專利名稱：井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于礦山無線監(jiān)控及無線礦山救援技術領域，尤其是涉及一種井下全 黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)。
背景技術：
目前，礦山監(jiān)控領域中，廣泛使用了礦用低照度高清晰攝像機，并且現(xiàn)有視頻采集 處理裝置均采用的是CCD傳感器+DSP控制器的組合技術方案，實際使用過程中，其通過采 取不同的CCD傳感器和DSP控制器相配合，實現(xiàn)了不同的成像效果，同時配以光纖等有線方 式對采集到的信號進行傳輸。因而，現(xiàn)有視頻采集處理裝置大多都存在以下局限性功耗較 大、攜帶不方便，沒有音頻通信，且多數攝像機并不能在全黑環(huán)境下即OLx照度下工作，即 便可以達到OLx照度的產品也是配有紅外輔助照明裝置，從而更進一步增加了功耗；同時， 現(xiàn)有視頻采集處理裝置僅適用于礦山監(jiān)控領域，并不適用于礦山救援過程中。而礦山救援 中使用的救援設備體積大、重量大且多采用有線方式傳輸，攜帶不便。綜上，煤礦配備監(jiān)控 設備和救援設備費用一般都比較昂貴。目前市場上沒有采用微光夜視儀+ARM處理器的礦用手持終端設備。ARM處理器處 理功能強大，處理速度快，片上外設比較豐富，接口多種多樣，適合于各種嵌入式系統(tǒng)；而現(xiàn) 有的DSP控制器相對與ARM控制器而言，功耗較大，片上外設有限，外圍電路相對復雜，制約 了電路板的面積。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種井下 全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，其所用設備結構簡單、體積小、組網靈活、移動輕便、成 本低且功耗低，能實現(xiàn)井下全黑環(huán)境下高清晰視頻采集處理和實時低功耗移動語音通信功 能。為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是一種井下全黑環(huán)境下高清 視頻采集處理系統(tǒng)，其特征在于包括外部殼體和安裝在所述外部殼體內部的電路板，所述 電路板上設置有為各用電單元供電的供電單元、微處理器以及分別與微處理器相接的視頻 采集及處理單元、語音處理單元、顯示單元、存儲單元、無線收發(fā)單元和USB接口，所述微處 理器通過USB接口與PC機相接；所述微處理器、視頻采集及處理單元、語音處理單元、顯 示單元、存儲單元、無線收發(fā)單元和USB接口連接組成一個對音頻和視頻信號進行采集以 及對所采集音頻和視頻信號進行無線收發(fā)、回放和串行輸出的移動終端設備；所述視頻采 集及處理單元包括光學鏡頭、與光學鏡頭相接的微光像增強器、與微光像增強器相接且能 將光信號轉換為電信號的CMOS圖像傳感器和設置在光學鏡頭周側的白光輔助光源，所述 CMOS圖像傳感器與微處理器相接。所述外部殼體為手持式殼體。所述微處理器為芯片S3C6410。[0008]所述CMOS圖像傳感器為芯片MT9D111。所述無線收發(fā)單元為WiFi無線通信模塊。所述語音處理單元為音頻編碼解碼芯片UDA1341TS。 所述微光像增強器通過C接口或CS接口與光學鏡頭相接，且微光像增強器通過光錐直接耦合方式耦合在CMOS圖像傳感器上。所述供電單元包括本安電源以及分別與所述本安電源相接的PMIC芯片、LDO芯片 和高效DC-DC芯片，所述本安電源包括供電電池、與所述供電電池相接的DC-DC轉換電路和 與所述DC-DC轉換電路相接的本質安全電路。本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點1、設計構思新穎，采用 CM0S+ARM11 方案，配以 128MB Mobile DDR SDRAMU28MB NAND Flash,目前市場上沒有基于此方案的終端產品。2、成本低、功耗低、體積小且質量輕，S3C6410是基于ARMl 176JZF-S內核的低成 本、低功耗、高性能微處理器解決方案，采用90nmC0MS工藝。內部集成了多個功能強大的硬 件加速器，集成多格式編解碼器(MFC)支持MPEG4/H. 263、H. 264編解碼和VCl解碼。