張拓 楊倩

摘要：文中提出了一種基于紅外可視化技術(shù)的井下測速系統(tǒng)。本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)采用PI160熱成像儀以及工控機(jī)等設(shè)備組成，軟件開發(fā)以VC++為開發(fā)平臺。本文主要介紹了整個測速系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件設(shè)計。本系統(tǒng)將熱紅外技術(shù)和視頻測速技術(shù)有效的結(jié)合起來。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像;視頻測速;礦井監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）32-0218-02

基于礦山井在實(shí)際工作過程中，其主要利用排水泵將地下水抽取到預(yù)沉調(diào)節(jié)池，結(jié)合監(jiān)測技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測預(yù)沉調(diào)節(jié)池到吸水井全過程，其對于礦山的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，同時，水的流速與流量直接相關(guān)，因此，測量井下水的流速就顯得十分有意義。

視頻測速是基于圖像處理和模式識別技術(shù)，通過攝像頭捕捉的目標(biāo)圖像進(jìn)行測速的方法。普通的可見光攝像頭在井下光線嚴(yán)重不足的環(huán)境中無法捕捉目標(biāo)物，紅外視頻測速技術(shù)可以很好地解決在上述問題。同時，根據(jù)紅外熱圖可以得到目標(biāo)物的實(shí)時溫度。

1? 紅外熱成像原理

眾所周知，物體表面溫度信息是紅外熱成像技術(shù)的核心要素，主要利用輻射紅外線進(jìn)行探測、成像及掃描，從而構(gòu)建科學(xué)的井下探測系統(tǒng)。當(dāng)目標(biāo)物的表面紅外線型號轉(zhuǎn)化為電信號后，經(jīng)過控制器處理后變成物體“動態(tài)熱圖像”。其次，借助紅外熱成像技術(shù)將目標(biāo)物轉(zhuǎn)化為可視的圖像且具有明顯的邊界，從而使得其具體信息能夠被人眼識別。本研究所采取的熱圖像監(jiān)測系統(tǒng)也同樣運(yùn)用其運(yùn)力，通過對目標(biāo)物進(jìn)行紅外線識別，將圖像具體呈現(xiàn)出來，構(gòu)建基于物體表面溫度信息的監(jiān)測系統(tǒng)。

當(dāng)前，熱成像系統(tǒng)的主要部分是紅外探測器和監(jiān)視器。對于紅外探測器而言，其本質(zhì)上就是一個紅外線轉(zhuǎn)化裝置，將無法可視的信息變成具體可測量的器件;對于監(jiān)視器而言，主要利用高清攝像機(jī)完成，主要用于圖掃描。紅外熱圖可分為兩種，一種為偽色彩圖，另一種為灰度圖。由于紅外熱圖的原始數(shù)據(jù)來源于被測物體的溫度，所以，不管是偽色彩圖還是灰度圖都可直接反映出被測物體的溫度。具體溫度數(shù)值與成像儀和被測物體的距離、色彩分布等因素有關(guān)。

2 視頻測速原理

基于視頻圖像的測速技術(shù)是一種較新型的測速方式，采用目標(biāo)識別與跟蹤技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動物體的運(yùn)動速度的測量。視頻測速技術(shù)不需使用專業(yè)的測速設(shè)備，只要通過軟件對需要處理的目標(biāo)對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，即可在視頻圖像中實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的識別與跟蹤。所以，要實(shí)現(xiàn)視頻測速必須解決兩個問題：目標(biāo)物的識別和目標(biāo)物的跟蹤。

2.1 紅外熱圖中目標(biāo)物的識別

現(xiàn)階段，紅外熱成像技術(shù)在井下測速系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用仍面臨著三方面瓶頸，主要表現(xiàn)在如下：一是如何有效增強(qiáng)利用熱紅外圖的對比度（科學(xué)提取圖像信息）;二是如何有效提高熱紅外圖的邊線界定，主要是背景和物景的合理區(qū)分;三是如何有效從復(fù)雜的圖像信息和噪音中科學(xué)提取有用的信息，從而全角度提高物景的識別度。需說明，以上三方面瓶頸具有不同的應(yīng)用場景和目的，亦對其解決措施各異。其次，將紅外熱成像技術(shù)探測圖像與井下測速系統(tǒng)有機(jī)融合，首先必須要解決紅外熱圖中目標(biāo)物的清晰度，充分保證與熱紅外圖形溫度場協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而有效把控實(shí)際溫度分辨率和可視梯度。當(dāng)前，基于紅外熱成像技術(shù)的目標(biāo)識別方法主要通過數(shù)理算法，比如非線性外推算法、變分增強(qiáng)算法、直方圖算法等。

當(dāng)前，主要通過熱圖像儀來獲取圖像信息，其原理主要是依據(jù)[m×n]陣列式算法（探測元）得到熱圖像信息，可表示為[Pm×n]（Pm，n）;根據(jù)部分國內(nèi)學(xué)者研究結(jié)論認(rèn)為，所獲取的熱圖像信息其對比度、識別度變化值波動較小，同時Pm，n中還包含諸多干擾信息，實(shí)際表達(dá)信息應(yīng)該為：

在紅外熱成像技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過程中，一般[Sm×n]較為穩(wěn)定，而[Nm×n]相反，其信息變化幅度較大，具有表現(xiàn)為：[Sm×n]信息信號較弱時，而[Nm×n]信息信號相比于[Sm×n]占比較大，基于這一優(yōu)勢，可連續(xù)不間斷采集l幀信息，通過[m×n]陣列式算法得出優(yōu)化后的[Gm×n]，具體為：

