基于现代煤矿监控系统的高清智能网络摄像机的应用研究

何玲玲,王勇

（1.深圳技师学院中德智造学院，广东 深圳 518116; 2.深圳信息职业技术学院招生就业办公室,广东 深圳 518172）

基于现代煤矿监控系统的高清智能网络摄像机的应用研究

何玲玲1,王勇2

（1.深圳技师学院中德智造学院，广东 深圳 518116; 2.深圳信息职业技术学院招生就业办公室,广东 深圳 518172）

本文设计了一款采用H.264编码标准的1080P高清网络摄像机设计方案，实现了高压缩比采集和传输高清视频信号，并支持煤矿监控的智能化视频分析应用。该款高清网络摄像机是以Aptina CMOS图像传感器和海思高性能SOC处理器为设计基础的，符合当今煤矿行业安全监控管理的发展需要。

视频监控；网络摄像机；高清1080P

引言

煤炭是我国主要的能源资源，由于煤矿开采在地下环境，极易发生塌方、瓦斯爆炸等人员伤亡事故，煤矿井下工作一向有着很高的危险性。通过使用视频监控技术对井下工作面的状况进行远程监控与管理，使得井上的安全生产管理人员能实时的监视井下工作现场的生产情况并提醒可疑的违规操作，避免安全事故的发生，防患于未然。

目前，在煤矿普遍使用的传统模拟监控系统，清晰度已经不足以有效的还原现场，分辨细节，同时也存在不易存储，不能分享，不能远程管理的问题。而数字高清视频监控的成熟，为煤矿监控的更新换代提供了完善的技术手段。网络摄像机技术的成熟，为智能视频分析技术在前端应用，提供了可行的技术条件。

煤矿行业一直被称为“高危”行业，对生产作业的安全性要求较高，因此对视频监控图像的清晰度提出了更高的要求。图像越清晰，细节越明显，智能视频分析等应用业务的准确度也越高，视频监控对图像高清度的需求几乎是永无止境的。比如将局部图像全屏显示时，图像仍具有很高分辨率，并不出现马赛克现象；识别车辆牌照和人员面部特征时，足够的像素数才能得到较高识别率。

安防监控行业目前主流的分辨率已经达到1920x1080/30fps的高清实时采集与传输，在H.264编码标准压缩实时视频时，码率在2～4 Mbps。应用于煤矿行业，将具有以下显著的优点：

（1）高清摄像机在同样的场景下具有的清晰度更高。1080P分辨率的可用像素数达到200W，是720P可用像素数的2.25倍以及D1的5倍，对于拍摄相同视场角度的同一场景，能够有更多的信息量去还原场景中的细节，对同一目标分辨的更清晰真实。

（2）高清摄像机采用CMOS感光组件，相较于传统的CCD感光器件，采用逐行扫描方式，提供更好的图像质量和更新率，使图像细节更加清晰和细腻，能有效解决隔行扫描带来的梳状模糊等现象。视频分析算法的基础条件就是高质量的图像，这对井下工人行为识别、工作现场分析等智能视频应用具有重要意义。

（3）在高清视频监控系统架构中，一台高清摄像机的监控效果可以超过数台普通摄像机，图像分辨率更高、有效信息更丰富，而且配合云台使用，其监控覆盖角度和场景深度也更广更深。高清视频监控系统比传统监控系统的点数少，线路布设容易，工程规模与造价更低，可以有效地缩减系统规模，减少前后端设备配置，减少系统维护的运营的人力，大大降低系统建设成本。

本文采用H.264编码标准，具备智能视频分析功能的1080P高清网络摄像机十分适合在现代矿井安全生产高清监控系统中使用。本文设计的高清网络摄像机采用Aptina CMOS图像传感器和海思高性能SOC处理器，应用于煤矿视频监控系统，能实时监视井下作业情况，为矿井的安全生产提供了技术保障。

