CN104506815A - 基于fpga的远距离图像监控装置及监控方法 - Google Patents
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Abstract
基于FPGA的远距离图像监控装置及监控方法，涉及图像处理领域。它为了解决目前市场上针对当前工业厂房、农业大棚等场所的图像监控装置信号处理速度慢、成本较高的问题。本发明的图像采集端布置在厂房、农业大棚和机房等场所；监控终端布置在远端的监控室内。监控终端通过无线收发模块向图像采集端发送监控指令，图像采集端开始每隔一定的时间采集一幅图像，然后对图像进行压缩和无线传输，图像采集端的摄像头上装有伺服电机，可以通过监控终端发来的无线指令改变拍摄角度。监控终端将接收到的压缩图像进行显示。本发明能够快速实现图像压缩、传输和显示，且成本低，通信距离远，能够根据具体的应用场合进行功能扩展，有着很强的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理领域。
背景技术
进入21世纪，数字信号越来越多的得到人们的应用。例如计算机、数字电视等等，但是图像信号经过数字化之后，它的数据量变得非常的巨大，占据了很多的存储空间，给信息的存储和传输带来了一定的压力。对于无线传输来讲，图像压缩的手段是唯一的选择。随着科学技术的发展，图像监测和无线传输装置不断的推陈出新。目前市场上小规模的图像监测产品多采用数字信号处理器(DSP)、ARM等处理器实现，存在着价格昂贵、实现复杂的缺点，有人研制出了一些采用H.263、H.264等方法实现的产品，它们属于视频压缩系统，需要传送连续的图像信号，功耗较大，而且当采用无线方式传输时速度较慢。事实上，很多情况下并不总需要传输活动的实时图像信息，只需要几秒钟传送一幅静止图像即可实现监控的功能，比方说工业厂房、农业大棚、仓库、停车场等，这些场合需要使用灵活、轻巧便利且价格低廉的图像监控设备。而且多数的监控系统中控制摄像头转动的伺服电机都使用单独的单片机等处理器实现的，元器件较多，体积较大，导致图像监控装置信号处理速度慢，且成本高。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前市场上针对当前工业厂房、农业大棚等场所的图像监控装置信号处理速度慢、成本较高的问题，提供一种基于FPGA的远距离图像监控装置及监控方法。
本发明所述的基于FPGA的远距离图像监控装置包括图像采集端和监控终端，所述图像采集端包括图像采集模块1、图像压缩模块2和一号无线收发模块3；监控终端包括二号无线收发模块4和图像显示模块5；
图像采集模块1包括摄像头1-1、模数转换器1-2和伺服电机1-3；伺服电机1-3用于带动摄像头1-1转动，摄像头1-1采集到的图像经模数转换器1-2进行模数转换后，发送至图像压缩模块2；
图像压缩模块2包括一号FPGA2-1、一号数据存储器2-2和一号程序存储器2-3；一号FPGA2-1用于对图像采集模块1发来的图像进行JPEG压缩处理，并将压缩后的图像信息传给一号无线收发模块3，以及接收一号无线收发模块3发来的监控和伺服控制指令，并驱动伺服电机1-3转动；一号数据存储器2-2用于存储图像压缩过程中的中间数据，一号程序存储器2-3用于存储一号FPGA2-1的程序；
一号无线收发模块3包括一号无线收发器3-1和一号天线3-2；一号无线收发器3-1用于将图像压缩模块2发来的图像信息进行调制，然后传给一号天线3-2进行无线发送，一号天线3-2还用于接收监控终端发来的监控和伺服控制指令，并将该指令发送至一号FPGA2-1；
二号无线收发模块4包括二号无线收发器4-1和二号天线4-2；二号天线4-2用于接收图像采集端发送来的信号，并将该信号发送给二号无线收发器4-1，二号天线4-2还用于接收二号无线收发器4-1发来的监控和伺服控制指令，并将该监控和伺服控制指令进行无线发送，二号无线收发器4-1对二号天线4-2发来的信号进行解调，并将解调后的信号发送给图像显示模块5，二号无线收发器4-1还用于接收图像显示模块5发来的监控和伺服控制指令，并将该监控和伺服控制指令通过二号天线4-2传送给图像采集端；
