CN103826106B - 矿山漏泄电缆视频传输方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山漏泄电缆视频传输方法与系统，它包括摄像头跟踪矿灯进行视频监视区域采集，计算矿灯图像有效区域；依照矿灯图像的照明中心点到矿灯图像有效区域外缘之间光强依次减弱，灰度等级依次增大，对矿灯图像有效区域进行二次压缩；预测压缩编码；编码打包为NAL流；将视频压缩的数据流NAL通过多个编码器调制转换到模拟电路对应的多个信道上，数字接收基站接收来自各个信道内的视频信息，通过解码器对图像合并进行解码，在监控器中实时显示。本发明减少编码，在现有煤矿井下监控网络条件下，实现高品质图像视频传输，满足生产要求的技术问题。

Description

矿山漏泄电缆视频传输方法与系统

技术领域

本发明涉及一种矿山漏泄电缆视频传输方法与系统。

背景技术

煤矿坑道、隧道伴随掘进工作面，将在深度和广度上不断拓展，坑道、隧道一般较长，而且多转弯、岔路，井下有线模式视频通讯需掘进工作面延伸，将面临布线多、施工成本大、不易调整线路的弊端。

若采用无线模式虽然可以避免有线模式实施的不足，但由于井下四面是岩石、横断面较小，地面上适用的无线视频信号中，频率大于800M赫兹时，易被巷道岩石吸收，存在信号衰减较大的技术问题，加之巷道中岔路多，存在死区、死角，在类似休息室这样的小空间中往往会出现没有信号现象，导致井下通讯质量大大受影响。若采用超低频通信虽然能够减少衰减、提高信号传输距离，但存在天线体积大，发射接收功率大，这与井下安全防爆要求相冲突，且信号容量小，带宽低，不适用于语音、图像等实时多数据传输。在保障视频编码效率的同时，如何在现有低带宽条件下的实时视频编码与传输成为煤矿井下视频采集的关键。

发明内容

本发明的一个目的是如何解决在现有煤矿井下监控网络条件下，无需增加巨大的投入，即可实现高品质图像视频传输，满足生产要求的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种矿山漏泄电缆视频传输方法，它包括的步骤是：

1)摄像头跟踪矿灯进行视频监视区域采集，计算矿灯图像有效区域；

2)依照矿灯图像的照明中心点到矿灯图像有效区域外缘之间光强依次减弱，灰度等级依次增大，对矿灯图像有效区域进行二次压缩；

3)预测压缩编码；

4)编码打包为NAL流；

5)将视频压缩的数据流NAL通过多个编码器调制转换到模拟电路对应的多个信道上，采用滤波器选频同步并行传输，经井下的漏泄电缆天线发射器进行发射；井上的漏泄电缆天线分路器接收视频信息并分配为多个信道，数字接收基站接收来自各个信道内的视频信息，通过解码器对图像合并进行解码，在监控器中实时显示。

所述步骤1)具体包括：

在矿灯配光镜边缘设置标识点,将初次采集的图像平面上的照明中心点与初次采集图像平面中的标识点距离记做r，r＞0；对采集的视频监视区域进行初次压缩，过滤掉视频监视区域内非矿灯照射区域,获得矿灯图像有效区域编码；

同时由矿灯标识点到矿灯灯丝点光源与光源轴线角度一定,记做θ,θ∈(0,π/2]；

得到图像到矿灯或摄像头间的映射距离：d＝r×ctg(θ)；d≥0；

构造灰度等级函数：δ(r′)＝f(r′,d′)；其中，r′为图像平面上的点距离图像照明中心点的距离；r′∈(0,r]；d′＝r′ctg(θ)；d′∈(0,d]；δ(r′)∈[0,255]。

所述步骤2)具体包括：

根据δ(r′)＝f(r′,d′)，定义0≤r′≤1范围内的照明中心点区域灰度为0，利用矿灯图像中的照明中心点到矿灯图像有效区域外缘光强依次减弱，灰度等级依次增大划分至少一个同心圆区域，构造矿灯图像有效区域的编码压缩灰度函数：

进行估值运算，提取矿灯图像有效区域中各个同心圆区域非重叠区域的像素矩阵，根据H.264标准进行视频数据VCL编码；其中G(x,y,δ(r′))为像素坐标x,y位置下的图像映射距离为d′的被积灰度函数,其中：G区域灰度值:G∈[0,255]；灰度值区间:r′∈(0,r]其中x，y为以矿灯图像照明中心点为坐标原点的同心圆区域坐标值，为同心圆圆心角，