1 系统设计

网络摄像机是视频监控系统核心，摄像机传来的视频号经数字化再进行图像处理、编码压缩，通过网络总线传送到Web服务器。网络上用户无需其他主机控制，可以直接用浏览器观看Web服务器上的图像。

图1 高清网络摄像机系统框图Fig.1 Hd network camera block diagram

本文设计的高清网络摄像机系统设计如图1所示，该图表示了系统核心芯片之间的信号传输关系。Aptina CMOS图像传感器通过光敏二极管进行将图像转换为数字信号；主处理器Hi3516C对图像传感器采集到的光电信号进行数字处理，然后按照H.264标准对视频流进行编码压缩；以太网PHY芯片RTL8201EL把编码后的视频流传输到网络上。网络用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的图像。下面就框图中的主处理器和核心板等主要芯片做详细说明。

1.1 主处理器

本文设计的高清网络摄像机采用海思半导体公司的Hi3516C为主处理器。Hi3516C是海思为高清摄像机开发的一款专业型高端SOC芯片，支持1080P/30fps的H264多码流编码技术，提供高效优质的编码视频质量，提供高性能的智能加速引擎，使客户在满足差异化的高清摄像机产品功能、性能、图像质量要求的同时，可有效降低设计与生产成本。

图2 Hi3516C架构图Fig.2 Architecture diagram of Hi3516C

Hi3516C作为海思行业专用型HD IP摄像机SOC，集成新一代ISP，优化后的编码前图像处理算法和H.264编码器，并且采用了先进低功耗工艺和低功耗架构设计，在低码率、高画质、低功耗等方面处于行业领先水平。Hi3516C集成POR、RTC、Audio Codec以及待机唤醒电路，为客户极大的降低了ebom成本，且与海思DVR/NVR芯片相似的接口设计，能使客户方便的进行产品开发和量产。

Hi3516C具有以下一些主要的功能特点：

（1）大视角：

在相同分辨率下，5M的视场范围是2M的2倍。

（2）超高分辨率：

在相同视场角条件下，5M水平清晰度达到1500线以上。

（3）低噪度：

低照度摄像机是指在较低光照度的条件下仍然可以拍摄清晰的图像。对于最低照度的级别划分：暗光级：0.1Lux；月光级：0.01Lux；星光级：0.001Lux及以下；

（4）领先的多帧Line/Frame Base WDR技术：

在明暗对比强烈场景中，Line/Frame Base WDR技术通过控制图像传感器，分别对前后相接的多帧图像进行长短时长的曝光，进行不同区域的裁剪并合成一副画面，得到清晰图像。

（5）ROI感兴趣区域编码技术：

通过对不同区域实现不同帧率、清晰度的调节，使用户在感兴趣区域图像质量不损失的前提下，达到减少网络带宽占用，节省存储容量的目的。

（6）Defog数字去雾技术：

通过在芯片内部集成的ISP算法，检测画面中雾化程度并进行分块分区域进行图像亮度、对比度、色彩等方面的调节，减少雾霾对成像质量的影响。

（7）DIS数字图像稳定技术：

数字图像稳定，又叫“电子防抖”，可有效的减少或消除由于摄像机安装平台不稳定形成的画面抖动，通过缓存sensor像素和智能的参照物定位算法，使监控画面始终居中，使图像中的物体稳定。