图像显示模块5包括二号FPGA5-1、二号数据存储器5-2、二号程序存储器5-3、控制面板5-4、数模转换器5-5和显示器5-6，二号FPGA5-1用于将二号无线收发模块4发来的信号即压缩图像信息发送给数模转换器5-5以进行数模转换，数模转换器5-5将图像信号进行数模转换后发送给图像显示器5-6进行显示，二号数据存储器5-2用于存储图像数据，二号程序存储器5-3用于存储二号FPGA5-1的程序，二号FPGA5-1还用于向二号无线收发模块4发送监控和伺服控制指令，控制面板5-4用于向二号FPGA5-1输入监控和伺服控制指令。
上述装置的监控方法包括以下步骤：
步骤一：在监控终端开启监控命令，同时适当调整摄像头角度，使之对准待监测的区域；
步骤二：图像采集端开始每隔一段时间t采集一幅图像信号，并调用JPEG图像压缩和无线传输程序，最后由一号FPGA2-1控制一号无线传输模块3将压缩后的图像信号发送出去；所述时间t通过监控终端设定；
步骤三：监控终端收到图像采集端发来的图像信号压缩后，将其在显示器5-6上显示。
本发明所述的基于FPGA的远距离图像监控装置包括图像采集端和监控终端两部分，图像采集端布置在厂房、农业大棚和机房等场所；监控终端布置在远端的监控室内。首先监控终端通过二号无线收发模块向图像采集端发送监控指令，图像采集端通过一号无线收发模块接收到监控指令后，开始每隔一定的时间采集一幅图像，然后对图像进行压缩和无线传输，图像采集端的摄像头上装有伺服电机，可以通过监控终端发来的无线指令控制它进行转动，进而来改变拍摄角度。监控终端接收到图像采集端传来的压缩图像信号后，在显示器上进行显示。
上述装置各项指标如下：
(1)采集图像大小：320×256灰度像素；
(2)压缩率：10:1～20:1，根据具体图像而定；
(3)压缩速率：最快可达到0.4s/帧，可调整；
(4)无线传输速率：0.5Mbps；
(5)传输距离800米；
(5)成本：≤3000元。
上述装置和该装置的监控方法利用FPGA运行速度快、处理精度高和开发成本低等特点，同时结合无线通信模块，不需要长距离有线传输，可以在较短的时间内实现图像信号的压缩和无线传输。本发明根据实际监控应用中结构简单、清晰度高、实时性强和成本低廉的需要，利用JPEG技术把待传输的图像信息进行压缩，通过无线通信模块进行GFSK调制，在接收端进行解调并进行原图像的显示。本发明将图像压缩、伺服电机控制以及无线传输控制都放在FPGA内进行实现，降低了设计复杂度，减少了元器件数量。在进行不同图像的压缩时，压缩率均能保证大于10:1，且系统体积较小、处理精度极高，图像信号处理速度快。本发明能够应用在恶劣测量环境上，为许多工程领域提供了很好的监控手段，能够广泛的应用于工业生产、机房、农业大棚、仓库、停车场等场所，并且能够根据具体的应用场合进行功能扩展，有着很强的实用价值和很好的应用前景。
附图说明
图1为实施方式一所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的原理框图；
图2为实施方式四所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的原理框图；
图3为实施方式五所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于FPGA的远距离图像监控装置包括图像采集端和监控终端，所述图像采集端包括图像采集模块1、图像压缩模块2和一号无线收发模块3；监控终端包括二号无线收发模块4和图像显示模块5；
图像采集模块1包括摄像头1-1、模数转换器1-2和伺服电机1-3；伺服电机1-3用于带动摄像头1-1转动，摄像头1-1采集到的图像经模数转换器1-2进行模数转换后，发送至图像压缩模块2；
图像压缩模块2包括一号FPGA2-1、一号数据存储器2-2和一号程序存储器2-3；一号FPGA2-1用于对图像采集模块1发来的图像进行JPEG压缩处理，并将压缩后的图像信息传给一号无线收发模块3，以及接收一号无线收发模块3发来的监控和伺服控制指令，并驱动伺服电机1-3转动；一号数据存储器2-2用于存储图像压缩过程中的中间数据，一号程序存储器2-3用于存储一号FPGA2-1的程序；
一号无线收发模块3包括一号无线收发器3-1和一号天线3-2；一号无线收发器3-1用于将图像压缩模块2发来的图像信息进行调制，然后传给一号天线3-2进行无线发送，一号天线3-2还用于接收监控终端发来的监控和伺服控制指令，并将该指令发送至一号无线收发器3-1；
