煤矿智能化调度室多媒体图像图形系统研究.pdf

中国矿业大学学报990 32 0 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第3期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 3 1999 煤矿智能化调度室多媒体图像图形系统研究* 刘富强 沈 荣 陈治国 摘要 分析了煤矿智能化调度室多媒体图像图形系统的构成和标准，该系统由图像处 理、图形处理、图像图形显示等部分组成，其中重点分析了图像处理部分. 图像采集采 用PCI总线图像采集卡并将采集后的图像存储为BM P的格式；因为来自井下的工业电视 图像质量较差，图像增强处理主要采用直方图修正法特别是线性拉伸变换的方法以取 得较为理想的图像；视频图像切换器采用了国际流行的矩阵切换设计方法，现场使用 非常稳定、可靠；图像远程传输采用波分复用技术，极大地降低了成本. 煤矿智能化调 度室多媒体图像图形系统的建立将大大提高煤炭系统安全生产的现代化管理水平. 关键词 煤矿，智能化，调度室，多媒体，图像 中图分类号 T P 391. 41 Re s e a r c h o f A p p l i c a t i o n o f M u l t i m e d i a I m a g e a n d G r a p h i c s T e c h n o l o g y i n I n t e l l i g e n t D i s p a t c h i n g Ro o m i n Co a l M i n e Li u Fu q i a n g Sh e n Ro n g Ch e n Zh i g u o Co l l e g e o f In f o r m a t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g , CU M T , Xu z h o u , Ji a n g s u 2 2 10 0 8 A b s t r a c t T h e s t r u c t u r e a n d s t a n d a r d o f m u l t i m e d i a i m a g e a n d g r a p h i c s s y s t e m o f i n t e l l i g e n t d i s p a t c h i n g r o o m i n c o a l m i n e a r e d e s c r i b e d . T h e s y s t e m c o n s i s t s o f i m a g e p r o c e s s i n g , g r a p h i c s p r o c e s s i n g a n d t h e d i s p l a y o f i m a g e a n d g r a p h i c s . A m o n g t h e s e p a r t s i m a g e p r o c e s s i n g i s d i s c u s s e d o n e m p h a s i s . T h e i m a g e i s c o l l e c t e d b y u s i n g t h e i m a g e f r a m e g r a b b e r a d o p t e d a s t h e b u s o f PCI a n d t h e s a m p l e d i m a g e i s s t o r e d i n t h e f o r m o f BM P. Be c a u s e o f t h e b a d q u a l i t y o f i n d u s t r i a l t e l e v i s i o n i m a g e c o m i n g f r o m c o a l m i n e , i m a g e e n h a n c e m e n t p r o c e s s i n g i s d o n e t o g e t s a t i s f i e d i m a g e , m a i n l y e m p l o y i n g t h e m e t h o d o f h i s t o g r a m c o r r e c t i o n e s p e c i a l l y t r a n s f o r m a t i o n o f l i n e a r s t r e t c h . T h e v i d e o i m a g e s w i t c h i n g e q u i p m e n t i s d e s i g n e d p o p u l a r l y i n t h e w o r l d w h i c h h a s p r o v e d s t a b l e a n d r e l i a b l e i n p r a c t i c e . T h e t e c h n o l o g y o f W D M w h i c h d e c r e a s e s t h