基于圖像跟蹤識別技術的煤炭運量視頻管理系統的硬件設計及實現

摘要：為了有效地監控煤場進出車輛情況，設計一種基于圖像跟蹤識別技術的煤炭運量視頻管理系統。介紹該系統硬件的整體設計，詳細說明其中車輛到達感應部分、圖像采集部分和云臺控制部分的具體設計與實現方法，以期為該系統的良好應用提供參考。

關鍵詞：視頻監控系統；硬件；設計；實現

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）12-0017-03

煤炭資源對于國民經濟的發展具有至關重要的作用，因此要對煤炭資源的開采與利用進行有效監控與保護。為此，提出基于圖像跟蹤識別技術的煤炭運量視頻管理系統。這里介紹該系統的硬件設計與實現。

1 系統硬件整體設計

系統使用DVR-SV4125的工業級計算機作為上位機，該計算機抗干擾能力強，能夠在惡劣的環境下正常工作?？紤]到整個視頻監控系統的應用環境，將系統硬件設計為車輛到達感應部分、圖像采集部分、云臺控制部分及上位機4個部分（如圖1所示）。

2 車輛到達感應部分的硬件設計及實現

2.1 PCI開關板

AC6652（如圖2所示）是一款低價格通用光電隔離I/O板，具有16路輸入、16路輸出。采用PCI總線，支持即插即用，無需地址跳線。采用大規?？删幊涕T陣列設計，提高可靠性。AC6652的輸入支持5～24 V輸入，同時輸出為集電極開路輸出（OC輸出，輸出芯片為6N33或TIL113），輸出驅動電流大于30 mA，可以方便地驅動小型繼電器、LED等負載。AC6652采用CH系列PCI接口芯片及門陣列作為主控芯片。AC6652具有光電隔離的作用，有大規?？删幊涕T陣列，可靠性高?？梢越邮諄碜訟C140的信號，然后經過模塊處理，轉換為PCI通信格式，使上位機讀取車輛到來的數字量信號，或者通過該模塊的寫操作向下位機發送操作命令。

2.2 隔離抗干擾模塊

由于整個系統工作環境比較惡劣，容易對輸入信號帶來干擾，為保護現場的正常信號，設計隔離抗干擾模塊（如圖3所示），選用具有光電隔離功能的端子卡AC140。

AC140端子的連接方式為：1） K0～K7，分別對應8個繼電器0～7的常開開關接點，每個K接點都是2個接線端子，對應一路的繼電器開關接點。2） DI0～DI7，分別對應8路光電隔離輸入0～7號。3） GND，光電隔離輸入地線，即DI0～DI7的地線。4） POWER，對應+12 V電源輸入，且電源負極與光電隔離輸入地線GND相互隔離。

2.3 地磁傳感器

整個視頻監控系統開始工作的首要條件是：要準確地感應到車輛的到來。感應車輛到來的方法很多，如紅外線、超聲波、地磁感應等。超聲波傳感器容易受環境的影響，當風速在6級以上時，反射波會產生漂移而無法正常檢測；探頭下方通過人或物也會產生反射波，造成誤檢。紅外傳感器會因工作現場的灰塵、冰霧而影響系統正常工作。而地磁信號受環境因素影響較小，且比較穩定，所以該系統采用地磁傳感器。

地磁傳感器利用車輛通過道路時對地球磁場的影響來完成對車輛的檢測。地球磁場在幾公里之內基本上是恒定的，但大型的鐵磁性物體會對地球磁場產生巨大的擾動。當車輛通過時，對地磁的影響將達到地磁強度的幾分之一，而地磁傳感器可以分辨出地球磁場1/6 000的變化，因此利用地磁傳感器來檢測車輛具有極高的靈敏度。