（8）LDC镜头畸形校正技术：

通过智能选定参考物，修正由于镜头畸变导致的物体变形，达到还原真实场景的目的。

（9）支持Rotation走廊模式：

在特殊应用中，摄像机希望获得更多纵向数据，得到6:19图像信息，通过垂直安装摄像机并启动“走廊模式”可使得图像正常的情况下使得sensor采集更多纵向信息。

（10）智能硬件加速核心IVE：

海思半导体独树一帜的智能硬件可自行运行和加载复杂的视频分析算法，这极大的降低系统对主控CPU性能的需求，为智能视频产品的普及化开辟了新的道路。

1.2 图像传感器

图像传感器是网络摄像机的重要组成部分。根据元件的不同，目前图像传感器分为CCD（电耦合元件）和CMOS（金属氧化物半导体元件）两种主要技术， CCD传感器虽然有灵敏度高、低照度效果好、色彩还原能力强等优点，但其响应速度低，无法满足高清监控摄像机采用的逐行扫描方式，因此高清监控摄像机基本采用响应快、功耗小、集成度高的CMOS传感器。CMOS比较CCD最主要的优势是功耗小，但灵敏度较低，对光线的要求比较高。目前采用最新背照技术的CMOS传感器，与表面照射型CMOS传感器相比，背照式CMOS在灵敏度上优势突显，显著提高低光照条件下的拍摄效果。本文采用1080P专用的背照式CMOS器件，其灵敏度性能已经与CCD接近，达到了网络摄像机在低照度条件下的灵敏度要求。

在满足煤矿用户对像元尺寸、图像质量、低照度条件和系统造价等各方面要求的前提下，本设计为了追求高稳定性，低成本的系统方案配置，图像传感器选用了Aptina公司的全高清1080p60图像传感器AR0330RC，该芯片采用背照技术，主要技术参数如下：靶面1/3英寸，像素2052*1536，60帧/秒，数据位宽10/12bit，时钟频率54MHz。像素设计2.2微米，采用Aptina A-Pix技术，支持并行接口选项和2通道MIPI输出，采用CPS封装(6.28mm*6.65mm)。图3给出了Aptina公司的图像传感器AR0330CS架构图。

图3 AR0330CS架构图Fig.3 Architecture diagram of AR0330CS

1.3 核心板的设计

核心板是以海思IPC4689D为基础，进行二次开发设计，具备以下功能性能与接口：300万宽动态CMOS传感器,三层标准38mm*38mm板；接口丰富：音频输入输出、复位、报警输入输出、RS422/RS485、TF卡接口，支持日夜转换（支持选配IRCUT）感红外,支持光敏电阻信号联动，适合装多功能型（音/视频、报警、WIFI）半球和海螺，也适合装多功能型红外枪机；H.264/H.265视频编码，支持双码流，最高分辨率2560*1080，彩色0.05Lux@F1.2,黑白0.01 Lux@F1.2。图4给出了核心板的PCB板。具体性能指标见表1

图4 核心PCB板Fig.4 The core printed circuit board

表1 核心板性能指标Tab.1 Performance index of the core printed circuit board

2 智能视频分析技术的应用

Hi3516C处理器内置有智能硬件加速核心IVE，支持场景识别、运动目标侦测、周界防范、视频质量诊断等多种智能分析应用。

（1）运动目标侦测

a)加载用户的预定义规则，进行算法的预处理，如防区设定、分析模式等。

b)对特殊场景进行过滤预处理，如防抖动、雨、雪、强灯光抑制等。

c)建立背景模型，自动学习并更新背景情况。

d)提取前景中变化目标，与前景相分离，检测并分析目标的活动。

e)对跟踪的运动目标进行分类识别，如人或车辆等。

f)根据规则判断是否符合预设的报警规则。

（2）周界防范

检测到运动的目标违反设定的规则时产生报警，根据预先设置的报警途径，传输报警到指定的用户。芯片内置支持绊线检测、区域入侵、电子围栏、人员徘徊、人群聚集、物品遗留、物品搬移、快速移动等报警类型。

（3）视频诊断

芯片内置支持视频遮挡、视频丢失、视频移位等报警类型。

图5 井上井下智能视频分析技术应用场景Fig.5 Intelligent video analysis application of mine

3 在煤矿井下应用的方案前景与建议

（1）通过视频监控的高清化改造，对各个生产安全隐患点进行全面布控，通过引入视频智能分析技术和移动监控技术对监控死角做全覆盖，全面提升煤矿生产工作的安全管理水平。

（2）在视频监控的基础上，接入消防监控、周界报警、环境质量检测、人员出入管理等子系统，实现安防数据的综合集成，通过预案设计对各子系统进行联动管理，提升煤矿周边和内部环境的监控密度。

