信号传至显示单元5进行显示，同时将数字语音信号传至语音处理单元4，通过语音处理单元4将所传入数据通过D/A转换和滤波后，还原成语音模拟信号并通过受话器送给用户，这样就完成了高清图像和语音的整个传输过程。

信号回放时，微处理器2将存储单元6中的图像和语音数据解压后，分别送至显示单元5和语音处理单元4进行处理。由于存储单元6中存储的图像和语音数据都是经过压缩编码后的数据，因而需要经微处理器2解压后再将数字图像信号传至显示单元5进行显示，同时将数字语音信号传至语音处理单元4通过D/A转换和滤波后，还原成语音模拟信号并通过受话器送给用户。

信号数据输出时，可以通过有线方式直接输出，微处理器2将存储器单元7中的图像和语音数据解压后经USB接口8直接输出到PC机9上。

综上所述，由于图像和语音信号是连续的电信号，在发射端，井下全黑环境下，视频采集及处理单元3在白光辅助光源3-3的照明作用下，将采集到的十分微弱的模拟图像信号经过图像增强和A/D转换后转为数字量，同时模拟语音信号通过语音处理单元4进行A/D采样和量化后转变成数字量；并且，将处理后得到的数字图像信号进行压缩和时间排序后送至显示单元5进行图像显示，并在存储单元6中进行存储。另外，由于图像和语音信号数据具有顺序性、实时性和数据量大的特点，因而其无法在WiFi无线网络中进行传输，在传输之前，必须先进行压缩和排序，再进行存储和打包(符合WiFi传输的数据包)，然后通过调制和WiFi路由在WiFi网络中进行传输。相应地，当接收端接收数据时，先进行解调、再进行解包和存储以及再排序和解压，最后再通过显示单元5显示图像，通过语音处理单元4进行D/A转换和滤波后还原成语音模拟信号。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种井下全黑环境下高清视频采集处理系统，其特征在于：包括外部壳体和安装在所述外部壳体内部的电路板，所述电路板上设置有为各用电单元供电的供电单元(1)、微处理器(2)以及分别与微处理器(2)相接的视频采集及处理单元(3)、语音处理单元(4)、显示单元(5)、存储单元(6)、无线收发单元(7)和USB接口(8)，所述微处理器(2)通过USB接口(8)与PC机(9)相接；所述微处理器(2)、视频采集及处理单元(3)、语音处理单元(4)、显示单元(5)、存储单元(6)、无线收发单元(7)和USB接口(8)连接组成一个对音频和视频信号进行采集以及对所采集音频和视频信号进行无线收发、回放和有线输出的移动终端设备；所述视频采集及处理单元(3)包括光学镜头(3-11)、与光学镜头(3-11)相接的微光像增强器(3-2)、与微光像增强器(3-2)相接且能将光信号转换为电信号的CMOS图像传感器(3-4)和设置在光学镜头(3-11)周侧的白光辅助光源(3-3)，所述CMOS图像传感器(3-4)与微处理器(2)相接；所述微光像增强器(3-2)通过C接口或CS接口与光学镜头(3-11)相接，且微光像增强器(3-2)通过光锥直接耦合方式耦合在CMOS图像传感器(3-4)上；所述供电单元(1)包括本安电源以及分别与所述本安电源相接的PMIC芯片、LDO芯片和高效DC-DC芯片，所述本安电源包括供电电池、与所述供电电池相接的DC-DC转换电路和与所述DC-DC转换电路相接的本质安全电路。

2.按照权利要求1所述的井下全黑环境下高清视频采集处理系统，其特征在于：所述外部壳体为手持式壳体。

3.按照权利要求1或2所述的井下全黑环境下高清视频采集处理系统，其特征在于：所述微处理器(2)为芯片S3C6410。

4.按照权利要求1或2所述的井下全黑环境下高清视频采集处理系统，其特征在于：所述CMOS图像传感器(3-4)为芯片MT9D111。

5.按照权利要求1或2所述的井下全黑环境下高清视频采集处理系 统，其特征在于：所述无线收发单元(7)为WiFi无线通信模块。

6.按照权利要求3所述的井下全黑环境下高清视频采集处理系统，其特征在于：所述语音处理单元(4)为音频编码解码芯片UDA1341TS。

7.一种利用如权利要求1所述井下全黑环境下高清视频采集处理系统进行井下全黑环境下高清视频采集处理的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、语音和视频信号采集：视频采集及处理单元(3)实时采集被监测环境内的微弱图像模拟信号，且通过微光像增强器(3-2)和CMOS图像传感器(3-4)对所采集的微弱图像模拟信号进行图像增强和A/D转换后送至微处理器(2)；同时语音处理单元(4)实时采集被监测环境内的语音模拟信号，且对所采集的语音模拟信号A/D转换后送至微处理器(2)；

步骤二、微处理器(2)对接收到的音频和视频信号进行无线收发、回放和有线输出：

当需对视频采集及处理单元(3)和语音处理单元(4)所采集音频和视频信号进行无线发送时，微处理器(2)对接收到的音频和视频信号依次进行编码压缩、时间排序、存储并打包成适合无线网络传输的数据包，同时微处理器(2)控制显示单元(5)对接收到的视频信号进行同步显示；将需发送信息打包成适合无线网络传输的数据包之后，微处理器(2)控制无线收发单元(7)对需发送数据包进行调制后通过无线网络传至接收端；

当需接收发送端所发送的音频和视频信号时，微处理器(2)控制无线收发单元(7)接收自发送端所发送的音频和视频信号数据包，且通过无线收发单元(7)对所接收的数据包进行解调后送至微处理器(2)；微处理器(2)相应依次对经解调后的数据包进行解包、存储、时间排序和解压缩处理后，将处理后得到的音频信号传至语音处理单元(4)进行D/A转换和滤波并还原成语音模拟信号，同时将处理后得到的视频信号传至显 示单元(5)进行同步显示；所述微处理器(2)接收到无线收发单元(7)发送且经解调后的数据包后，先把数据包暂时存储在缓冲区内，再进行解包；

当需对存储在存储单元(6)中的音频和视频压缩数据进行回放时，微处理器(2)对存储单元(6)中所存储的视频和音频压缩数据进行时间排序和解压缩处理后，将处理得到的音频信号传至语音处理单元(4)进行D/A转换和滤波并还原成语音模拟信号，同时将处理后得到的视频信号传至显示单元(5)进行同步显示，从而实现资料回放；

当需对存储在存储单元(6)中的音频和视频压缩数据进行对外输出时，微处理器(2)将存储单元(6)中所存储的视频和音频压缩数据通过所述USB接口(8)直接传输到PC机(9)上。 

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