[发明专利]基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统及处理方法

说明书

本发明涉及一种基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统及处理方法。该系统包括图像采集部分、图像处理部分、显示部分和通信部分，其中图像采集部分包括图像采集模块；图像处理部分包括电源模块、晶振、JTAG、SDRAM以及FPGA，其中FPGA包括时钟管理模块、图像控制模块、SDRAM控制模块、显示器控制模块、USB控制模块，通过JTAG编程对图像进行增强处理；显示部分包括显示器和监控模块，其中显示器控制模块连接显示器；通信部分包括USB传输模块和光纤收发模块，实现图像信号的USB高速传输；利用USB转光纤，经过USB与TTL电平转换，再利用电信号转光信号，实现光纤的收发。本发明不仅能消除孤立噪音，降低图像灰度值，还能有效增强图像。

技术领域

本发明涉及图像采集领域，特别是基于FPGA的煤矿高速图像采集与降噪系统及处理方法。

背景技术

在我国煤炭行业是国内工业领域重要能源之一，我国煤炭资源丰富且数量十分多，煤炭开采工作环境多为井工矿，大多是井下开采，并且井下工作环境十分恶劣。于此同时煤矿井下生产工作空间狭小，光线效果不佳，矿下工作人员多且我国的煤矿生产以中小型为主，他们相对不完善的自动化技术是导致事故发生量增大的原因，事故发生后对有用的图像信息不能完好的保存。煤矿井下供电设备陈旧、可靠性不高以及线路杂乱，煤矿井下工作时会产生大量的粉尘，他们对供电设备的破环造成的井下瓦斯爆炸事故十分多。煤矿井下夹杂着大量的粉尘和雾气使得图像清晰度下降，另外图像在煤矿井下的传输等过程中会产生噪声。因此，煤矿视频监控系统中对噪声处理的好坏直接影响图像的效果。

现有技术采用的技术方案如下：

(1)8位或16位单片机：这些单片机的系统时钟频率较低，对于高频采集电路并不能很好的实现，而且大多通过C语言编程。在顺序读取软件的同时浪费时间，很难满足高速图像采集与处理的需求。

(2)DSP与ARM：如今DSP与ARM都具有很高的时钟频率，但是对于多模块逻辑单元的把握性不强，说白了就是并行处理能力差，尤其对复杂的电路的控制力很弱。

(3)目前市面上主流的图像去噪方法为低通滤波法和均值滤波法。低通滤波法虽能有效去除噪音，但会使图像模糊化。均值滤波法对高斯噪音有良好的去噪能力，但会对图像的高频细节造成破坏，使图像模糊化。

(4)目前图像处理的芯片主流是Xilinx，但其成本较高，且在中国市场占有率较低，资料并不完善。

目前市面上主流的矿下图像采集与处理普遍存在以下问题：

(1)视频图像中存在着不均匀亮度。因为井下照明设备的存在，在监控视频中可以发现，距离照明设备近的地方灯光比较亮，所以监控到的视频也比较亮，距离照明设备远的地方，灯光比较暗，所以在监控视频中就比较灰暗。以及一些障碍物的遮挡导致视频中的亮度也不同，灯光地方我们监控到的可能就是一片黑的区域。

(2)视频图像亮度整体偏暗。煤矿井下本身就处于一个黑暗的环境中，灯光的亮度远远达不到视频采集亮度的要求，再加上摄像头的分辨率有限，所以导致整体偏暗。

(3)采集的视频图像色彩信息不健全且目标物体与背景环境颜色类似。煤矿井下环境单一，彩色信息不强，颜色区分度比较低，井下主要是以黑色的煤炭为主，还有一些作业工人的衣服和安全帽的颜色，以及一些煤炭采集设备的颜色，大部分图像呈现出黑色、白色、灰色的色调，不像井上采集的视频颜色比较丰富。井下颜色相似指的是井下煤炭工人都穿着工作服作业，颜色相同。

(4)图像噪声大。由于煤矿井下极其恶劣的环境以及在成像转换过程或传输过程中都加入了各种噪声，这些噪声使得煤矿井下视频图像的细节丢失并导致了图像的模糊。