二号无线收发模块4包括二号无线收发器4-1和二号天线4-2；二号天线4-2用于接收图像采集端发送来的信号，并将该信号发送给二号无线收发器4-1，二号天线4-2还用于接收二号无线收发器4-1发来的监控和伺服控制指令，并将该监控和伺服控制指令进行无线发送，二号无线收发器4-1对二号天线4-2发来的信号进行解调，并将解调后的信号发送给图像显示模块5，二号无线收发器4-1还用于接收图像显示模块5发来的监控和伺服控制指令，并将该监控和伺服控制指令通过二号天线4-2传送给图像采集端；
图像显示模块5包括二号FPGA5-1、二号数据存储器5-2、二号程序存储器5-3、控制面板5-4、数模转换器5-5和显示器5-6，二号FPGA5-1用于将二号无线收发模块4发来的信号即压缩图像信息发送给数模转换器5-5以进行数模转换，数模转换器5-5将图像信号进行数模转换后发送给图像显示器5-6进行显示，二号数据存储器5-2用于存储图像数据，二号程序存储器5-3用于存储二号FPGA5-1的程序，二号FPGA5-1还用于向二号无线收发模块4发送监控和伺服控制指令，控制面板5-4用于向二号FPGA5-1输入监控和伺服控制指令。
本实施方式所述的基于FPGA的远距离图像监控装置包括两部分：图像采集端和监控终端。图像采集端安装在监测现场，监控终端安装在远方的监控室内。在图像采集端，摄像头1-1首先采集静态图像，摄像头1-1上装有伺服电机1-3，该伺服电机1-3可在远方监控终端传来的无线信号指令的作用下灵活的转动，以调整拍摄角度。摄像头1-1采集到静态图像后，再由一号FPGA2-1组成的图像压缩系统实现图像的压缩，一号无线收发模块3对压缩后的图像信号进行GFSK调制，然后进行无线发送；在监控终端，首先利用二号无线收发模块4来接收图像采集端传来的压缩后的图像信息，并对该图像信息进行解调，然后在二号FPGA5-1的控制下，通过显示器5-6将图像信息显示出来。控制面板5-4上带有按键，负责启动图像采集端的工作，以及设置摄像头1-1的拍摄角度。控制面板5-4也可采用触摸屏实现。与数字信号处理器相比，现场可编程门阵列(即FPGA)内部资源丰富，可以根据任务特点构造并行处理机制，并且处理速度更快，不需较高的输入时钟就可以达到较大的数据吞吐量，满足任务需求。
具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的进一步限定，本实施方式中，所述的一号FPGA2-1内嵌入由软件实现的模块，该模块包括以下单元：
图像压缩单元：对图像采集模块1发来的图像进行JPEG压缩处理，并将处理后的图像信息发送给一号无线收发模块3；
电机驱动单元：根据监控终端发来的监控和伺服控制指令驱动伺服电机1-3转动，使摄像头1-1对准待监控区域。
具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的进一步限定，本实施方式中，所述的二号FPGA5-1内嵌入由软件实现的模块，该模块包括以下单元：
显示单元：用于控制显示器5-6显示经过数模转换后的图像；
监控和伺服控制单元：用于将用户设定的监控和伺服控制命令转换成伺服电机1-3能够识别的指令，并将该指令发送给二号无线收发模块4。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的进一步限定，本实施方式中，所述的图像压缩模块2还包括图像加密卡2-4，一号FPGA2-1对图像进行JPEG压缩处理后，经过图像加密卡2-4加密处理，然后再发送给一号无线收发模块3，所述的图像显示模块5还包括图像解密卡5-7，图像采集端发来的信号经二号无线收发模块4接收后，经图像解密卡5-7解密处理，然后再发送给二号FPGA5-1。
当需要对传输的图像信号保密时，可在图像压缩模块2中加入图像加密卡2-4，在图像采集端，图像压缩后先经过加密处理，再送给无线收发模块3进行发送；在监控终端，图像显示模块5中加入图像解密卡5-7，即图像显示前先经过解密处理。
