CN103813069A - 具有高清摄像头的影像系统 - Google Patents

Abstract

一种具有高清摄像头的影像系统，包括：若干自组网节点、每个节点设置有摄像头，其特征在于：所述摄像头具有焦距为f1第一双凸形透镜，焦距为f2的第二单凸形透镜，用于承接图像的图像传感器，所述第一双凸形透镜和第二单凸型透镜的至少一个表面上具有二元衍射光学结构，其用于消除系统的像差，整个系统的焦距为f，f1/f比值为：1.28-3.45。

Description

具有高清摄像头的影像系统

技术领域

本发明涉及信息技术领域，具体涉及一种具有高清摄像头的影像系统。 

背景技术

视频监控系统广泛应用于生产生活的各个领域，专利文献CN1612176A公开了一种无线网络视频监控系统及方法。该系统包括一网络服务器、一视频服务器、一无线网络、一数据库、多个监控端计算机、多个摄像机。网络服务器用于根据存储于数据库的用户信息判断接收的用户名及密码是否正确，如果用户名及密码正确则获取一系统主界面。视频服务器用于按照无线连接请求连接相应的摄像机，接收来自摄像机的无线视频信号并转化成视频信号，将视频信号转化成特定格式的视频数据，传送视频数据至监控端计算机。监控端计算机安装有一视频播放器，通过该视频播放器可在视频窗口播放视频数据。利用本发明的系统及方法，可提供网络的行动性并节省成本。 

专利文献CN2606936U公开了一种带有无线报警器的网络数字视频监控系统，接有报警探头、摄像机、监控主机、局域网交换机、无线报警器和ＵＰＳ电源，监控主机分别与报警探头、摄像机和ＵＰＳ电源连接，无线报警器与交流220Ｖ电源连接并通过局域网内的交换机与报警主机连接。无线报警器还通过中国移动ＧＰＲＳ网络与若干部手机连接。监控现场的监控主机定时（可调）向无线报警器发送状态帧，无线报警器通过网络收到状态帧后自动进行判别，当确认发生异常时，则通过ＧＰＲＳ通信通道向系统指定的值班人员手机发送短信息或报警实时图像，并且具体到那一路发生报警。 

但是在现有技术中影像系统的摄像头清晰度往往不够，同时，摄像头结构也不够合理，例如：尺寸过大，因此在很多场合的应用受到了限制。 

发明内容

本发明的目的在于：解决现有技术中的不足与缺陷，提供一种新型的基于物联网的网络视频监控系统，该系统结构合理，可靠性高，能够提供清晰的全方位的监控视频信息。具体技术方案如下： 

一种具有高清摄像头的影像系统，包括：若干自组网节点、每个节点设置有摄像头，其特征在于：所述摄像头具有焦距为f1第一双凸形透镜，焦距为f2的第二单凸形透镜，用于承接图像的图像传感器，所述第一双凸形透镜和第二单凸型透镜的至少一个表面上具有二元衍射光学结构，其用于消除系统的像差，整个系统的焦距为f，f1/f比值为：1.28-3.45。 

所述第三凹凸透镜的表面上设置有二元光学结构，用于进一步消除成像像差。 

所述若干个自组网节点构成无线自组网，所述无线自组网将摄像头采集到是影像信息传输给相应的网关。 

所述系统还包含依次连接的网关、信息采集终端、服务器与远程终端。 

附图说明

图1是本发明的网络视频监控系统结构图； 

图2本发明的摄像头的结构示意图。 

图3是图2所述的摄像头的剖视图。 

图4是本发明视频监控系统的节点分族示意图。 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 

如图1所示，本发明所述具有高清摄像头的影像系统，设置有若干无线自组网100来对应监控不同的环境区域；每个无线自组网100通过网关200定期发送数据至信息采集终端300，由信息采集终端300汇总并上传本区域的监测数据至服务器400存储；用户可通过远程终端500访问服务器400，查询所有区域的实时或历史环境数据。 