（3）接入矿井内部各项生产环境数据，如温度、湿度、瓦斯含量、透水、氧气浓度等传感器检测数据，实现对煤矿整体数据的集成管理及显示，并通过视频对危险地点和隐患进行及时排查。

（4）产品的使用应当满足井下的相关电气安全规范，做好防火防爆设计。

4 结束语

基于H.264编码标准高清网络摄像机的优势是图像清晰、存储数据量小，远程实时监控，即插即用、灵活集成。同时以太网供电节省成本，系统稳定性高，对网络传输带宽要求低，特别适合在网络上传输高质量视频，满足对视频内容进行智能分析的图像质量要求，并实时发出预警和报警。因而该设备若应用在煤矿井下安全生产，能将大部分可视的安全生产隐患防患于未然，该应用必将影响整个矿井安全监测系统的发展趋势。

[1]CARLOS Quadros,ALDRI Santos,MARIO Gerla.QoE-driven Dissemination of Real-time Videos over Vehicular Networks[J].Computer Communications,2016,7(8):24-28.

[2]MARIO Gerla.Multi-SeaCam Camera Now Available in HD[J].Ocean News and Technology,2013,19(11):51-54.

[3]田振华.IP高清摄像机的核心技术及应用前景[J].中国安防.2012,9(3)42-46.TIAN Zhenhua.The Core Technology and application prospect of the IP Hight definition Camera[J].China Securlty and Protection.2012,9(3)42-46(in Chinese).

[4]吕亚静.高清摄像机背光补偿和色彩校正算法研究[D].西安: 西安电子科技大学,2015:20-29.LU Yajing.Study of Backlight Com pensation and Color Correction Algorithms for HD Camera[D].Xian:XIDIAN University,2015:20-29(in Chinese).

[5]朱爱娟.面向智能视频分析的网络视频监控系统软件设计与实现[D].南京: 东南大学,2016:43-48.ZHU Aijuan .Intelligent Video Analysis Oriented Network Video Monitoring Sys tem Software Design and Implementation[D].Nanjing: Southeast University,2016:43-48(in Chinese).

[6]何玲玲,王清灵.一款适用于现代煤矿监控系统的高清网络摄像机的设计[J].深圳信息职业技术学院学报,2012,10(3):63-69.HE Lingling,WANG qingling.Design of High Definition Network Camera Apply to Monitor System in Modern mine[J],Journal of Shenzhen institute of information technology,2012，10(3):63-69(in Chinese).

[7]何玲玲.煤矿监控系统架构改进及视频存储服务器设计[J]，电子科技，2012，25(3):32-35 HE lingling.Design and Realization of Network Video Servicer Based on MPEG4 in Modern Mine[J].Electronic Science and Technology,2012,25(3): 32-35(in Chinese).

[8]唐承军.CMOS高清网络摄像机的设计与实现[D].上海：上海交通大学，2012 TAN Chenjun.Hardware Design and Implementation of CMOS Network Camera[D].Shanghai: Shanghai Jiao Tong University,2012(in Chinese).

【责任编辑：高潮】

Design and Realization of high definition network camera in modern mine monitor system

HE Lingling1,WANG YONG2
（1.Shenzhen Institute of Technology,Shenzhen 518116,China;2.Office of Recruitment and Employment,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China）

In this paper,the design scheme of 1080P high definition network camera bas ed on H.264 coding standard are introduced，Which are achieved the high compression ratio collection and transmitting HD video signals and supporting the intelligent video analysis application of coal mine monitoring.The design of high definition network camera is based on Aptina CMOS imaging sensor and Haisi high-performance SOC processors,which are in accordance with the development and application of monitoring technology and management in modern mine.

video monitor; network camera; high definition1080P

TP277

A

1672-6332（2017）03-0035-05

2017-7-10

何玲玲（1978－），女(汉)，浙江义乌人，讲师，硕士，主要研究方向：电子技术、视频技术和监控系统的研究。E-mail:38554946@qq.com