CN112511790A - 基于fpga的煤矿高速图像采集与降噪系统及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统及处理方法。该系统包括图像采集部分、图像处理部分、显示部分和通信部分，其中图像采集部分包括图像采集模块；图像处理部分包括电源模块、晶振、JTAG、SDRAM以及FPGA，其中FPGA包括时钟管理模块、图像控制模块、SDRAM控制模块、显示器控制模块、USB控制模块，通过JTAG编程对图像进行增强处理；显示部分包括显示器和监控模块，其中显示器控制模块连接显示器；通信部分包括USB传输模块和光纤收发模块，实现图像信号的USB高速传输；利用USB转光纤，经过USB与TTL电平转换，再利用电信号转光信号，实现光纤的收发。本发明不仅能消除孤立噪音，降低图像灰度值，还能有效增强图像。
Description
技术领域
本发明涉及图像采集领域，特别是基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统及处理方法。
背景技术
在我国煤炭行业是国内工业领域重要能源之一，我国煤炭资源丰富且数量十分多，煤炭开采工作环境多为井工矿，大多是井下开采，并且井下工作环境十分恶劣。于此同时煤矿井下生产工作空间狭小，光线效果不佳，矿下工作人员多且我国的煤矿生产以中小型为主，他们相对不完善的自动化技术是导致事故发生量增大的原因，事故发生后对有用的图像信息不能完好的保存。煤矿井下供电设备陈旧、可靠性不高以及线路杂乱，煤矿井下工作时会产生大量的粉尘，他们对供电设备的破环造成的井下瓦斯爆炸事故十分多。煤矿井下夹杂着大量的粉尘和雾气使得图像清晰度下降，另外图像在煤矿井下的传输等过程中会产生噪声。因此，煤矿视频监控系统中对噪声处理的好坏直接影响图像的效果。
现有技术采用的技术方案如下：
(1)8位或16位单片机：这些单片机的系统时钟频率较低，对于高频采集电路并不能很好的实现，而且大多通过C语言编程。在顺序读取软件的同时浪费时间，很难满足高速图像采集与处理的需求。
(2)DSP与ARM：如今DSP与ARM都具有很高的时钟频率，但是对于多模块逻辑单元的把握性不强，说白了就是并行处理能力差，尤其对复杂的电路的控制力很弱。
(3)目前市面上主流的图像去噪方法为低通滤波法和均值滤波法。低通滤波法虽能有效去除噪音，但会使图像模糊化。均值滤波法对高斯噪音有良好的去噪能力，但会对图像的高频细节造成破坏，使图像模糊化。
(4)目前图像处理的芯片主流是Xilinx，但其成本较高，且在中国市场占有率较低，资料并不完善。
目前市面上主流的矿下图像采集与处理普遍存在以下问题：
(1)视频图像中存在着不均匀亮度。因为井下照明设备的存在，在监控视频中可以发现，距离照明设备近的地方灯光比较亮，所以监控到的视频也比较亮，距离照明设备远的地方，灯光比较暗，所以在监控视频中就比较灰暗。以及一些障碍物的遮挡导致视频中的亮度也不同，灯光地方我们监控到的可能就是一片黑的区域。
(2)视频图像亮度整体偏暗。煤矿井下本身就处于一个黑暗的环境中，灯光的亮度远远达不到视频采集亮度的要求，再加上摄像头的分辨率有限，所以导致整体偏暗。
(3)采集的视频图像色彩信息不健全且目标物体与背景环境颜色类似。煤矿井下环境单一，彩色信息不强，颜色区分度比较低，井下主要是以黑色的煤炭为主，还有一些作业工人的衣服和安全帽的颜色，以及一些煤炭采集设备的颜色，大部分图像呈现出黑色、白色、灰色的色调，不像井上采集的视频颜色比较丰富。井下颜色相似指的是井下煤炭工人都穿着工作服作业，颜色相同。
(4)图像噪声大。由于煤矿井下极其恶劣的环境以及在成像转换过程或传输过程中都加入了各种噪声，这些噪声使得煤矿井下视频图像的细节丢失并导致了图像的模糊。
为消除矿下环境对供配电线路监控系统成像效果的影响，为矿下安全尤其是供配电安全提供先进的图像采集与处理技术，可采用FPGA(Field－ Programmable GateArray)即现场可编程门阵列，它与PAL、GAL、CPLD 等可编程器件共同构成了EDA电子电路设计。FPGA的规模大可代替多至上千块通用的IC芯片。FPGA对定制电路特别适合，在其内部可形成多数量的定制电路，与其他定制电路不足的可编程器件相比有很大优势。FPGA 的内部结构主要有：可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线。它的内部结构与传统逻辑电路相比有所不同。它利用查找表法来实现内部组合逻辑，之后会连接到一个D触发器的输入端，用来驱动FPGA的I/O。在用户编写好逻辑单元后把这些编程数据传输到内部静态存储单元。这些信息对这些逻辑功能的实现起着决定作用，这些逻辑单元控制着FPGA所将要实现的功能。在系统加电时，EPROM将数据传输至RAM中，完成配置。关闭电源后FPGA会失去内部逻辑关系，因此FPGA也是一种可重复编程的逻辑器件。
然而现有基于FPGA图像采集与降噪系统，信号较弱、稳定性较差，现有的处理方法也存在处理速度慢的缺陷；另外在PCB的制作过程中，发现数字信号的地线会带有谐波分量，如果数字地和模拟地连接，该谐波就会对模拟信号产生干扰，即由于数字信号的电源和地线带有谐波分量会产生干扰，导致图像处理效果不理想。
发明内容
针对上述问题，本发明设计了一种基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统及处理方法。该图像采集与降噪系统包括图像采集、图像处理部分、显示部分和通信部分，其中：图像采集部分包括图像采集模块；图像处理部分包括电源模块、晶振、JTAG、SDRAM以及FPGA，其中，FPGA包括时钟管理模块、图像控制模块、SDRAM控制模块、显示器控制模块、USB控制模块，通过JTAG编程对图像进行增强处理；显示部分包括显示器和监控模块，其中显示器控制模块连接显示器；通信部分包括USB传输模块和光纤收发模块，实现图像信号的USB高速传输；其中电源模块、晶振、JTAG 分别连接FPGA，与图像采集模块连接的图像控制模块依次连接SDRAM控制模块、显示器控制模块和显示器，SDRAM控制模块连接SDRAM，USB 控制模块依次连接USB传输模块、光纤收发模块和监控模块，利用USB转光纤，经过USB与TTL电平转换，再利用电信号转光信号，实现光纤的收发。
在一种实施方式中，图像处理部分通过硬件编程语言VerilogHDL对采集的数字信号进行快速中值滤波对图像进行增强处理。
在一种实施方式中，FPGA通过IP核Shift_RAM位移寄存器来实现3 ×3阵列。
在一种实施方式中，FPGA中的时钟管理模块是通过锁相来对系统的时钟偏差进行调整，在整个系统中，全局时钟能够与每个寄存器直接相连，减少延时时间。
在一种实施方式中，图像采集模块为CMOS摄像头，选用OV7725摄像头，OV7725摄像头通过图像控制模块SCCB IIC接口对数据进行配置，从而进行图像数据的采集。
在一种实施方式中，显示器控制模块与显示器之间还连接有数模转换模块。
在一种实施方式中，在电源模块添加两种电容0.1UF与10UF，分别去除高频和低频纹波电压，保证电压的稳定运行。
在一种实施方式中，增加电源及地线宽度，线宽的顺序是地线>电源线> 信号线，信号线宽为0.02至0.3mm之间，电源线线宽为1.2至2mm之间。
在一种实施方式中，信号线最细宽度为0.05至0.07mm之间。
一种基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪处理方法，该处理方法包括上述的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，该处理方法的处理步骤如下：S1、系统上电；S2、初始化寄存器；S3、FPGA时钟调节；S4、采集图像；S5、在FPGA内部对数字信号的场频、行频与时钟进行检测，逐一帧对图像进行采集，一帧采集完毕进行下一步，未完毕继续采集；S6、FPGA预处理；S7、存入FIFO缓存；S8、发出中断请求；S9、处理完毕，进入下一步，未处理完毕进入S12；S10、读取FIFO缓存数据，进入下一步或者进入S13；S11、读取完毕重复S4，未读取完毕重复S10；S12、调节采样速率；S13、系统结束，系统未结束重复S4；S14、输出图像信息。
本发明基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统及处理方法不仅能消除孤立噪音，降低图像灰度值，还能有效增强图像，并通过USB转光纤稳定传输至上位机中显示，用作煤矿井下监控效果非常理想。
附图说明
图1为本发明一种基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统的结构示意图；
图2为本发明一种实施方式的结构示意图；
图3为本发明一种基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪处理方法的流程图；
图4为本发明一种基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统的全局时钟的RTL示意图；
图5为行场效应下摄像头的采集时序图；
图6为位移寄存器结构图；
图7为快速中值滤波RTL示意图；
图8为PCB印制板结构图；
图9为图像采集板结构图；
图10为原始灰度值图片；
图11为FPGA快速中值滤波图片；
其中：JTAG—联合测试工作组；FPGA—现场可编程门阵列；SCCB—串行摄像机控制总线；SDRAM—同步动态随机存储器。
具体实施方式
如图1所示，本发明设计了一种基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统及处理方法。该图像采集与降噪系统包括图像采集、图像处理部分、显示部分和通信部分，其中：图像采集部分包括图像采集模块；图像处理部分包括电源模块、晶振、JTAG、SDRAM以及FPGA，其中，JTAG是联合测试工作组(Joint Test Action Group)的简称，是在名为标准测试访问端口和边界扫描结构的IEEE的标准1149.1的常用名称。此标准用于测试访问端口，使用边界扫描的方法来测试印刷电路板。SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)，即同步动态随机存储器，同步是指内存工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。FPGA包括时钟管理模块、图像控制模块、 SDRAM控制模块、显示器控制模块、USB控制模块，通过JTAG编程对图像进行增强处理；显示部分包括显示器和监控模块，其中显示器控制模块连接显示器；通信部分包括USB传输模块和光纤收发模块，实现图像信号的 USB高速传输；其中电源模块、晶振、JTAG分别连接FPGA，与图像采集模块连接的图像控制模块依次连接SDRAM控制模块、显示器控制模块和显示器，SDRAM控制模块连接SDRAM，USB控制模块依次连接USB传输模块、光纤收发模块和监控模块，利用USB转光纤，经过USB与TTL电平转换，再利用电信号转光信号，实现光纤的收发。
1、系统原理及硬件系统设计
图像采集系统，给FPGA电源通电后，其内部提前编好的摄像头寄存器模块通过SCCB(IIC)进行初始化配置，SCCB(serial camera control bus)，即串行摄像机控制总线。在FPGA控制板内部的ROM中存有摄像头寄存器信息，配置结束后将数字图像DATA输出到FPGA主控芯片，在FPGA内部对该数字信号的场频，行频与时钟进行检测，逐一帧对图像进行采集，由于图像采集的频率与SDRAM的工作频率不同，我们通过FPGA内部自带 FIFO IP软核数字图像信号进行写异步FIFO，然后送入SDRAM存储芯片的接收口，需要图像显示的时候，SDRAM将信号从输出口传送给读异步FIFO，异步FIFO将图像数据输送至VGA显示器进行显示。
如图2所示，分为如下5个部分：
(1)图像采集部分：通过OV7725采集数字图像信息，完成模数转换。
(2)图像处理部分：通过硬件编程语言VerilogHDL对采集的数字信号进行快速中值滤波对图像进行增强处理。
(3)VGA显示部分：将采集的视频信号通过ADV7123数模转换芯片输出模拟视频信号到VGA显示器显示图像。
(4)USB通信部分：采用Cypress的CY7C68013 USB桥接芯片与FPGA 进行通信，实现图像信号的USB高速传输。
(5)光纤收发模块：为解决矿下远距离通信，利用USB转光纤经过USB 与TTL电平转换，在利用电信号转光信号，实现光纤的收发。
本文所设计的JTAG是一种符合IEEE1149.1规范标准的国际测试协议。市场上常用芯片如微处理器(MPU)、微控制器(MCU)、PLD、FPGA、DSP 等都支持JTAG协议。它主要用于电路的边界扫和可编程芯片系统编程。
2、系统软件与逻辑仿真
本系统的软件设计采用VerilogHDL硬件描述语言，它是一种为高速集成电路所服务的硬件描述语言。能够运用较简单的VerilogHDL程序实现复杂的硬件电路的构建，具有强大的设计能力与结构能力。本文设计的软件流程图如3所示。首先系统上电后对寄存器进行配置，调整系统时钟，开始 OV7725摄像头采集数据，再将采集的数据进行处理后给FIFO缓存，FIFO 在给到SDRAM，需要读取数据时候，在给到读FIFO，输出图像。
在本系统中，全局时钟为最重要的系统时钟。时钟作为数字信号系统中保证系统正常运行的必要条件，其可靠性在FPGA设计中非常关键。FPGA 中的时钟管理模块是通过锁相来对系统的时钟偏差进行调整，在整个系统中，全局时钟能够与每个寄存器直接相连，减少延时时间。如图4为Quartus Ⅱ13.0通过系统编译后生成的RTL图。
摄像头在图像采集中起着关键作用，正确驱动摄像头是系统软件设计的关键，本文选用OV7725摄像头，OV7725摄像头通过SCCB(IIC)接口对数据进行配置，通过配置我们可以选择需要的模式选择输出。完成OV7725 摄像头初始化的配置后，便可进行图像数据的采集，图5为OV7725在行场效应下的采集时序图。
3、快速中值滤波在FPGA中的实现
中值滤波目的就是快速找到阵列中的中间值。对于FPGA而言通过IP 核Shift_RAM位移寄存器来实现3×3阵列。图6为位移寄存器的结构框架。首先从行扫描中分别提取其中的最大值MAX123，中值MED123，以及最小值MIN123，然后分别提取最大值中的最小值Min_of_Max123，中值的中间值Med_of_Med123，最小值中的最大值Max_of_Min123,最后取出这3个的中间值即为9个像素的中间值。FPGA并行处理的特点，对于快速处理3×3 阵列并且计算出中值有极大优点。
对系统做总体的编译后完成系统RTL级视图并验证每一步逻辑的正确性，中值滤波RTL视图如图7所示，左路为时钟信号与9个像素的输入，分别为data11到data33，最终输出中值target_data。
4、PCB印制电路板与实验数据采集
本系统主要有了三种独立电压，+5V、+3.3V、+1.2V。由外部电源及其降压芯片提供；所以对电源和地层单独设计。由于电源是系统工作稳定的前提，所以对电源、地线的布线很重要，把电源、地线所产生的干扰降到最低，是保证系统质量的前提条件。通常在电源附近添加2种电容0.1UF与10UF 分别去除高频和低频纹波电压，保证电压的稳定运行。并且电源及地线宽度需要增加，通常线宽的顺序是：地线>电源线>信号线，通常信号线宽为:0.02-0.3mm，最细宽度可达0.05-0.07mm，电源线为1.2-2mm之间。在 PCB的制作过程中，数字信号的地线会带有谐波分量，如果数字地和模拟地连接，该谐波就会对模拟信号产生干扰。
本文在制作了多次PCB印制板的基础上，按照布局原则完成了印制电路板连线，图8为印制板实物，采集效果十分理想。
在上述PCB印制板完成后，完成焊接工作，加载程序，由于环境因素，本次实验是在实验室模拟煤矿井下供配电系统的工作环境，观察采集效果。
图9为实验室通过实验板对实验室实景的图像采集，分别在VGA显示器中显示，并通过USB传输到上位机中电脑端显示图像。
在未经过中值滤波处理前的图像如图10所示。利用FPGA中值滤波对同样的环境图像进行采集，效果如图11所示。通过采集原始灰度值图像与中值滤波图像做对比可以发现，采用中值滤波处理后的图片在滤除噪音的基础上，保留了大部分图像的细节，图像增强效果较为理想。由于中值滤波处理后图像的最大值降低了，所以图像整体偏暗，另由于图像采集过程是在实验室中完成的，采集条件相对理想化，因此噪音的干扰并不是特别明显，所以图片的变化度相对较低。但在井下环境中，采集条件相对较差，噪音干扰比较明显，若采用该系统进行处理，效果应该更为理想。
针对系统电源需求设计硬件电路，通过电源适配器把220V电转化为5V 直流电压，5V电压经过芯片MP2144GJ转化为3.3V与1.2V电压。MP2144GJ 是单片降压开关模式转换器内部功率MOSFET，具有优异的负载和线路调节从2.5V至5.5V的输入电压，可调节到低至0.6V的输出电压。FPGA的内核电压为1.2V，I/O(输入/输出)口电压为3.3V，PLL的模拟电压和数字电压为1.2V。除了FPGA外，硬件电路板的主要外设包含：SDRAM的3.3V 电压，CMOS摄像头3.3V，ADV7123视频编码芯片3.3V，USB通信芯片 3.3V。
为消除矿下环境对供配电线路监控系统成像效果的影响，为矿下安全尤其是供配电安全提供先进的图像采集与处理技术，本发明设计了一种先进的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统。通过VerilogHDL硬件描述语言对各系统模块进行软件编程，生成系统整体RTL视图和Block模块图，再用QuartusⅡ13.0和ModelSim10.1硬件软件仿真验证各模块功能的完整性，并通过FPGA设计移寄存器IP软核实现快速中值滤波算法，最后通过搭建实物实验平台，将实验结果进行对比分析。采用中值滤波处理后的图片在滤除噪音的基础上，保留了大部分图像的细节，图像增强效果较为理想。通过实验可以看出，基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统不仅能消除孤立噪音，降低图像灰度值，还能有效增强图像，并通过USB转光纤稳定传输至上位机中显示。用作煤矿井下监控效果非常理想。
本发明利用了USB转光纤，经过USB与TTL电平转换，再利用电信号转光信号，完美解决了在实验过程中发现的在矿下等复杂环境中进行远距离传输时，信号较弱，稳定性较差的问题。
矿下环境相对较为复杂，对采集到的实时画面处理的快速性要求更高，本发明所采用的快速中值滤波算法，在实测过程中发现，通过IP核 Shift_RAM位移寄存器来实现3×3阵列，与5×5、7×7阵列相比，处理效果相差不大，但3×3阵列更为迅速。