3 圖像采集部分的硬件設計及實現

3.1 視頻采集卡

在PC機上通過視頻采集卡可以接收來自視頻輸入端的模擬視頻信號，對該信號進行采集并量化成數字信號，然后壓縮編碼成數字視頻。由于視頻采集卡具備硬件壓縮的功能，在采集視頻信號時首先在卡上對視頻信號進行壓縮，然后再通過PCI接口把壓縮的視頻數據傳送到主機上。一般的PC視頻采集卡采用幀內壓縮的算法把數字化的視頻存儲成AVI文件，高檔一些的視頻采集卡還能直接把采集到的數字視頻數據實時壓縮成MPEG-1格式的文件。由于模擬視頻輸入端可以提供不間斷的信源，視頻采集卡要采集模擬視頻序列中的每幀圖像，并在采集下一幀圖像之前把這些數據傳入PC系統，因此，實現實時采集的關鍵是每一幀所需的處理時間。如果每幀視頻圖像的處理時間超過相鄰兩幀之間的相隔時間，則會導致數據的丟失，即丟幀現象。采集卡都是把獲取的視頻序列先進行壓縮處理，然后再存入硬盤，即視頻序列的獲取和壓縮是在一起完成的，免除了再次進行壓縮處理的不便。不同檔次的采集卡具有不同質量的采集壓縮性能。該系統采用天敏4000視頻采集卡（如圖4所示）。

3.2 攝像頭的選型及特點

系統采用Sony公司的EVI-D30彩色攝像機。EVI-D30攝像機的主要功能是自動跟蹤功能（Auto Tracking），可以不停地自動摘取用戶預定義的主題。圍繞選擇的主題，EVI-D30會摘取相似的像素顏色和明亮度。EVI-D30有4種預定義的主題：自動跟蹤功能、自動聚焦、自動曝光和運動檢測。

4 云臺控制部分的硬件設計及實現

4.1 云臺

云臺是安裝、固定攝像機的支撐設備，分為固定云臺和電動云臺兩種。固定云臺用于監視區范圍不大的場合，使用時將攝像機固定于云臺上，調整好攝像機水平、俯仰的角度，達到最好的工作姿態，然后鎖定調整機構即可；電動云臺可以擴大攝像機的監視范圍，提高攝像機的使用價值，主要用于對大范圍進行掃描監視，電動云臺調整姿態通過兩臺執行電動機來實現，電動機接受來自控制器的信號精確地運行定位，在控制信號的作用下，云臺上的攝像機既可自動掃描監視區域，也可在監控中心值班人員的操縱下跟蹤監視對象。

根據回轉的特點，云臺可分為左右旋轉的水平旋轉云臺和既能左右旋轉又能上下旋轉的全方位云臺。云臺水平轉動的角度為0～350°，俯仰角度為0～90°。有的云臺還有自動巡視功能。根據使用的環境，云臺還可分為室內用云臺和室外用云臺。選擇云臺的主要指標為回轉范圍、承載能力和旋轉速度。一般的云臺均屬于有線控制的電動云臺。

4.2 云臺設備安裝

云臺通常是與攝像頭結合在一起的， 攝像頭提供額外的線路用于云臺設備與計算機的連接。該線路通常以COM端口的形式連接計算機，在線路的一端連接有云臺控制轉換器（如圖5所示）。

云臺控制轉換器以COM端口的形式連接計算機，圖6顯示了云臺控制轉換器與上位機的連接。

4.3 云臺控制分析

計算機與云臺之間的通信是通過串行通信實現的。PC機只擁有標準RS-232接口，而云臺只提供工業標準的RS-485接口，因此中間需要一個RS232-485轉換器，以將RS-232信號轉換為RS-485信號。云臺通過云臺解碼器、RS232-485轉換器與計算機串口相連，程序通過向云臺解碼器發送指令來實現云臺控制。這里的指令是由云臺控制協議確定的。不同的廠家，云臺控制協議也不盡相同。該系統所采用的協議是PELCO-D2400。

參考文獻

[1] 劉效靜，成瑜.汽車牌照自動識別技術研究[J].南京航空航天大學學報，2003，30（5）：573-576.

[2] 崔家磊.風云一號接收系統定時同步與PCI接口研究[D].西安：西安電子科技大學，2008.

[3] 詹詡強，戚飛虎，劉天明.基于MPEG-2視頻流的目標跟蹤快速算法[J].上海交通大學學報，2001，35（9）：1 321-1 324.

[4] 金世佳.圖像跟蹤識別技術在煤炭運量視頻管理系統中的應用研究[D].沈陽：東北大學，2010.