具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的进一步限定，本实施方式中，所述的一号无线收发模块3和二号无线收发模块4均包括扩频/解扩器；在图像采集端，扩频/解扩器对一号FPGA2-1压缩后的图像信息进行扩频处理，然后再发送给一号无线收发模块3进行发送；在监控终端，二号无线收发器4-1将图像采集端发来的信号发送给扩频/解扩器进行解扩处理，然后再发送给二号FPGA5-1。
在图像采集端，图像压缩后先经过扩频处理，再送给一号无线收发模块3进行发送；在监控终端，图像信息先经过解扩处理，然后再进行图像显示。扩频和解扩能够对传输的图像信号起到保密作用。
具体实施方式六：本实施方式是对实施方式一所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的进一步限定，本实施方式中，所述的一号FPGA2-1和二号FPGA5-1均采用XC2V6000现场可编程门阵列。
具体实施方式七：本实施方式是对实施方式一所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的进一步限定，本实施方式中，所述的一号无线收发器3-1和二号无线收发器4-1均采用nRF24L01+无线通信模块。
具体实施方式八：本实施方式是对实施方式一所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的进一步限定，本实施方式中，所述的伺服电机1-3为步进电机。
具体实施方式九：本实施方式是实施方式一所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的监控方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：在监控终端开启监控命令，同时适当调整摄像头角度，使之对准待监测的区域；
步骤二：图像采集端开始每隔一段时间t采集一幅图像信号，并调用JPEG图像压缩和无线传输程序，最后由一号FPGA2-1控制一号无线传输模块3将压缩后的图像信号发送出去；所述时间t通过监控终端设定；
步骤三：监控终端收到图像采集端发来的图像压缩信号后，将其在显示器5-6上显示。
Claims (9)
1.基于FPGA的远距离图像监控装置，包括图像采集端和监控终端，其特征在于：所述图像采集端包括图像采集模块(1)、图像压缩模块(2)和一号无线收发模块(3)；监控终端包括二号无线收发模块(4)和图像显示模块(5)；
图像采集模块(1)包括摄像头(1-1)、模数转换器(1-2)和伺服电机(1-3)；伺服电机(1-3)用于带动摄像头(1-1)转动，摄像头(1-1)采集到的图像经模数转换器(1-2)进行模数转换后，发送至图像压缩模块(2)；
图像压缩模块(2)包括一号FPGA(2-1)、一号数据存储器(2-2)和一号程序存储器2-3；一号FPGA(2-1)用于对图像采集模块(1)发来的图像进行JPEG压缩处理，并将压缩后的图像信息传给一号无线收发模块(3)，以及接收一号无线收发模块(3)发来的监控和伺服控制指令，并驱动伺服电机(1-3)转动；一号数据存储器(2-2)用于存储图像压缩过程中的中间数据，一号程序存储器(2-3)用于存储一号FPGA(2-1)的程序；
一号无线收发模块(3)包括一号无线收发器(3-1)和一号天线(3-2)；一号无线收发器(3-1)用于将图像压缩模块(2)发来的图像信息进行调制，然后传给一号天线(3-2)进行无线发送，一号天线(3-2)还用于接收监控终端发来的监控和伺服控制指令，并将该指令发送至一号无线收发器(3-1)；
二号无线收发模块(4)包括二号无线收发器(4-1)和二号天线(4-2)；二号天线(4-2)用于接收图像采集端发送来的信号，并将该信号发送给二号无线收发器(4-1)，二号天线(4-2)还用于接收二号无线收发器(4-1)发来的监控和伺服控制指令，并将该监控和伺服控制指令进行无线发送，二号无线收发器(4-1)对二号天线(4-2)发来的信号进行解调，并将解调后的信号发送给图像显示模块(5)，二号无线收发器(4-1)还用于接收图像显示模块(5)发来的监控和伺服控制指令，并将该监控和伺服控制指令通过二号天线(4-2)传送给图像采集端；