同時 集成了許多硬件外設，如Camera接口、TFT_24bit真彩色IXD控制器、電源等系統(tǒng)管理、4通 道UART、32通道DMA、4通道定時器、通用I/O端口、IIS、IIC總線接口、USB Host、USBOTG, 3通道SD/MMC Host控制器及時鐘生成PLL。處理能力強、外設接口豐富，簡化了電路板的 設計，使基于本實用新型的終端產品實現(xiàn)小體積設計。3、使用效果好，視頻圖像清晰，能見度低達OLx:前端視頻采集單元是一套微光視 頻裝置，其將18mm超二代微光像增強器通過光錐耦合直接到CMOS攝像機上，像增強器輸入 端通過C或CS接口與光學鏡頭連接，同時配有白光輔助照明，并使該裝置一體化。顯示單 元為3. 5英寸640X480分辨率的TFT-LCD顯示器，采用S3C6410內置的H. 264編解碼器對 圖像進行編解碼，圖像質量達Dl質量。4、WiFi無線傳輸，組網快捷靈活、使用操作簡便采用的WiFi模塊基于802. llb/g 協(xié)議，基于本實用新型的視頻采集處理終端設備支持的數據傳輸率高達54Mbps，可以實現(xiàn) 多點對多點的快速組網。5、本安電路設計本實用新型采用本安電源供電，其電路設計符合本安標準 GB3836. 1、GB3836. 4要求，電路中設計有過壓、過流、防反接保護電路，有一鍵開關機設計， 增加了基于本實用新型的手持終端的使用壽命。6、用途廣泛，攜帶方便基于本實用新型的終端產品體積小，而且采用WiFi無線 傳輸，不需要依賴管道、線纜等介質，攜帶方便。既可以實現(xiàn)井下高清視頻監(jiān)控又可以實現(xiàn) 實時語音通信功能，既適用于礦山監(jiān)控領域，又適用于礦山救援領域，大大節(jié)省了煤礦的配 備成本。7、實際使用時非常方便，使用者只需采用一個手持通信終端即可如攝像機一樣， 實現(xiàn)井下全黑環(huán)境下高清晰視頻采集處理以及實時語音通信。綜上所述，本實用新型所用設備結構簡單、體積小、組網靈活、移動輕便、成本低且 功耗低，能實現(xiàn)井下全黑環(huán)境下高清晰視頻采集處理和實時低功耗移動語音通信功能。下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本實用新型的電路框圖。圖2為利用本實用新型進行井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理的方法流程圖。附圖標記說明1-供電單元；2-微處理器；3-視頻采集及處理單元；3-11-光學鏡頭；3-2-微光像增強器；3_3_白光輔助光源；3-4-圖像處理電路；4-語音處理單元；5-顯示單元；6-存儲單元；7-無線收發(fā)單元。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型所述的井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，包括外 部殼體和安裝在所述外部殼體內部的電路板；所述電路板上設置有為各用電單元供電的供 電單元1、微處理器2以及分別與微處理器2相接的視頻采集及處理單元3、語音處理單元 4、顯示單元5、存儲單元6、無線收發(fā)單元7和USB接口 8，所述微處理器2通過USB接口 8 與PC機9相接。所述微處理器2、視頻采集及處理單元3、語音處理單元4、顯示單元5、存 儲單元6、無線收發(fā)單元7和USB接口 8連接組成一個對音頻和視頻信號進行采集以及對所 采集音頻和視頻信號進行無線收發(fā)、回放和串行輸出的移動終端設備。所述視頻采集及處 理單元3包括光學鏡頭3-11、與光學鏡頭3-11相接的微光像增強器3-2、與微光像增強器 3-2相接且能將光信號轉換為電信號的CMOS圖像傳感器3-4和設置在光學鏡頭3-11周側 的白光輔助光源3-3，所述CMOS圖像傳感器3-4與微處理器2相接。本實施例中，所述外部殼體為手持式殼體。所述微處理器2為芯片S3C6410，所述 芯片S3C6410具體為芯片S3C6410XH-66，即主頻為667MHz。。所述無線收發(fā)單元7為WiFi 無線通信模塊。所述微光像增強器3-2通過C接口或CS接口與光學鏡頭3-11相接，且微 光像增強器3-2通過光錐直接耦合方式耦合在CMOS圖像傳感器3-4上。也就是說，視頻采 集及處理單元3中的視頻采集單元為一套微光視頻裝置，其將微光像增強器3-2 (具體是超 二代微光像增強器)通過光錐耦合直接耦合到CMOS圖像傳感器3-4上，并且整個裝置為一 體化結構，同時配有白光輔助光源3-3進行輔助照明。CMOS攝像機的攝像頭可視范圍達10 米，最低照度可達OLx，其中CMOS攝像機中的CMOS芯片為芯片MT9D111。所述顯示單元5 為3. 5英寸640 X 480分辨率的TFT-IXD顯示器，存儲單元6為4G容量的TF卡。所述WiFi 無線通信模塊為基于802. llb/g標準的無線WiFi模塊WM-G-MR-09，其最大傳輸速率可達 54Mbps。所述語音處理單元4為音頻編碼解碼芯片UDA1341TS。所述供電單元1包括本安電源以及分別與所述本安電源相接的PMIC芯片、LDO芯 片和高效DC-DC芯片，所述本安電源包括供電電池、與所述供電電池相接的DC-DC轉換電路 和與所述DC-DC轉換電路相接的本質安全電路。所述本安電源將輸入的4V-17V電壓通過 高效DC-DC轉換電路轉換成5V電壓，再通過PMIC芯片、LDO芯片和高效DC-DC芯片將5V電 壓轉換成3. 3V、3V、2. 8V、1. 8V和1. 2V多路電壓后分別給各用電單元供電，并且本安電源的 電路設計符合本安標準GB3836. 1和GB3836. 4要求。所述DC-DC轉換電路和高效DC-DC芯 片均為芯片TPS62112，所述PMIC芯片為芯片TPS650243。本實施例中，所述供電電源為外 置的12V磷酸鐵鋰蓄電池供電。[0033]如圖2所示，利用本實用新型進行井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理的過程，包括以下步驟步驟一、語音和視頻信號采集視頻采集及處理單元3實時采集被監(jiān)測環(huán)境內的 微弱圖像模擬信號，且通過微光像增強器3-2和圖像處理電路3-4對所采集的微弱圖像模 擬信號進行圖像增強和A/D轉換后送至微處理器2 ；同時語音處理單元4實時采集被監(jiān)測 環(huán)境內的語音模擬信號，且對所采集的語音模擬信號A/D轉換后送至微處理器2。步驟二、微處理器2對接收到的音頻和視頻信號進行無線收發(fā)、回放和串行輸出當需對視頻采集及處理單元3和語音處理單元4所采集音頻和視頻信號進行無線 發(fā)送時，微處理器2對接收到的音頻和視頻信號依次進行編碼壓縮、時間排序、存儲并打包 成適合無線網絡傳輸的數據包，同時微處理器2控制顯示單元5對接收到的視頻信號進行 同步顯示；將需發(fā)送信息打包成適合無線網絡傳輸的數據包之后，微處理器2控制無線收 發(fā)單元7對需發(fā)送數據包進行調制后通過無線網絡傳至接收端。此時，視頻采集及處理單 元3、語音處理單元4、微處理器2、顯示單元5、存儲單元6和無線收發(fā)單元7連接組成所述 移動終端設備的信號發(fā)射回路。本實施例中，微處理器2對接收到的音頻和視頻信號依次進行編碼壓縮、時間排 序、存儲并打包成適合WiFi無線網絡傳輸的數據包，同時微處理器2控制顯示單元5對接 收到的視頻信號進行同步顯示；將需發(fā)送信息打包成適合WiFi無線網絡傳輸的數據包之 后，微處理器2控制無線收發(fā)單元7對需發(fā)送數據包進行調制后通過WiFi無線網絡傳至接 收端，具體是通過WiFi路由進行發(fā)送且通過WiFi無線網絡傳至接收端。當需接收發(fā)送端所發(fā)送的音頻和視頻信號時，微處理器2控制無線收發(fā)單元7接 收自發(fā)送端所發(fā)送的音頻和視頻信號數據包，且通過無線收發(fā)單元7對所接收的數據包進 行解調后送至微處理器2 ；微處理器2相應依次對經解調后的數據包進行解包、存儲、時間 排序和解壓縮處理后，將處理后得到的音頻信號傳至語音處理單元4進行D/A轉換和濾波 并還原成語音模擬信號，同時將處理后得到的視頻信號傳至顯示單元5進行同步顯示。此 時，所述無線收發(fā)單元7、微處理器2、語音處理單元4、顯示單元5和存儲單元6連接組成所 述移動終端設備的信號接收回路。當需對存儲在存儲單元6中的音頻和視頻壓縮數據進行回放時，微處理器2對存 儲單元6中所存儲的視頻和音頻壓縮數據進行時間排序和解壓縮處理后，將處理得到的音 頻信號傳至語音處理單元4進行D/A轉換和濾波并還原成語音模擬信號，同時將處理后得 到的視頻信號傳至顯示單元5進行同步顯示，從而實現(xiàn)資料回放。此時，所述存儲單元6、微 處理器2、語音處理單元4和顯示單元5連接組成所述移動終端設備的信號回放回路。當需對存儲在存儲單元6中的音頻和視頻壓縮數據進行對外輸出時，微處理器2 將存儲單元6中所存儲的視頻和音頻壓縮數據通過所述USB接口 8直接傳輸到PC機9上。 此時，所述存儲單元6、微處理器2和USB接口 8連接組成所述移動終端設備的信號有線方 式輸出回路。實際操作時，本實用新型所述移動通信終端的工作過程是本安電源供電后，首先 信號發(fā)送方(即發(fā)射端)通過視頻采集及處理單元3即微光視頻裝置對視頻信號進行采 集、增強處理和A/D轉換后，再將增強后的數字圖像數據送到微處理器2并通過微處理器2 自帶的H. 264編解碼器進行處理；同時，語音處理單元4即送話器對需發(fā)送的語音模擬信號進行采樣和量化，同時把將量化后的數據送到微處理器2進行處理；所述微處理器2接收到 視頻采集及處理單元3發(fā)送的數字圖像數據和語音處理單元4發(fā)送的數字語音信號后，分 別依次進行壓縮、時間排序、存儲和打包以及顯示。由于經壓縮后的語音數據無法在WiFi 無線網絡中進行傳輸，因為WiFi無線網絡的傳輸延時具有不確定性，其不是時隙傳輸，而 是包傳輸；因而微處理器2在數據傳輸之前，必須根據實際數據包的大小進行合理打包；打 包之前，需將每一包中的數據格式進行改進；之后，微處理器2再將處理得到的數據包傳至 無線收發(fā)單元7，由于無線收發(fā)單元7支持數據傳輸率高達54Mbps，因而可以實現(xiàn)快速組 網。所述微處理器2采用H. 264編解碼器對視頻圖像信號進行H. 264格式壓縮，H. 264 編解碼格式最大的優(yōu)勢是具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質量的條件下，H. 264編解 碼格式的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1. 5 2倍，大大節(jié)省視頻圖像的傳輸 時間。另外，H. 264編解碼格式在具有高壓縮比的同時，還擁有高質量流暢的圖像。所述微 處理器2在對語音信號進行壓縮之前，語音數據以64Kbps速率進行傳輸，通過微處理器2 所傳輸的語音數據進行編碼壓縮后，成傳輸速率為8Kbps的語音信號。信號接收方(即接收端)通過無線收發(fā)單元7接收自發(fā)射端所發(fā)送的信號即數據 包并進行相應解調后，送至微處理器2進行處理；微處理器2收到數據包后，先把數據包暫 時存儲在緩沖區(qū)內，一般緩沖區(qū)內部可以容納很多包的數據，再進行解包，然后根據包順序 號，重新排列數據，這樣就可以完成網絡中傳輸實時數據的需要了，因而本實用新型是通過 犧牲緩沖區(qū)和一小段延時時間來完成語音數據的實時傳輸的，然后將數據存儲到存儲單元 6中。同時，由于收到的數據是壓縮后的圖像和語音數據格式，需要進行解壓，完成圖像和語 音數據的恢復。綜上，微處理器2將所接收的數據包依次進行解包、存儲、在時間排序和存 儲、解壓后，再將所述數字圖像信號傳至顯示單元5進行顯示，同時將數字語音信號傳至語 音處理單元4，通過語音處理單元4將所傳入數據通過D/A轉換和濾波后，還原成語音模擬 信號并通過受話器送給用戶，這樣就完成了高清圖像和語音的整個傳輸過程。信號回放時，微處理器2將存儲單元6中的圖像和語音數據解壓后，分別送至顯示 單元5和語音處理單元4進行處理。由于存儲單元6中存儲的圖像和語音數據都是經過壓 縮編碼后的數據，因而需要經微處理器2解壓后再將數字圖像信號傳至顯示單元5進行顯 示，同時將數字語音信號傳至語音處理單元4通過D/A轉換和濾波后，還原成語音模擬信號 并通過受話器送給用戶。信號數據輸出時，可以通過有線方式直接輸出，微處理器2將存儲器單元7中的圖 像和語音數據解壓后經USB接口 8直接輸出到PC機9上。綜上所述，由于圖像和語音信號是連續(xù)的電信號，在發(fā)射端，井下全黑環(huán)境下，視 頻采集及處理單元3在白光輔助光源3-3的照明作用下，將采集到的十分微弱的模擬圖像 信號經過圖像增強和A/D轉換后轉為數字量，同時模擬語音信號通過語音處理單元4進行 A/D采樣和量化后轉變成數字量；并且，將處理后得到的數字圖像信號進行壓縮和時間排 序后送至顯示單元5進行圖像顯示，并在存儲單元6中進行存儲。另外，由于圖像和語音信 號數據具有順序性、實時性和數據量大的特點，因而其無法在WiFi無線網絡中進行傳輸， 在傳輸之前，必須先進行壓縮和排序，再進行存儲和打包(符合WiFi傳輸的數據包)，然后 通過調制和WiFi路由在WiFi網絡中進行傳輸。相應地，當接收端接收數據時，先進行解調、再進行解包和存儲以及再排序和解壓，最后再通過顯示單元5顯示圖像，通過語音處理 單元4進行D/A轉換和濾波后還原成語音模擬信號。 以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，并非對本實用新型作任何限制，凡是根 據本實用新型技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍 屬于本實用新型技術方案的保護范圍 內。
權利要求一種井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，其特征在于包括外部殼體和安裝在所述外部殼體內部的電路板，所述電路板上設置有為各用電單元供電的供電單元(1)、微處理器(2)以及分別與微處理器(2)相接的視頻采集及處理單元(3)、語音處理單元(4)、顯示單元(5)、存儲單元(6)、無線收發(fā)單元(7)和USB接口(8)，所述微處理器(2)通過USB接口(8)與PC機(9)相接；所述微處理器(2)、視頻采集及處理單元(3)、語音處理單元(4)、顯示單元(5)、存儲單元(6)、無線收發(fā)單元(7)和USB接口(8)連接組成一個對音頻和視頻信號進行采集以及對所采集音頻和視頻信號進行無線收發(fā)、回放和串行輸出的移動終端設備；所述視頻采集及處理單元(3)包括光學鏡頭(3-11)、與光學鏡頭(3-11)相接的微光像增強器(3-2)、與微光像增強器(3-2)相接且能將光信號轉換為電信號的CMOS圖像傳感器(3-4)和設置在光學鏡頭(3-11)周側的白光輔助光源(3-3)，所述CMOS圖像傳感器(3-4)與微處理器(2)相接。
2.按照權利要求1所述的井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，其特征在于所述 外部殼體為手持式殼體。
3.按照權利要求1或2所述的井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述微處理器(2)為芯片S3C6410。
4.按照權利要求1或2所述的井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述CMOS圖像傳感器(3-4)為芯片MT9D111。
5.按照權利要求1或2所述的井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述無線收發(fā)單元(7)為WiFi無線通信模塊。
6.按照權利要求3所述的井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，其特征在于所述 語音處理單元(4)為音頻編碼解碼芯片UDA1341TS。
7.按照權利要求1或2所述的井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述微光像增強器(3-2)通過C接口或CS接口與光學鏡頭(3-11)相接，且微光像增強器 (3-2)通過光錐直接耦合方式耦合在CMOS圖像傳感器(3-4)上。
8.按照權利要求1或2所述的井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，其特征在于 所述供電單元(1)包括本安電源以及分別與所述本安電源相接的PMIC芯片、LDO芯片和高 效DC-DC芯片，所述本安電源包括供電電池、與所述供電電池相接的DC-DC轉換電路和與所 述DC-DC轉換電路相接的本質安全電路。
專利摘要本實用新型公開了一種井下全黑環(huán)境下高清視頻采集處理系統(tǒng)，包括外部殼體和安裝在外部殼體內部的電路板；電路板上設置有供電單元、微處理器以及分別與微處理器相接的視頻采集及處理單元、語音處理單元、顯示單元、存儲單元、無線收發(fā)單元和USB接口，微處理器通過USB接口與PC機相接且上述器件連接組成一個對音頻和視頻信號進行采集且對所采集音頻和視頻信號進行無線收發(fā)、回放和串行輸出的移動終端設備；視頻采集及處理單元包括光學鏡頭、微光像增強器、CMOS圖像傳感器和白光輔助光源。本實用新型設備結構簡單、體積小、組網靈活、移動輕便、成本低且功耗低，能實現(xiàn)井下全黑環(huán)境下高清晰視頻采集處理和實時低功耗移動語音通信功能。
文檔編號H04N7/18GK201577153SQ20092024553
公開日2010年9月8日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權日2009年12月1日
發(fā)明者李文峰, 羅文靜, 薛穎軼, 韓非 申請人:西安終南信息技術有限公司