配合参见图1，每个无线自组网100包含的若干节点110，是整个具有高清摄像头的影像系统最基础的环节。以下介绍所述无线自组网100的节点110硬件： 

每个节点110设置有用于环境参数采集的摄像头，以及无线通信模块，其通过数字式、模数转换式、开关量式等各种接口与所述摄像头连接。 

所述无线通信模块是通用化设计，仅需要更换传感器不同的所述摄像头。 

所述无线通信模块30设置有射频传输模块及功率放大模块，既能将本节点110中摄像头采集的环境数据直接发送给网关200，还能作为路由器，中继其他节点110的传输数据，以此构成含该若干节点110的所述无线自组网100结构。 

优选TI公司的CC2430型片上系统射频传输芯片及CC2591型功率放大芯片来实现，使无线通信模块30工作在2.4GHz的通信频率下，保证通讯的质量和安全。在空旷区域，点对点的有效传输距离可以达到800米。 

为了更适用于野外布置，还配备含3w~5w太阳能电池和2000mAh锂电池的电源模块，与所述摄像头和无线通信模块分别连接并供电。 

以下介绍所述无线自组网100的节点110软件： 

与上述节点110的硬件相匹配，开发了基于TinyOS操作系统的节点110底层软件中，适应环境监控需求的应用程序及路由协议，对节点110的数据采集、通讯路由和能源分配进行管理，控制采集的数据在节点110之间、节点110与网关200之间的传输。 

基于TinyOS系统的组件化架构，本发明将每个节点110的传感器等硬件资源，分别映射成一个或多个易于操作的硬件抽象组件；其作为系统最底层的组件，直接对硬件资源进行操作，但向上层组件屏蔽了具体硬件，仅提供相应的接口方便上层组件调用，因而，使整个系统具有良好的可移植性。 

多个功能相对应的下层组件可连接形成上一层更大的组件。上层组件与下层组件之间设置双向的接口，上层组件以命令（command）形式调用下层组件，而下层组件通过事件（event）形式向上层组件进行反馈。 

最上层的组件是用户编写的高层软件组件，其通过配置文件连接并调用组件库中多个下层组件，实现整个节点110中如路由建立、数据传输等各种应用程序的功能。 

所述高层软件组件与所述硬件抽象组件之间还连接有合成硬件组件，其作为接口转换或用于不同数据格式的转换，实现高于硬件抽象组件的功能，例如，在所述无线通信模块中设置有用于“位”与“字节”转换的合成硬件组件，其将数据以字节为单位与上层组件交互，以位为单位与下层组件进行交互。 

由于环境监控的节点110众多、覆盖范围广，而每个节点110的能量有限，其能量消耗又与频率和传送距离都是正相关的。因此，如何合理地使用无线自组网100中各个节点110的有限能量，使得整个网络保持连通性的时间更长，成为衡量该网络中路由性能的一个重要指标。而若某些节点110因为能量耗尽而停止工作时，所述无线自组网100的拓扑结构会发生改变，节点110的路由设置需要能够适应这种动态变化。 

针对上述环境监控的特点与通信需求，所述无线自组网100的网络层，需要能根据每个节点110获得的局部信息，来决策并优化全局行为，而进行路由生成与路由选择。另外，由于节点110间存在冗余信息，路由协议的设计通常需要兼顾数据融合功能，在传输路径的中间节点110上，对转发的数据进行数据融合，减少传送的信息量，从而节约能耗。 

如图4所示，以下介绍本发明中，基于层次化设计的两种路由机制。 

其中，基于分簇的层次性路由，设置有周期性的簇建立阶段和稳定的数据传输阶段，稳定的数据传输阶段要远大于分簇建立阶段以减小分簇带来的能量开销。 

在分簇建立阶段，相邻的若干节点110之间动态地自动形成簇120，其中每个节点110等概率地随机称为簇首121。在数据传输阶段，簇120内其他节点110把数据发送给簇首121，由簇首121进行数据融合并把结果发送给汇聚点，所述汇聚点可以是网关200或其他簇120中用于中继的节点110。 

