煤矿井下全景影像采集系统设计.pdf

第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 文章编号671-251X201808-0006-04 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17331 煤 矿 并 下 全 景 影 像 集 系 统 设 计 殷大发 煤炭科学技术研究院有限公司， 北 京 100013 摘要 针对现有全景影像采集装置因体积较大而不便在井下应用， 且因采用点光源导致采集图像存在光 照不均现象等问题， 设计了一种煤矿井下全景影像采集系统， 详细介绍了该系统本质安全型LED照明装置、 本质安全型全景图像采集装置、 智能车载里程记录仪、 图像采集同步控制器等关键硬件设计方案及图像采集 同步控制流程。测试结果表明， 该系统能够快速、 便捷地采集井下全景图像， 图像质量较好。 关键词 煤矿虚拟场景； 全景影像；图像采集同步控制％里程记录仪％本质安全型 中图分类号TD67 文献标志码A 网络出版地址 Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180717. 1107. 001. html Design of panoramic image acquisition system in coal mine underground YIN Dafa China Coal Research Institute, Beijing 100013, China Abstract For problems of large size of existing panoramic image acquisition devices which did not apply to coal mine underground and collected image with uneven illumination caused by pointolite in the devices, a panoramic image acquisition system in coal mine underground was designed. Synchronous control process of image acquisition of the system was introduced in detail as well as design schemes of key hardware including intrinsically safe type LED lighting device, intrinsically safe type panoramic image acquisition device, intelligent vehicle loaded mileage recorder and image acquisition synchronization controller, etc. The test resuit shows that the system can quickly and conveniently acquire panoramic image of coal mine underground with good image quality. Key words virtual scene of coal mine; panoramic image; image acquisition synchronization control; mileage rccorder; intrinsically safe type 收稿日期 2018-04-30;修回日期 2018-07-02;责任编辑 李明。 基金项目 国家科技重大专项资助项目（ 2016ZX05045-007。 作者筒介殷大发（ 1E79-， 男 ， 安徽明光人， 副研究员， 硕士， 现主要从事矿山安全监测监控、 三 维 GIS、 信息化与自动化等方面的研究工作， E-mail dfyin 163. com。 引用格式殷大发. 煤矿井下全景影像采集系统设计工矿自动化， 2018,448-9. YIN Dafa. Design of panoramic image acquisition system in coal mine underground[J]. Industry and Mine Automation,2018448 6-9. 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Applied Optics， 2011，5 0 17 2531-2550. 2 0 1 8 年 第 8 期殷 大 发 煤 矿 井 下 全 景 影 像 采 集 系 统 设 计 〇 引言 全景影像源自对真实场景的拍摄捕捉， 展示选 定 位 置 360球型范围 所有景象， 最大限度地保 留场景的真实性， 给人以三维 觉 ， 具有 小 、 场景绘制速度快的优点[1]。采用全景影 像技术 煤矿虚拟场景， 在场景创 杂性、 场景 实感、 成 方面较传统的三维几何 方法有 显优势[2]。 有的全景影像采集装置大多只适用于地面上 的图像采集车， 即 在 机 动 车 上 安 装 GPSGlobal PositioningSystem， 全球定位系统） 、 CCD Charge CopledDevice， 电荷耦合元件） 、 航位推算系统、 激 光 系统、 数字视频系统等[3]。 述设备往往体 积较大， 不便应用于煤矿井下复杂环境和狭小 I 。 井下光线 ， 现有全景影像采集装置 使用的点光源 分布不均勻， 采集图像会随 [ 变化出现光照不均 [45]。为 述问题， 笔 发 小 、 易携带， 且具有 、 里程 图像位 煤矿井下全景影像采 集系统， 可用于在井下复杂 中采集全景图像。 1系统整体设计 煤矿井下全景影像采集系统由低功耗本质安全 简称本安） 型 LED照明装置、 本安型全景图像采集 装置、 程 仪 、 图像采集 控制器、 成 ， 并安装在井下移动采集 ， 如 图 1所示。全景图像采集装置通过支架固定于移动 集 ， 本安 型 LED 装置安装于采集 后 左 右 4 个方向提供照明。采集 巷道中行驶时， 程 仪自动 过的路程， 当移动 图 1煤矿井下全景影像采集系统组成 Fig. 1 Composition of panoramic image acquisition system in coal mine underground 距离达到设定值时， 智能车载里程记录仪自动拍照 或发出 报 示手动拍照， 并将图像 于全 景图像采集装置内存卡中， 同时图像采集同步控制 器 集点的位置信 到工程文件中[6]。 2系统硬件设计 2.1 本安型LED照明装置 本安 型 LED照明装置如图2 所示。其采用不 镑钢 ， 除去了传统隔爆式照明装 及 网， 采用 ， 大大减小了装置质量； 具有 8 档 P iM Pulse Width Modulation，脉冲宽 度调制） 电子调光， 可通过调光键调节亮度； 采用本 安型电源及LED光源， 节能且寿命长。装置在散热 功能方面， LED光源板直接与 ， 散热片 裸露在外， 使得光源有效散热； 在防眩处理方面， 采 用防眩光 ， 将光分割成细小部分， 既不易产生眩 光 ， ， 得 效果。 图 2本 安 型 LED照明装置 Fig. 2 Intrinsically safe type LED lighting device 本 安 型 LED照明装置采用基于P i M 的智能 驱动控制技术对LED进行温度监测， 实 现 对 LED 工作电流和亮度的调节， 抑 制 LED温度上升， 降低 热损耗， 提高发光效率， 保证在本安供电下LED照 度的最大化。 2.2 采 全景图像采集装置由4 台单反相机（ 含鱼眼镜 头） 、 1台全景云台、 支架等组成。相机安装在全景 云台上， 云台由支架支撑。每台相机的视角范围为 360X 170水平X 垂直） ， 角度向上仰5， 可采集正 上方图像， 有效避免拼接后可能出现的“ 上方黑洞” 问题。全 景 图 像 采 集 装 置 整 机 尺 寸 为 490 mmX 490 mmX320 mm长X 宽 X 高），采集的每张全景 图像分辨率可达7. 2X 107 PPI。 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 2.3 智能车载里程记录仪 程记录仪由编码器与计数显示器组 成 ， 具有里程记录、 自动 信息传输功能。其采 用红外光电同步脉冲技术， 可实现全程测距和指定 动清零， 具有行驶里程换算、 调零、 校准等功 能 ， 可发出 拍照信号到图像采集 控制器， 控 景图像采集装 集图像[7]。 程记 录仪自动记录当前采集点位置， 实现图像与位置坐 L [8 - 9]。 2 . 4 图像采集同步控制器 图 像 集 控 器 程 仪 发出 拍照信号， 并通过 快门线向连接的 多 台 相 机 发 出 拍 照 指 令 ， 实 现 多 台 相 机 同 时 拍 [10]。其工 理如图3 所示。 f M - 〇 〇 〇 〇 〇 智能车载 里程记录仪 电池盒 里程记录仪数据 大于20 m时触发 图像采集 同步控制器 相机 均勻。针对该问题， 对图像采集同步控制方式进行 以下改进。 1将定时自动控制方式中的定时控制改为等 控 。 程 仪 集 过 程计 ， 当 集 驶 ， 程 仪 拍照信号发 景图像采集装置， 执 行多相机同步拍照。 “ 将改 动控制与手动单步控制相结 合 ， ， 巷道全景图像采集点均勻分布， 又可随 随地 集需要的图像。 图像采集 控制流程如图4 所示。 图 4图像采集同步控制流程 图 3图像采集同步控制器工作原理 Fig. 4 Synchronous control process of image acquisition Fig. 3 Working principle of image acquisition synchronization controller 图像采集同步控制器对单台相机进行驱动时瞬 时电流较大， 因此采用 安型电源分别给多台 相机同时供电， 以减小快门触发时产生的电流对其 他相机的影响， 实现同步驱动下多相机的本安供电。 3图像采集同步控制程序设计 图 像 集 控 程 控 景图 像采集装置内的多台相机同步拍照。控制方式包括 动单步控 动控制[11]。 动单步控制 方式 景图 像 集装 1 快 线与 图像采集同步控制器 ， 通过手动按下快 ， 实 机同步拍照； 定时自动控制方式是指图 像采集同步控制器 ， 自动发出 图像采集信号[1213]。 由于井下巷道复杂且地面起伏不平， 采集车难 以维持勻速行驶， 相同时间内经过的路程往往不同， 动控制方式获得的图像采集点位置分布极不 4移动采集车组装 “ 选用体积小、 质量轻的人力三轮车作为移 动采集车原型， 安装本安型LED 装 景图 像采集装 架 。 “ 将 本 安 型 LED照明装置安装在移动采集 车上。分别将光投向前后左右4 个方向， 根据灯光 反射体到采集车的距离调节光照亮度。当移动采集 巷 驶时， 前 后 2 个方向 射 很 远 ， 需用强光照射， 尽可能将巷道延伸方向照亮； 左 右 2 个方向 射体（ 巷 ） 较近， 采用弱 光 射 。 3 景 图 像 集 装 安 装 动 集 。 装有 单 机 安 装 景 上 ， 由支架支撑。 “ 将智能车载里程记录仪固定在移动采集车 后轮车轴上。 动时， 编码器 信号传输 到计数显示器， ， 长计算行驶里程[1415]。 “ 将图像采集 控制器 程 2 0 1 8 年 第 8 期殷 大 发 煤 矿 井 下 全 景 影 像 采 集 系 统 设 计 记录仪和全景图像采集装置， 并加装手刹和张贴反 光标志％ 动采集车在井下的安全性。 组装后的移动采集车如图5 所示。 图 5组装后的移动采集车 Fig. 5 Mobile acquisition vehicle after assembly 6系统测试 将煤矿井下全景影像采集系统在神东煤炭集团 有限 公司井下巷 测试， 采集影像如图 所示， 可看出影像清晰， 质量较好。系 统 在 10个采 集 点 采 集 影 像 5 min 理耗时 约 10 min， 较以往的人工采集速度“ 0 个采集点耗时 约 45 min和美化处理速度“ 0 个采集点图像耗时 约 1 h有了很大提尚。 图 6系统采集的井下巷道全景影像 Fig. 6 Panoramic image of underground roadway acquired by the system 7结语 针对煤矿井下复杂环境， 研制了一种煤矿井下 全景影像采集系统。该系统 有全景影像采 集装 大 - 题 ， 实 集图像自动 位 标 。测试结果表明， 该系统 方便、 快 地采集井下全景图像， 图像采集速度快、 质 ， 减少了图像后期美化处理工作， 进而降低了煤矿虚 拟场景 成本。 参 考 文 献 （ References [ 1] 杨 兆 瑛 ， 杨 兆 龙 ， 杜 明 义 ， 等 . 可 移 动 升 降 式 全 景 平 台 的设计与实现 [J ].城 市 勘 测 ， 2014“ 87-90. 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