所述像素矩阵包括4*4像素矩阵。

所述步骤4)中所述数据流NAL采用2位11码校验码。

所述步骤5)具体包括：

a)将视频压缩的数据流NAL以2毫秒数据流量为一组，顺序依次细分为6～8组，通过6～8个编码器调制转换，经数字发射基站转换到以447.5M～452.5MHZ,5M带宽的模拟电路的6～8个信道上，采用滤波器I选频同步并行传输，通过井下的漏泄电缆天线发射器发射出去；

b)视频信息经井下空间、漏泄电缆、中继器传输到井上的漏泄电缆天线分路器，天线分路器通过滤波器II将含有数字视频信息的信号分配到6～8个信道；

c)数字接收基站接收来自各个信道内的视频信息，通过解码器中包括的DSP芯片电路对信息内的运动信息进行合并，对图像进行解码，在监控器实时显示。

一种如矿山漏泄电缆视频传输方法的系统，它包括井下矿灯、漏泄电缆和至少一组视频信号采集终端，所述井下矿灯的配光镜边缘设有标识点，所述视频信号采集终端包括摄像头，与摄像头连接的多个编码器，所述多个编码器与数字发射基站连接，所述数字发射基站通过滤波器I与漏泄电缆天线发射器通讯，所述漏泄电缆上依次设有漏泄电缆天线分路器和滤波器II，所述滤波器II与数字接收基站通讯，所述数字接收基站与解码器连接，解码器与视频显示器连接。

所述编码器和所述解码器中包括分别设有的DSP芯片以及与所述DSP芯片连接的数据缓冲存储器；所述漏泄电缆与所述漏泄电缆天线分路器之间还设有中继器。避免信号衰减，有利于保持信号的传输稳定。

本发明的工作原理，通过对采集的矿灯有效照射投影区域通过滤除背景以及对对象区域分块，进行编码预处理，实现初次压缩和二次压缩，再对压缩好的编码合成的视频流进行标准H.264压缩编码，实现有效的视频数据处理，在满足井下低照度、防爆、防尘、防磁性的作业要求前提下，结合漏泄电缆，利用447.5M～452.5MHZ,5M的带宽实现在井下视频图像在较远的范围内可靠传输，而且可以添加放大器或者无线数字微波中继传输机以延长传输距离，监控距离可达数十公里；后期维护简单方便：系统结构简单，出现故障查找容易，维护方便，简单可靠。

本发明有益效果

本发明结构简单，功能完备，优化了算法，大量减少编码，提高视频质量。减少编码，提高网络信息处理能力，可靠性高、速度快。在现有煤矿井下监控网络条件下，无需增加巨大的投入，而且避免死区和视频图像的延时，即可实现高品质图像视频传输，满足生产要求的技术问题。

附图说明

图1为本发明矿山漏泄电缆视频传输方法流程示意图；

图2A为本发明计算矿灯图像有效区域r参数示意图；

图2B为本发明计算矿灯图像有效区域d参数示意图；

图3为本发明矿山漏泄电缆视频传输系统示意图；

图4为本发明中图像流编码前向通道及帧内预测示意图；

图5为本发明中编码预测示意图；

其中:1.井下矿灯，2.摄像头，3.编码器，4.数字发射基站，5.滤波器I，6.漏泄电缆天线发射器，7.中继器，8.漏泄电缆天线分路器，9.滤波器II，10.数字接收基站，11.解码器，12.视频显示器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明

图1、图2A、图2B中，一种矿山漏泄电缆视频传输方法，它包括的步骤是：

1)摄像头跟踪矿灯进行视频监视区域采集，计算矿灯图像有效区域；

2).依照矿灯图像的照明中心点到矿灯图像有效区域外缘之间光强依次减弱，灰度等级依次增大，对矿灯图像有效区域进行二次压缩；

3)预测压缩编码；

4)编码打包为NAL流；

5)将视频压缩的数据流NAL通过多个编码器调制转换到模拟电路对应的多个信道上，采用滤波器选频同步并行传输，经井下的漏泄电缆天线发射器进行发射；井上的漏泄电缆天线分路器接收视频信息并分配为多个信道，数字接收基站接收来自各个信道内的视频信息，通过解码器对图像合并进行解码，在监控器中实时显示。