由于簇首121需要完成数据融合、与汇聚点通信等工作，簇首121的能量消耗非常高，各节点110需要等概率地担任簇首121，使网络中所有节点110能 够比较均衡地消耗能量，有利于延长整个网络的生存期。可见，分层利于网络的扩展性，数据融合能够减少通信量。 

为了及时应对突发事件，在簇首121选取后，簇首121把绝对阈值和相对阈值两个参数广播给簇120内其他节点110。每个节点110持续地采集环境数据，当采集的数据第一次大于绝对阈值时，节点110将其记录下来，同时发送给簇首121；在以后的时间内，该节点110只有在其采集的数据大于绝对阈值，而且与前一次记录结果之差大于相对阈值时，才对数据进行记录并发送给簇首121。因此，对于突发事件能够及时响应；对于持续发生的突发事件，相邻两次数据之差不大于阈值时，无需不断地发送数据，减少了通信流量。 

以下进一步介绍本发明所述具有高清摄像头的影像系统中的其他部分： 

如图1所示，每个所述无线自组网100将其下所属各节点110采集的环境数据通过网关200，以串口、USB口等传统通讯方式，与所述信息采集终端300连接。 

所述信息采集终端300，包含基于.NET、Windows的计算机301（PC），或基于PXA270、WINCE的移动设备302，通过对应设置采集程序，对所述环境数据进行临时存储和查询，并在用户指定操作或规定时长下，以有线或无线方式上传至服务器400。 

采用因特网B/S架构的所述服务器400，通过设置基于Web Services技术的输入模块401，将所述信息采集终端300发送的数据存入数据库402（SQL Server）中，并对外提供WEB服务器功能。 

远程终端500包含与因特网连通的计算机终端501（PC），或通过GPRS等 方式上网的手机、PDA等移动终端502；用户通过该远程终端500上设置的WEB浏览器，对服务器400上的数据进行访问。所述服务器400中对应设置有处理计算机终端501（PC）及移动终端502请求的服务程序403。 

所述计算机终端501（PC）上采用AJAX、FLASH技术实现富客户端，如对应不同监测区域查询其中特定节点110实时采集的环境监测数据，或是对历史监测数据进行统计管理等。在所述移动终端502上应用J2ME，从而可在大部分移动终端502设备上操作，获取与计算机终端501类似的信息。 

综上所述，本发明所述具有高清摄像头的影像系统中，每个节点110的摄像头分别监测不同的环境数据；由节点110的底层软件进行通讯、路由和能源分配的管理，控制通用设计的无线通信模块30，将本节点110采集的环境数据发送至中继的节点110或网关200，构成所述无线自组网100的结构。 

每个无线自组网100通过网关200定期发送数据至信息采集终端300，由信息采集终端300汇总并上传本区域的监测数据至服务器400存储。用户可通过远程联网的计算机终端501或移动终端502等访问服务器400，查询所有监测区域的实时及历史环境数据，方便进行统计分析等后续数据处理工作。 

因此，本发明将无线自组网技术与互联网技术相结合，实现了对环境分区域的采集、汇总、存储、筛选和分析直至终端显示和处理的完整监控，以此可获得精确的区域环境参数，为环境保护和环境治理提供科学的依据。 

所述传感元件为图像采集器，具有如下结构特征： 

如图2所示，优选实施例中，包括线路板1、固定于线路板1表面的承座2、固定在承座2内的镜头组件3、位于承座2内的图像传感器4和固定于线路板1 上的闪光灯5。 

镜头组件3包括镜筒301和设于镜筒301内的镜片，可以理解的，镜筒301的端面中心应开设有透光孔，镜片则包括单凸型非球面镜片302和双凸型非球面镜片303，双凸型非球面镜片303的入光面与单凸型非球面镜片302的出光面粘贴固定，且单凸型非球面镜片302的透光中心与镜筒301的透光孔位置必须相对应。闪光灯5和图像传感器4均与线路板1电连接，且图像传感器4的感光中心与镜头组件3的透光中心位置相对应。 