e c o s t g r e a t l y i s u s e d i n t h e l o n g -d i s t a n c e t r a n s m i s s i o n . I n b r i e f , t h e e s t a b l i s h m e n t o f m u l t i m e d i a i m a g e a n d g r a p h i c s s y s t e m o f i n t e l l i g e n t d i s p a t c h i n g r o o m w i l l i m p r o v e t h e m o d e r n m a n a g e m e n t o n t h e s a f e t y o f p r o d u c t i o n i n c o a l m i n e . K e y w o r d s c o a l m i n e , i n t e l l i g e n t , d i s p a t c h i n g r o o m , m u l t i m e d i a , i m a g e f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 0 . h t m （第 1／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 55 中国矿业大学学报990 32 0 从我国目前煤矿现有的硬件装备及软件等技术水平来看，还远远达不到煤矿现代 化通讯和安全管理手段的要求. 因此，研究煤矿智能化调度室的图像图形技术具有现实 意义. 图像图形技术也是智能化调度室多媒体监测监控系统的重要组成部分，本文重点 讨论其中的图像部分. 1 煤矿智能化调度室多媒体图像图形系统的构成 1997 年，原煤炭部调度中心和通讯信息中心发布了煤炭工业调度现代化建设总 体规划纲要（草案），后来又颁发了煤炭调度信息化装备技术规范，其中有关图像 图形部分装备的标准见表1. 由此设计的煤矿智能化调度室多媒体图像图形系统的要求 见图1. 图1 煤矿智能化调度室多媒体图像图形系统的框图 Fi g . 1 Fr a m e w o r k o f i m a g e a n d g r a p h i c s s y s t e m o f i n t e l l i g e n t d i s p a t c h i n g r o o m i n c o a l m i n e 表1 煤矿智能化调度室装备有关 图像图形部分的标准 T a b l e 1 T h e s t a n d a r d h a v i n g s o m e t h i n g t o d o w i t h i m a g e a n d g r a p h i c s i n i n t e l l i g e n t d i s p a t c h i n g r o o m i n c o a l m i n e 矿井系列甲级 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 0 . h t m （第 2 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 55 中国矿业大学学报990 32 0 标 准 要 点 1. 图像采集、加工、处理、存储、传输（字符、图表；静态图像；动态图像） 2 . 矿井主要生产环节关键部位用动态图像进行监视、监测、监控 3. 调度室内部动态图像图形信息显示（大屏幕、投影机、电视屏幕） 4. 远距离图像图形信息传输（闭路电视网络、多媒体视频网络、电视电话会议） 煤矿智能化调度室多媒体图像图形系统的主要组成部分是图像处理、图形处理和图 像图形显示部分. 图形处理和图像图形显示部分简述如下 1 在图像图形显示部分，图像图形控制系统主要由多媒体计算机、单片微机驱动、 网络接口器（NIC）、监测系统接口、工业电视切换器接口、T V/ VG A 接口、LED 控制器 等组成，是智能化调度室图像图形显示部分的控制中心；主控制台负责图像图形显示部 分的操作和控制；电源多路分时控制保护系统控制投影机的瞬时启动电流并满足散热延 时需要，以保证投影机长期稳定地工作. 2 ） 在图形部分，由计算机网络接收来自地质科或其它设计部门的图形文件，接收 来自监测科或其它部门的监控组态图形，然后通过图像图形控制系统投影在大屏幕投影 墙上. 2 图像处理部分 2 . 1 图像采集 可以采用实时采集、实时存储、实时单屏显示的PCI 总线视频图像卡，适用于带有 PCI总线的PCI48 6 ，58 6 及兼容机，可直接插入主机箱PCI 总线空槽内，配上摄象机等视频 源及相应软件，即可构成一套实用的实时图像处理分析系统. 由于采用PCI 总线结构，图 像数据可以实时存储到计算机内存中，并在屏幕上显示，使得连续序列图像的分析处理 发生了突破性的改变. 