步骤1)具体包括：

在矿灯配光镜边缘设置标识点,将初次采集的图像平面上的照明中心点与初次采集图像平面中的标识点距离记做r，r＞0；如图2A中，以字母O表示照明中心点，以字母P表示标识点,对采集的视频监视区域进行初次压缩，过滤掉视频监视区域内非矿灯照射区域,获得矿灯图像有效区域编码；

同时由矿灯标识点到矿灯灯丝点光源与光源轴线角度一定,记做θ,θ∈(0,π/2]；

得到如图2B中，图像到矿灯或摄像头间的映射距离：d＝r×ctg(θ)；d≥0；

构造灰度等级函数：δ(r′)＝f(r′,d′)；其中，r′为图像平面上的点距离图像照明中心点的距离；r′∈(0,r]；d′＝r′ctg(θ)；d′∈(0,d]；δ(r′)∈[0,255]。

步骤2)具体包括：

根据δ(r′)＝f(r′,d′)，定义0≤r′≤1范围内的照明中心点区域灰度为0，利用矿灯图像中的照明中心点到矿灯图像有效区域外缘光强依次减弱，灰度等级依次增大划分至少一个同心圆区域，构造矿灯图像有效区域的编码压缩灰度函数：

提取矿灯图像有效区域中各个同心圆区域非重叠区域的像素矩阵，根据H.264标准进行视频数据VCL编码；其中G(x,y,δ(r′))为像素坐标x,y位置下的图像映射距离为d′的被积灰度函数,其中：G区域灰度值:G∈[0,255]；灰度值区间:r′∈(0,r]其中x,y为以矿灯图像照明中心点为坐标原点的同心圆区域坐标值，为同心圆圆心角，

其中，像素矩阵包括4*4像素矩阵。步骤4)中所述数据流NAL采用2位11码校验码。

步骤5)具体包括：

a)将视频压缩的数据流NAL以2毫秒数据流量为一组，顺序依次细分为8组，通过8个编码器调制转换，经数字发射基站转换到以447.5M～452.5MHZ,5M带宽的模拟电路的8个信道上，采用滤波器I选频同步并行传输，通过井下的漏泄电缆天线发射器发射出去；

b)视频信息经井下空间、漏泄电缆、中继器传输到井上的漏泄电缆天线分路器，天线分路器通过滤波器II将含有数字视频信息的信号分配到8个信道；

c)数字接收基站接收来自各个信道内的视频信息，通过解码器中包括的DSP芯片电路对信息内的运动信息进行合并，对图像进行解码，在监控器实时显示。

图3中，实施了一种如矿山漏泄电缆视频传输方法的系统，它包括井下矿灯1、漏泄电缆和至少一组视频信号采集终端，所述井下矿灯1的配光镜边缘设有标识点，所述视频信号采集终端包括摄像头2，与摄像头连接的多个编码器3，所述多个编码器3与数字发射基站4连接，所述数字发射基站4通过滤波器I 5与漏泄电缆天线发射器6通讯，所述漏泄电缆上依次设有漏泄电缆天线分路器8和滤波器II 9，所述滤波器II 9与数字接收基站10通讯，所述数字接收基站10与解码器11连接，解码器11与视频显示器12连接。

编码器3和所述解码器11中包括分别设有的DSP芯片以及与所述DSP芯片连接的数据缓冲存储器；漏泄电缆与漏泄电缆天线分路器8之间还设有中继器7。

在NAL流中，将压缩存储的图象流信息以2毫秒数据流量为一组,依次细分为8组，通过8个编码器转换电路，这里转换电路中可以利用DSP芯片以及其他的控制器实现编、解码，实现数字量与模拟量的转换，转换为8信道的无线信息，通过447.5M～452.5M赫兹的调制电路调制视频信息，并通过漏泄电缆天线发射器发射447.5M～452.5M赫兹无线电磁波到矿井巷道内。利用漏泄电缆经中继、放大、滤波后，将图象视频流上传到地面数字接收基站10电路中，数字接收基站中内置接收器将8个不同信道中的图象视频流汇合为2毫秒内数字视频压缩编码，解码器11按照H.264标准进行解压缩，还原灰度信息、还原视频流信息，完成视频显示。

图4中，使摄像头跟踪矿灯进行视频采集，矿灯上标识点P,可以设在配光镜边缘，使采集到的矿灯照射有效区域视野最大，进而形成视频像素编码流，对采集的视频监视区域进行初次压缩预处理，过滤掉视频监视区域内非矿灯照射区域,获得矿灯图像有效区域；