在印制PCB板的过程中发现，数字信号的电源和地线会带有谐波分量，为将电源和地线所产生的干扰降到最低，通过反复测试，发现在电源附近加 0.1UF和12UF的电容，滤除高频和低频谐波效果最佳。本发明在理论分析的基础上，从处理效果、快速性，以及远距离稳定传输等方面进行了改进，设计制作出了特有的PCB板，并通过反复试验，解决了电源及地线所带来的谐波分量的问题。
从处理方式来说，图像的处理方法不局限于目前所流行的几种，在以后的方案中可以选用其他的图像处理方法跟本发明的硬件相结合，应该能达到更为理想的处理效果。
从采集图像的角度来说，可以将摄像头换成高清摄像头，采用相应的驱动程序，更能达到理想的采集目的，本发明在测试阶段所采用的摄像头为一般摄像头，处理结果都较为理想，若换为高清摄像头，效果应该会更为理想。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，其特征在于，该系统包括图像采集部分、图像处理部分、显示部分和通信部分，其中：
图像采集部分包括图像采集模块；
图像处理部分包括电源模块、晶振、JTAG、SDRAM以及FPGA，其中，FPGA包括时钟管理模块、图像控制模块、SDRAM控制模块、显示器控制模块、USB控制模块，通过JTAG编程对图像进行增强处理；
显示部分包括显示器和监控模块，其中显示器控制模块连接显示器；
通信部分包括USB传输模块和光纤收发模块，实现图像信号的USB高速传输；
其中电源模块、晶振、JTAG分别连接FPGA，与图像采集模块连接的图像控制模块依次连接SDRAM控制模块、显示器控制模块和显示器，SDRAM控制模块连接SDRAM，USB控制模块依次连接USB传输模块、光纤收发模块和监控模块，利用USB转光纤，经过USB与TTL电平转换，再利用电信号转光信号，实现光纤的收发。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，其特征在于，图像处理部分通过硬件编程语言对采集的数字信号进行快速中值滤波对图像进行增强处理。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，其特征在于，FPGA通过IP核位移寄存器来实现3×3阵列。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，其特征在于，FPGA中的时钟管理模块是通过锁相来对系统的时钟偏差进行调整，在整个系统中，全局时钟能够与每个寄存器直接相连，减少延时时间。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，其特征在于，图像采集模块为CMOS摄像头，选用OV7725摄像头，OV7725摄像头通过图像控制模块SCCBIIC接口对数据进行配置，从而进行图像数据的采集。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，其特征在于，显示器控制模块与显示器之间还连接有数模转换模块。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，其特征在于，在电源模块添加两种电容0.1UF与10UF，分别去除高频和低频纹波电压，保证电压的稳定运行。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，其特征在于，增加电源及地线宽度，线宽的顺序是地线>电源线>信号线，信号线宽为0.02至0.3mm之间，电源线线宽为1.2至2mm之间。
9.根据权利要求8所述的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，其特征在于，信号线最细宽度为0.05至0.07mm之间。
10.一种基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪处理方法，其特征在于，该处理方法包括根据权利要求1至9任一项所述的基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统，该处理方法的处理步骤如下：
S1、系统上电；
S2、初始化寄存器；
S3、FPGA时钟调节；
S4、采集图像；
S5、在FPGA内部对数字信号的场频、行频与时钟进行检测，逐一帧对图像进行采集，一帧采集完毕进行下一步，未完毕继续采集；
S6、FPGA预处理；
S7、存入FIFO缓存；
S8、发出中断请求；
S9、处理完毕，进入下一步，未处理完毕进入S12；
S10、读取FIFO缓存数据，进入下一步或者进入S13；
S11、读取完毕重复S4，未读取完毕重复S10；
S12、调节采样速率；
S13、系统结束，系统未结束重复S4；
S14、输出图像信息。
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