我们可以从连续图像中获取更多的数据信息，图像处理运算在主机 内存中执行，有利于提高处理速度，充分发挥CPU 的运算性能，极大地方便了编程与开 发. PCI总线视频图像卡将连续的工业电视图像序列捕捉到计算机里，以BM P图像格式保 存起来. BM P图像文件C语言结构如下 T y p e d e f s t r u c t t a g BI T M A PFI LEH EA D ER{ i n t b f T y p e ； l o n g b f Si z e ； i n t b f Re s e r v e d 1 ； i n t b f Re s e r v e d 2 ； l o n g b f o f f Bi t s ； } BIT M A PFI LEH EA D ER； T y p e d e f s t r u c t t a g BI T M A PI NFO { BIT M A PI NFO H EA D ER b m i H e a d e r ； RG BQ U A D b m i Co l o r ［ ］ ； } BIT M A PI NFO ； 2 . 2 图像增强处理 工业电视特别是井下的工业电视图像所处的环境光线差、照度低，而且井下的煤尘 很多，从而影响了工业电视图像的质量. 而工业电视图像进入调度室后又不做任何图像增 强处理，从而使得最终的电视图像有时模糊不清. 在此我们采用了图像增强技术来提高工 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 0 . h t m （第 3／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 55 中国矿业大学学报990 32 0 业电视清晰度，克服因光线不足、灰尘等原因而带来的图像模糊、偏差等现象，提高系 统工作的可靠性. 图像增强的目的是采用一系列技术去改善图像的视觉效果. 直方图修整是图像增强的 最常用、最重要的方法之一. 所谓直方图修整，是指通过构造灰度级变换，改造原图像的 直方图，而使变换后的图像的直方图达到一定的要求. 采用直方图修整可使原图像灰度级 集中的区域拉开或使灰度分布均匀，从而增大反差，使图像的细节清晰，达到增强的目 的. 设变量r 代表要增强图像中象素的灰度级，假定r 已经归一化，即0 ≤r ≤1，r 0 代表 黑，r 1代表白. 设新图像的灰度级为s ，s 与r 的关系为s T r . 假定变换函数T 满足［1］ 1） 0 ≤r ≤1时，T r 单调增加. 该条件使灰度级保持从黑到白的顺序. 2 ） 0 ≤r ≤1时，0 ≤T r ≤1. 该条件保证影射变换后的象素灰度值在允许得到范围内. 一幅图像中，每一象素的灰度级r 可看作是［0 ，1］区间上的随机变量. 假定r 是连续 变量，则可用概率密度Pr r 表示图像的灰度级分布，即Fr r ∫r 0Pr w d w 表示的是图像中 灰度级小于r 的象素点的数目. 设Ps s 表示变换后的图像的灰度级概率密度函数. 根据概率 论，Pr r 与Ps s 之间应有以下关系 1 通过改变T r 就可控制Ps s 的形状. 由于Pr r 与Ps s 刻划了图像的灰度级相对分布， 因而选择适当的T （*）就可改变图像的外貌，这就是直方图修正的原理. 灰度线性拉伸方法的主要特点是根据原始图像直方图来确定拉伸变换前的灰度值区 间，然后把这一灰度值区间按照某一直线方程关系拉伸或压缩而成为变换后的灰度值区 间. 我们可以建立灰度线性拉伸变换的一般公式，假设图像的灰度分布的区间为［A ， B］，而图像中某一象素点的原来的灰度值为Z，即A ≤Z≤B，而［A ，B］是灰度区间 ［Z1，Z2］的一个子区间，即Z1≤Z≤Z2，再设Z′为拉伸变换后图像的灰度值，则有 Z1≤Z′≤Z2 . 考虑A ≤Z≤B，可得 Z-A ≤B-A . 2 考虑Z1≤Z′≤Z2，可得 Z′-Z1≤Z2-Z1 . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 0 . h t m （第 4／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 55 中国矿业大学学报990 32 0 3 将式（2 ）除以式（1），并取等号，则为 4 进一步化简，得 5 式（4）即为线性拉伸变换的一般公式. 如果变换后拉伸范围在0 ～2 55灰度级之间，则有Z1 ＝0 ，Z2＝2 55，此时式（4）简化为 6 线性拉伸变换可以在某一灰度值范围内进行拉伸变换，也可以在0 ～2 55的整个灰度 级区间内进行. 而且，应用线性拉伸变换，不仅可以拉伸而且也可以压缩灰度区间. 在实际的图像增强应用中，我们选择了龙东煤矿的原煤皮带. 图2 a 是龙东矿原煤皮带 的原始图像，图2 b 是图像增强方法综合处理后得到的图像，图2 c 是原始图像的直方图， 图2 d 是图像处理后的直方图［2 ，3］. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 0 . h t m （第 5／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 55 中国矿业大学学报990 32 0 图2 龙东矿原煤皮带原始图像和处理后的图像及其直方图 Fi g . 2 T h e c o a l b e l t ’s o r i g i n a l i m a g e a n d p r o c e s s e d i m a g e a n d t h e i r h i s t o g r a m 2 . 