图像显示模块(5)包括二号FPGA(5-1)、二号数据存储器(5-2)、二号程序存储器(5-3)、控制面板(5-4)、数模转换器(5-5)和显示器(5-6)，二号FPGA(5-1)用于将二号无线收发模块(4)发来的信号即压缩图像信息发送给数模转换器(5-5)以进行数模转换，数模转换器(5-5)将图像信号进行数模转换后发送给图像显示器(5-6)进行显示，二号数据存储器(5-2)用于存储图像数据，二号程序存储器(5-3)用于存储二号FPGA(5-1)的程序，二号FPGA(5-1)还用于向二号无线收发模块(4)发送监控和伺服控制指令，控制面板5-5用于向二号FPGA(5-1)输入监控和伺服控制指令。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的远距离图像监控装置，其特征在于：所述的一号FPGA(2-1)内嵌入由软件实现的模块，该模块包括以下单元：
图像压缩单元：对图像采集模块(1)发来的图像进行JPEG压缩处理，并将处理后的图像信息发送给一号无线收发模块(3)；
电机驱动单元：根据监控终端发来的监控和伺服控制指令驱动伺服电机(1-3)转动，使摄像头(1-1)对准待监控区域。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的远距离图像监控装置，其特征在于：所述的二号FPGA(5-1)内嵌入由软件实现的模块，该模块包括以下单元：
显示单元：用于控制显示器(5-6)显示经过数模转换后的图像；
监控和伺服控制单元：用于将用户设定的监控和伺服控制命令转换成伺服电机(1-3)能够识别的指令，并将该指令发送给二号无线收发模块(4)。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的远距离图像监控装置，其特征在于：所述的图像压缩模块(2)还包括图像加密卡(2-4)，一号FPGA(2-1)对图像进行JPEG压缩处理后，经过图像加密卡(2-4)加密处理，然后再发送给一号无线收发模块(3)，所述的图像显示模块(5)还包括图像解密卡(5-7)，图像采集端发来的信号经二号无线收发模块(4)接收后，经图像解密卡(5-7)解密处理，然后再发送给二号FPGA(5-1)。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的远距离图像监控装置，其特征在于：所述的一号无线收发模块(3)和二号无线收发模块(4)均包括扩频/解扩器；在图像采集端，扩频/解扩器对一号FPGA(2-1)压缩后的图像信息进行扩频处理，然后再发送给一号无线收发模块(3)进行发送；在监控终端，二号无线收发器(4-1)将图像采集端发来的信号发送给扩频/解扩器进行解扩处理，然后再发送给二号FPGA(5-1)。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的远距离图像监控装置，其特征在于：所述的一号FPGA(2-1)和二号FPGA(5-1)均采用XC2V6000现场可编程门阵列。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的远距离图像监控装置，其特征在于：所述的一号无线收发器(3-1)和二号无线收发器(4-1)均采用nRF24L01+无线通信模块。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA的远距离图像监控装置，其特征在于：所述的伺服电机(1-3)为步进电机。
9.权利要求1所述的基于FPGA的远距离图像监控装置的监控方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：在监控终端开启监控命令，同时适当调整摄像头角度，使之对准待监测的区域；
步骤二：图像采集端开始每隔一段时间t采集一幅图像信号，并调用JPEG图像压缩和无线传输程序，最后由一号FPGA(2-1)控制一号无线传输模块3将压缩后的图像信号发送出去；所述时间t通过监控终端设定；
步骤三：监控终端收到图像采集端发来的图像压缩信号后，将其在显示器(5-6)上显示。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150408 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |