靳衛(wèi)衛(wèi)　趙宇鵬　安偉　于新生　李建偉

（1中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司天津塘沽300452 2中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院山東青島266100）

基于PC104平臺(tái)的海面溢油監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靳衛(wèi)衛(wèi)1趙宇鵬1安偉1于新生2李建偉1

（1中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司天津塘沽300452 2中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院山東青島266100）

針對(duì)海上石油平臺(tái)“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，采用光學(xué)圖像采集設(shè)備進(jìn)行無(wú)人值守連續(xù)監(jiān)視，并且配合有效的溢油識(shí)別算法開(kāi)展海面溢油監(jiān)測(cè)識(shí)別。本文針對(duì)海面溢油監(jiān)視應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)需求，對(duì)系統(tǒng)的硬件模塊進(jìn)行了選型與集成，構(gòu)建了基于PC/104-Plus總線結(jié)構(gòu)、高圖像分辨率、15幀/秒的采集速率、低功耗的嵌入式溢油圖像采集系統(tǒng)。

溢油監(jiān)視；PC/104結(jié)構(gòu)；圖像采集；光學(xué)成像

隨著海洋油氣資源開(kāi)發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，所面臨的海洋環(huán)境呈現(xiàn)復(fù)雜多樣化，特別是近年來(lái)海上溢油事故頻發(fā)，給海洋生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。為了應(yīng)對(duì)海上溢油污染，世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家投入了大量資金建立溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在國(guó)際上，越來(lái)越多的海事國(guó)家主要利用多光譜圖像監(jiān)視技術(shù)。挪威、加拿大、美國(guó)、荷蘭、德國(guó)等國(guó)家在螺旋槳飛機(jī)和無(wú)人機(jī)上搭載可見(jiàn)光的照相機(jī)、攝像機(jī)、前視紅外（FLIR）/CCD攝像機(jī)、紅外/紫外掃描儀、紅外照相機(jī)和下視攝像機(jī)等光譜信息采集設(shè)備進(jìn)行日常巡邏監(jiān)視海面溢油?？梢钥闯?，使用光學(xué)圖采集技術(shù)像獲取海上溢油信息已日益成為海面溢油監(jiān)測(cè)的重要途徑。

相對(duì)于衛(wèi)星或機(jī)載遙感技術(shù)，海面溢油光譜監(jiān)視技術(shù)主要是基于光譜圖像傳感器對(duì)觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行光譜成像，然后應(yīng)用圖像處理與信息分析方法獲取關(guān)注信息和特征參數(shù)的觀測(cè)技術(shù)。該技術(shù)具有成本低、適用性強(qiáng)、布放簡(jiǎn)單、空間覆蓋面廣（幾公里）、空間分辨率高、測(cè)量參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，可以隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況、增強(qiáng)了對(duì)特定海區(qū)的觀測(cè)能力，光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為近幾年海洋要素監(jiān)測(cè)中的活躍研究方向，很適于在我國(guó)沿海石油平臺(tái)的推廣應(yīng)用。

1系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖像采集系統(tǒng)[1][2]的硬件部分通常包括一下幾部分：控制采集模塊、存儲(chǔ)介質(zhì)、圖像采集卡、數(shù)字相機(jī)和供電電源（圖1），數(shù)字相機(jī)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行光學(xué)成像，通過(guò)圖像采集卡捕捉后，由控制采集模塊將圖像存儲(chǔ)到存儲(chǔ)介質(zhì)，電源分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行供電。

采用PC104主板和基于PC104 PLUS總線[3]的圖像捕捉卡組成了體積緊湊的水下自容式圖像采集系統(tǒng)，無(wú)壓縮圖像直接通過(guò)PC104主板的硬盤接口存儲(chǔ)在80 G硬盤中，實(shí)現(xiàn)了大容量圖像信息的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。在保證系統(tǒng)功能的前提下，縮小整體尺寸。

圖1圖像采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溢油圖像采集系統(tǒng)要安裝于海上平臺(tái)的甲板上，離海平面的垂直距離大約有30m~50m，如圖2所示。同時(shí)，由于圖像采集系統(tǒng)存在一定的采集傾角，則實(shí)際物距根據(jù)取景范圍不同而隨著變化。所采用的CCD芯片靶面長(zhǎng)度為8.8mm，寬度為6.6mm，靶面對(duì)角線為11mm，為此采用賓得公司的C31204 2/3英寸的變焦鏡頭和2倍增倍鏡組合方式構(gòu)建了變焦范圍為25mm~150mm的變焦鏡頭。根據(jù)光學(xué)成像原理（見(jiàn)圖3），由透鏡成像公式（1）計(jì)算的在焦距為25mm~150mm之間圖像分辨率如表1所示。圖4是組建的光學(xué)成像實(shí)物。