式中：[Sm×n]基本保持不變，主要通過對其進(jìn)行線性累加。[Nm×n]可能會隨時發(fā)生變化，主要分為兩種情況，一是當(dāng)圖像信息表現(xiàn)為靜止信號，l趨向于無窮大，其 [Nm×n]的均值和代數(shù)值會趨向于0（線性迭加），二是當(dāng)圖像信息表現(xiàn)為準(zhǔn)靜止信號，l會變成具體的數(shù)值，均值和代數(shù)值會有很小，同樣會認(rèn)為趨向于0（無線性迭加現(xiàn)象）。鑒于此，優(yōu)化后的[Gm×n]矩陣主要目的就是從根本上消除[Pm×n]的單一性，從而增加信息采集的準(zhǔn)確性，可以將（2）式簡化為（3）式，具體為：

簡化后的[Gm×n]矩陣中采集次數(shù)1的大小對于有效解決噪聲干擾具有重要作用。首先，同時，對于|[Bm×n]|、|[Fm×n]|及|[Bm×n-Fm×n]|值的大小有著直接聯(lián)系。采集次數(shù)1的數(shù)值的選取主要依據(jù)以下幾點(diǎn)原則：靜止信號或圖像移動速度較小選取較大值，反之準(zhǔn)靜止信號或圖像移動速度較慢選取較小值。在實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的捕捉之后，針對整個畫面建立坐標(biāo)系，由此就可得到目標(biāo)物的坐標(biāo)值，為下一步計算速度奠定基礎(chǔ)。

2.2? 測速原理

常見的測速方式有四種：雷達(dá)測速、地感測速、激光測速以及視頻測速。相對于前三種測速方式而言，視頻測速具有價格便宜，全天候工作無輻射等優(yōu)點(diǎn)?！耙曨l測速”是指不使用專用的測速設(shè)備（如線圈、雷達(dá)、激光等），僅僅安裝一個視頻攝像頭，便可獲知監(jiān)控對象的實(shí)際運(yùn)動速度。

畫面中高度為[X1]的某點(diǎn)，根據(jù)投影關(guān)系，可以計算出[X1]距離攝像頭底部的實(shí)地距離[SX1]，如圖1視頻測速原理示意圖所示。

利用三角函數(shù)關(guān)系，不難得出：

同理可得畫面中另一像素點(diǎn)的高[X2]，算出其[SX2]，可得：

其中[?t]為拍攝[X1、X2]兩點(diǎn)的時間差。

如果知道攝像機(jī)的俯角[θ]、攝像機(jī)離地面高度以及攝像機(jī)拍攝角度就可以直接根據(jù)三角公式距離，繼而求出速度，如圖2速度計算示意圖所示。若時間間隔非常小，即趨近與無窮小時，其次的平均速度可視為實(shí)時時刻速度。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計

紅外熱像監(jiān)控系統(tǒng)是一個計算機(jī)為核心的監(jiān)測控制系統(tǒng)，涉及多種計算機(jī)的信息處理技術(shù)，包括多媒體技術(shù)、通信技術(shù)、視頻技術(shù)、圖像處理技術(shù)等。紅外熱像監(jiān)控系統(tǒng)主要用于礦井下數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備。它主要由數(shù)據(jù)采集終端、通信接口設(shè)備、視頻采集設(shè)備、視頻顯示設(shè)備、電源轉(zhuǎn)換模塊等組成。

在視頻圖像處理方面，直接由井下的工控機(jī)接收數(shù)據(jù)采集終端采集來的視頻圖像數(shù)據(jù)，再由數(shù)據(jù)顯示終端進(jìn)行監(jiān)控視頻顯示。同時可向井下數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送下行控制命令，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集狀態(tài)的調(diào)整與控制;井下數(shù)據(jù)處理中心處理實(shí)時圖像數(shù)據(jù)，分析區(qū)域溫度數(shù)據(jù)，以及通過處理熱紅外圖像計算流速數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)是集視頻圖像采集、視頻圖像處理、環(huán)境監(jiān)測為一體的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠及時、準(zhǔn)確地將監(jiān)測過程中的圖像畫面、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)反映到顯示終端上。當(dāng)日常監(jiān)控中，工作人員可以根據(jù)本系統(tǒng)提供的各項(xiàng)類型參數(shù)，迅速了解礦井區(qū)域內(nèi)的環(huán)境，保證礦井下的安全。

以往就是使用視頻測速技術(shù)，井下巷道內(nèi)昏暗的光線條件拍攝出來的視頻圖像昏暗，根本無法進(jìn)行后面的圖像處理的工作。本系統(tǒng)采用的熱紅外成像儀可以再煤礦井下光線不足的巷道內(nèi)拍攝出清晰的圖像，為接下來的圖像特征提取等工作打好基礎(chǔ)。采用紅外熱成像技術(shù)，不僅解決了井下巷道內(nèi)光線不足的問題，同時，還可進(jìn)行溫度的監(jiān)測，可謂一舉兩得。

4 結(jié)束語

基于紅外可視化技術(shù)的井下測速系統(tǒng)，可以對井下明渠水流流速狀況進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控，避免了傳統(tǒng)監(jiān)控方法的弊端，紅外熱成像技術(shù)還解決了一般攝像頭在礦井下光源不足時圖像的識別困難。除此之外，本測速系統(tǒng)額外的可實(shí)現(xiàn)水溫，包括環(huán)境溫度的實(shí)時監(jiān)測。對該系統(tǒng)稍作改變，同樣可用作井下機(jī)車的測速系統(tǒng)。在監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)井下明渠流速的實(shí)時顯示，亦可將監(jiān)控視頻存儲下來，可隨時進(jìn)行瀏覽查詢，在紅外熱成像技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用背景下，可有效且動態(tài)地熟知礦井下的基本情況，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化煤礦的可持續(xù)發(fā)展。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】