在组装该摄像头模组时，先在线路板1上贴上图像传感器4、闪光灯5和电容等组件，然后进行分板和擦洗芯片，将承座2沾上黑胶并固定在线路板1的相应位置上并放进烤箱烘烤约30分钟后，再将镜头组件3镶嵌在承座2内。最后用专用的调焦环和测试软件进行调焦至最清晰的效果。 

组装好后，将该摄像头模组接通工作电压，对准被摄物体，被摄物体的反射光线传播到镜头组件3中，经该镜头组件3聚焦到图像传感器4上，图像传感器4会根据光的强弱聚集相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，在图像传感器4中进行预放大、AGC自动增益控制，color gain校正、黑背景校正、镜头阴影校正、坏点校正、曲线调整和A/D转换等一系列的处理后变成数字信号输出。 

如图3所示，上述双凸型非球面镜片303的出光面中心设有凹陷部，环绕该凹陷部设有一圈突起。其中，该双凸型非球面镜片303的入光面为外凸的圆弧面，圆弧面的顶点落在该双凸型非球面镜片303的对称轴上，且双凸型非球面镜片303突起的最高点到圆弧面顶点的距离h为0.65mm。凹陷部的最低点到双凸型非球面镜片303圆弧面顶点的直线距离为0.70mm。其中，圆弧面的直径 为3.2mm。 

此外，镜片除了包括单凸型非球面镜片302和双凸型非球面镜片303之外，在上述两个镜片之间还设有用于阻挡或吸收反射光线的麦拉片，以及位于镜片后部的滤光片，且为了消除镜片和滤光片之间的空气间隙，还在镜片和滤光片之间加设有镜间环。

双凸型非球面镜片303的出光面有两个突起，故为双凸型非球面镜片303。 

双凸型非球面镜片303的焦距为f1，单凸型非球面镜片302的焦距为f2，系统焦距为f，则，f1/f比值为：1.28-3.45，优选为1.5，1.8，2.6。在上述参数范围内最有利于模块的小型化。 

所述镜片302和303的至少一个表面上优选设置有二元衍射光学结构，用于进一步消除系统像差，提高成像清晰度。 

上述双凸型非球面镜片303的曲率设计能使光线透过该镜片后得到更清晰的聚焦点，尤其中间的凹陷部可以补正影像的像差及色散，从而提高整个图像的分辨率。此外，镜头的亮度与镜片所使用的材料特性也有关系，如材料的折射率、透光率，本发明的镜片均采用进口高性能光学专用树脂材料，如ZEONEX-480R，OKP4HT。 

优选地，上述线路板1可以采用FPC挠性电路板或PCB印制线路板。其中，FPC挠性电路板的配线密度高，重量轻、体积小，配线错误少，且成本更加低廉。 

同样地，图像传感器4可以采用CMOS图像传感器或CCD图像传感器。 

进一步地，该摄像头模组是通过连接器6与设备进行连接的，连接器6固设于线路板1的表面。通过连接器6与其他设备进行连接可使得连接更为方便， 装配效率更高。 

其次，为了使粘贴固定更为牢固，在线路板1的底面，与图像传感器4和连接器6的对应位置还设有加强硬衬板7。 

优选地，上述闪光灯5的工作电压为3V，该闪光灯在3V的工作电压下可获得5000mcd的亮度。 

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述使用方法的限制，上述使用方法和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。 

Claims (4)

1.一种具有高清摄像头的影像系统，包括：若干自组网节点、每个节点设置有摄像头，其特征在于：所述摄像头具有焦距为f1第一双凸形透镜，焦距为f2的第二单凸形透镜，用于承接图像的图像传感器，所述第一双凸形透镜和第二单凸型透镜的至少一个表面上具有二元衍射光学结构，其用于消除系统的像差，整个系统的焦距为f，f1/f比值为：1.28-3.45。

2.如权利要求1所述的影像系统，所述第三凹凸透镜的表面上设置有二元光学结构，用于进一步消除成像像差。

3.如权利要求1所述的影像系统，所述若干个自组网节点构成无线自组网，所述无线自组网将摄像头采集到是影像信息传输给相应的网关。

4.如权利要求3所述的影像系统，所述系统还包含依次连接的网关、信息采集终端、服务器与远程终端。

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