依照矿灯图像的照明中心点到矿灯图像有效区域外缘之间光强依次减弱，灰度等级依次增大，按H.264标准进行视频数据VCL编码，对采集的对象区域进行二次压缩预处理；

将初次采集的图像平面上的照明中心点与初次采集图像平面中的标识点距离记做r，r＞0；对采集的视频监视区域进行初次压缩，过滤掉视频监视区域内非矿灯照射区域,获得矿灯图像有效区域编码；

同时由矿灯标识点到矿灯灯丝点光源与光源轴线角度一定,记做θ,θ∈(0,π/2]；

得到图像到矿灯或摄像头间的映射距离：d＝r×ctg(θ)；d≥0；

构造灰度等级函数：δ(r′)＝f(r′,d′)；其中，r′为图像平面上的点距离图像照明中心点的距离；r′∈(0,r]；d′＝r′ctg(θ)；d′∈(0,d]；δ(r′)∈[0,255]。

步骤2)具体包括：

根据δ(r′)＝f(r′,d′)，定义0≤r′≤1范围内的照明中心点区域灰度为0，利用矿灯图像中的照明中心点到矿灯图像有效区域外缘光强依次减弱，灰度等级依次增大划分至少一个同心圆区域，构造矿灯图像有效区域的编码压缩灰度函数：

提取矿灯图像有效区域中各个同心圆区域非重叠区域的像素矩阵，根据H.264标准进行视频数据VCL编码；其中G(x,y,δ(r′))为像素坐标x,y位置下的图像映射距离为d′的被积灰度函数,其中：G区域灰度值:G∈[0,255]；灰度值区间:r′∈(0,r]其中x，y为以矿灯图像照明中心点为坐标原点的同心圆区域坐标值，为同心圆圆心角，

其中在初次压缩预处理之后，还可以将该编码数据存储在内存缓冲区中，方便其他数据处理时对该编码的所需。通过二次压缩预处理后的视频压缩编码，可以为接下来了标准的H.264视频编码处理提供数据流，其中相应的进行冗余数据压缩，采用差值脉冲编码调制法(DPCM)对预测误差信号进行变换、量化、熵编码、打包NAL流发送，量化步长可以设为四，这里：NAL流采用2位11码校验码。量化的同时还通过反量化、反变换形成新的预测值进行帧内预测。

图5中，对被积灰度函数G在图中进行了示意，根据灰度等级函数δ(r′)＝f(r′,d′)，围绕图像中的照明中心点编码，定义0≤r′≤1范围内的照明中心点区域灰度为0，编码可以在各个r′构成同心圆非覆盖区域进行，

围绕图像中的照明中心点，

这里，令可得

r1-1+r2-r1+r3-r2+.......+r′-rn＝r′-1；n为自然数；

同理还可有针对性的忽略部分背景，以突出局部细节为目的，采用在各个同心圆按π、2π，按30度间隔划分成12个区间，实施时，围绕图像中的照明中心点编码，对同心圆区域内的编码压缩灰度函数F细分成扇形F1、F2、F12灰度函数区域，每个函数区域，

直至…….

F＝-(F1+F2+.....F12)

其中编码积分区间仍满足：

r1-1+r2-r1+r3-r2+.......+r′-rn＝r′-1；n为自然数

之后，经

对各个同心圆非覆盖区域进行估计运算，进而求取矿灯图像有效区域显示图像。

根据图5方式对矿灯图像有效区域进行H.264标准的矩形像素矩阵编排，然后按H.264标准模式，进行帧内和帧间预测，其中帧内九种预测模式中，采纳H.264标准中规定的3、4、5、6、7、8预测方向，根据4×4亮度信号块的上方、左方已编码且重构的像素(A～Q)用作编解码器中的预测参考像素，比较块中各像素间亮度信号的差值，选最小预测误差方向为最佳预测方向待预测像素(a～p)的值，相当于矿灯照射的环形区域图像进行面向圆心点的预测，减少重合区域的编码。

本发明中通过采集视频图像、对图像一次压缩、二次压缩、H.264压缩之后，通过滤波分成至少一个信道经发射基站通过漏泄电缆与井上天线分路器通讯，之后经滤波器，通过数字接收基站通信接收。再经解码电路进行解码显示。

显而易见的是，上述具体实施方式的描述，并非是对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明技术方案前提下，本领域普通技术人员对技术方案所做出的任何变形和改进仍属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种矿山漏泄电缆视频传输方法，其特征是，它包括的步骤是：