3 视频图像矩阵切换器 视频图形矩阵切换器的作用是多路输入输出信号的管理. 由于设计的要求是8 入/ 8 出且 任意切换，特别是在多个办公地点能同时看到同一路视频信号. 这就要求它的6 4个交叉点 开关之间不互锁，在切换时不串扰且图像要清晰. 因此核心芯片选用美国M A XI M 公司的 数控交叉点矩阵开关M A X456 来解决这个问题. M A X456 是一种数控矩阵开关，也是第一个发送标准视频信号（PA L，NT SC）的单 片8 8 视频交叉点转换开关. 由于具有数控8 8 开关矩阵和8 个35 M H z , 2 50 V/ μs 的输出 缓冲放大器，M A X456 与以前用分离元件设计的切换电路比，减少了元件数和电路板空 间，降低了成本. 此外，这种方案与多芯片相比，还大大降低了寄生电容，增加了可靠性. 借助于三态输出，多个M A X456 还可不用外部缓冲，并联成更大的开关网络. 在整个矩阵开关系统中，单片机采用8 9C51，容量足以满足需要，而且操作方便；可 编程并行接口芯片选用8 155，用于键盘、显示器的并行接口；并在输出端配接两个视频 放大器M A X47 0 ，进行视频信号调整. 2 . 4 图像远程传输 智能化调度室标准要求甲级矿务局实现局与矿的动态图像图形的交换与显示. 而实现 这一要求的难点在于局矿之间的宽频带通信信道. 矿务局的动态图像图形主要来自于所属 的矿调度室已具有的图像图形信息资源，而局矿之间一般覆盖范围近百平方公里，实现 局、矿远程图像图形实时双向传输需要宽频带的传输信道. 光纤光缆信道是理想的选择， 局与矿之间的通信在“九五”期间以光纤通信为主，目前已经在我国大型的矿务局建成 或正在建的光纤通信网络有如下单位大同、平顶山、新汶、开滦、潞安、晋城、兖州 等矿务局. 因此光纤通信在煤炭企业地面已经成为主要的通信方式. 目前光纤通信信道主要 完成局、矿之间的程控电话传输. 光纤信道本身具有频带宽的特点，具有传输宽频带图像 信息 有线电视、电视电话、工业电视等 的能力. 而各个矿务局在敷设光缆时，由于整个 光缆信道投资大，因此采用波分复用（W D M , w a v e d i v i s i o n m u l t i p l e x ）技术，可以在已有 的光纤信道基础上传输电话通信业务时引入图像通信业务，不增加通信线路，具有明显 的社会效益和经济效益. 我们将1. 3 μm / 1. 55 μm 波分复用器引入到局、矿间的光纤 CA T V，工业电视、电视电话会议业务，无需敷设额外的光纤线路. 3 结束语 煤矿调度室多媒体图像图形系统是煤矿多媒体监测监控系统中的一部分［4～6 ］，整 个系统已被列为煤炭工业管理局重点推广项目. 我们已在兖州矿业集团、大屯煤电公司、 山东岱庄煤矿、平顶山煤业集团等单位进行了实施，提高了这些单位的现代化管理水 平，取得了良好的社会效益和经济效益，并于1998 年获得部级科技进步二等奖. 本课题得到中国科学院模式识别国家重点实验室基金和中国矿业大学科技基金资 助，在此一并致以谢意. *中国科学院模式识别国家重点实验室基金资助项目． 作者简介 刘富强，男，196 5年生，工学博士（博士后），副教授 作者单位中国矿业大学信息与电气工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 0 . h t m （第 6 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 55 中国矿业大学学报990 32 0 参考文献 1 田 捷，沙 飞，张新生. 实用图像分析与处理技术. 北京电子工业出版社，1995. 7 1 ～110 2 Li u F Q , Q i a n J S, Yu H Z e t a l . Re s e a r c h o n m u l t i m e d i a o p t i c -f i b e r i n d u s t r i a l T V m o n i t o r i n g s y s t e m . H o n g K o n g -Be i j i n g I n t e r n a t i o n a l Co m p u t e r Co n f e r e n c e 1997 . 北京清华大学出版社, 1997 . 138 ～142 3 刘富强. 煤矿多媒体调度指挥系统研究. ［博士学位论文］. 徐州中国矿业大学信息与 电气工程学院，1996 4 刘富强，于洪珍，马小平. 煤矿调度室多媒体监测滥控管理系统研究. 中国矿业大学学 报，1998 ，2 7 1 2 2 ～2 6 5 于洪珍，刘富强，徐立中. 基于模型的信息融合编码的视频图像压缩研究. 中国矿业大 学学报，1998 , 2 7 2 17 1～17 5 6 刘富强. 煤矿多媒体监测监控系统及其关键技术研究. 煤炭学报，1998 ，2 3 4 412 ～416 收稿日期 1998 -0 7 -10 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 32 0 . h t m （第 7 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 55