圖2系統(tǒng)搭建油氣平臺(tái)環(huán)境示意圖

圖3透鏡成像原理圖

表1相同物距，不同焦距下的分辨率及視場(chǎng)角

圖4數(shù)字成像裝置

3　基于PC 1 0 4嵌入式平臺(tái)的系統(tǒng)集成

采用工業(yè)PC104嵌入式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[4]，構(gòu)建了自容式溢油現(xiàn)場(chǎng)圖像采集系統(tǒng)樣機(jī)，其系統(tǒng)工作框圖如圖5所示。微處理器與圖像采集卡之間通過(guò)PC104-Express總線進(jìn)行通信，外部脈沖觸發(fā)電路控制相機(jī)和光源，相機(jī)與圖像采集卡之間通過(guò)Camera Link標(biāo)準(zhǔn)接口[5][6]進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)傳輸，微處理器將獲取的圖像存儲(chǔ)到硬盤上。

圖5圖像采集系統(tǒng)原理圖

為了使相機(jī)快門與光源能夠同步觸發(fā)，需要相機(jī)工作于外部觸發(fā)工作模式，這樣才可以通過(guò)外部觸發(fā)脈沖來(lái)控制相機(jī)的圖像采集與閃光燈同步。如圖6所示，利用現(xiàn)有的元器件，先用555定時(shí)器和分頻器74LS92N進(jìn)行產(chǎn)生60Hz矩形方波。相機(jī)采用外部信號(hào)觸發(fā)模式來(lái)進(jìn)行圖像的采集。外部觸發(fā)脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，觸發(fā)光源LED發(fā)光；經(jīng)過(guò)一個(gè)門電路的延遲時(shí)間后，觸發(fā)相機(jī)曝光，圖像采集卡開(kāi)始采集圖像，快門關(guān)閉后，停止采集；等外部觸發(fā)脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行圖像的傳輸。其工作時(shí)序圖如圖7所示。

圖6觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

圖7圖像采集時(shí)序圖

圖8基于PC104嵌入式自容式采集系統(tǒng)

4系統(tǒng)測(cè)試

集成的自容式海面溢油圖像監(jiān)視樣機(jī)系統(tǒng)如圖9所示，通過(guò)PC104主板上的以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)相連，可以利用在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的虛擬控制軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。為實(shí)現(xiàn)海面溢油圖像的實(shí)時(shí)采集，采用W indows XP作為嵌入式系統(tǒng)的操作平臺(tái)，利用VisualC++開(kāi)發(fā)了圖像采集程序。

圖9集成的溢油圖像監(jiān)視系統(tǒng)

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)實(shí)行了系統(tǒng)集成，對(duì)所組建的海面溢油圖像監(jiān)視系統(tǒng)的光學(xué)性能進(jìn)行了模擬測(cè)試和評(píng)估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的成像質(zhì)量，證明所設(shè)計(jì)的技術(shù)路線是可行的。在今后的工作中將圍繞著提升圖像的對(duì)比度和信噪比等方面對(duì)成像光路和照明結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的改進(jìn)。

[1]張紀(jì)明.基于PC的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)研究.可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2006,11:107-110.

[2]穆向陽(yáng)，張?zhí)?機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，22(6):104-109.

[3]蔣繼宏,廖永濤，程鋼.基于PC104Plus的視頻記錄系統(tǒng)研制.西飛科技,2003,3:30-33.

[4]PC/104 Embedded Consortium.PC/104-Plus Specifications V2.3. San Francisco,California,2008,10,13.

[5]王小艷,張會(huì)新,孫永生,等．Camera Link協(xié)議和FPGA的數(shù)字圖像信號(hào)源設(shè)計(jì).國(guó)外電子元器件,2008,7:59-61.

[6]張德聯(lián),張帆.基于Camera Link的高速數(shù)據(jù)采集壓縮系統(tǒng).科學(xué)技術(shù)與工程,2008,8(18):5253-5255.

[7]李佑軍.嵌入式系統(tǒng)綜述.現(xiàn)代電子技術(shù),2003,6:90-91.

[8]李林功,李華玲.嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn).電測(cè)與儀表,2003,39 (5):29-34.

靳衛(wèi)衛(wèi)(1986—)，男，青島，碩士，海洋環(huán)境科研工程師，主要研究方向：水上溢油應(yīng)急與處置。