1)摄像头跟踪矿灯进行视频监视区域采集，计算矿灯图像有效区域；

2)依照矿灯图像的照明中心点到矿灯图像有效区域外缘之间光强依次减弱，灰度等级依次增大，对矿灯图像有效区域进行二次压缩；

3)预测压缩编码；

4)编码打包为NAL流；

5)将视频压缩的数据流NAL通过多个编码器调制转换到模拟电路对应的多个信道上，采用滤波器选频同步并行传输，经井下的漏泄电缆天线发射器进行发射；井上的漏泄电缆天线分路器接收视频信息并分配为多个信道，数字接收基站接收来自各个信道内的视频信息，通过解码器对图像合并进行解码，在监控器中实时显示；

所述步骤1)具体包括：

在矿灯配光镜边缘设置标识点,将初次采集的图像平面上的照明中心点与初次采集图像平面中的标识点距离记做r，r＞0；对采集的视频监视区域进行初次压缩，过滤掉视频监视区域内非矿灯照射区域,获得矿灯图像有效区域编码；

同时由矿灯标识点到矿灯灯丝点光源与光源轴线角度一定,记做θ,θ∈(0,π/2]；

得到图像到矿灯或摄像头间的映射距离：d＝r×ctg(θ)；d≥0；

构造灰度等级函数：δ(r′)＝f(r′,d′)；其中，r′为图像平面上的点距离图像照明中心点的距离；r′∈(0,r]；d′＝r′ctg(θ)；d′∈(0,d]；δ(r′)∈[0,255]。

2.如权利要求1所述的矿山漏泄电缆视频传输方法，其特征是，所述步骤2)具体包括：根据δ(r′)＝f(r′,d′)，定义0≤r′≤1范围内的照明中心点区域灰度为0，利用矿灯图像中的照明中心点到矿灯图像有效区域外缘光强依次减弱，灰度等级依次增大划分至少一个同心圆区域，构造矿灯图像有效区域的编码压缩灰度函数：

进行估值运算，提取矿灯图像有效区域中各个同心圆区域非重叠区域的像素矩阵，根据H.264标准进行视频数据VCL编码；其中G(x,y,δ(r′))为像素坐标x,y位置下的图像映射距离为d′的被积灰度函数,其中：G区域灰度值:G∈[0,255]；灰度值区间:r′∈(0,r]其中x，y为以矿灯图像照明中心点为坐标原点的同心圆区域坐标值，为同心圆圆心角，

3.如权利要求2所述的矿山漏泄电缆视频传输方法，其特征是，所述像素矩阵包括4*4像素矩阵。

4.如权利要求1所述的矿山漏泄电缆视频传输方法，其特征是，所述步骤4)中所述数据流NAL采用2位11码校验码。

5.如权利要求1所述的矿山漏泄电缆视频传输方法，其特征是，所述步骤5)具体包括：

a)将视频压缩的数据流NAL以2毫秒数据流量为一组，顺序依次细分为6～8组，通过6～8个编码器调制转换，经数字发射基站转换到以447.5M～452.5MHZ,5M带宽的模拟电路的6～8个信道上，采用滤波器I选频同步并行传输，通过井下的漏泄电缆天线发射器发射出去；

b)视频信息经井下空间、漏泄电缆、中继器传输到井上的漏泄电缆天线分路器，天线分路器通过滤波器II将含有数字视频信息的信号分配到6～8个信道；

c)数字接收基站接收来自各个信道内的视频信息，通过解码器中包括的DSP芯片电路对信息内的运动信息进行合并，对图像进行解码，在监控器实时显示。

6.一种如权利要求1所述的方法的系统，其特征是，它包括井下矿灯、漏泄电缆和至少一组视频信号采集终端，所述井下矿灯的配光镜边缘设有标识点，所述视频信号采集终端包括摄像头，与摄像头连接的多个编码器，所述多个编码器与数字发射基站连接，所述数字发射基站通过滤波器I与漏泄电缆天线发射器通讯，所述漏泄电缆上依次设有漏泄电缆天线分路器和滤波器II，所述滤波器II与数字接收基站通讯，所述数字接收基站与解码器连接，解码器与视频显示器连接；所述编码器和所述解码器中包括分别设有的DSP芯片以及与所述DSP芯片连接的数据缓冲存储器；所述漏泄电缆与所述漏泄电缆天线分路器之间还设有中继器。