基于矿灯设备的井下人员识别定位及通信系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于矿灯设备的井下人员识别定位及通信系统。利用矿灯设备中的信号光源以光信号形式发送信息，利用井下视频采集装置采集光信号，利用井上视频处理装置处理光信号，基于对光信号的译码结果实现了人员身份识别、定位以及井下环境数据采集等功能。所述方法与系统在实现人员识别与定位时，不依赖于外部光照条件、识别率高，易于实施、建设成本低；解决了无线电波定位存在的定位精度低，系统成本高等问题。

Underground Personnel Identification, Location and Communication System Based on Mine Lamp Equipment

【技术实现步骤摘要】
基于矿灯设备的井下人员识别定位及通信系统
本专利技术涉及一种基于矿灯设备的井下人员识别定位及通信系统，此系统主要涉及编程控制、图像处理以及通信等技术。
技术介绍
矿井人员定位系统是国务院(国发[2010]23号)要求煤矿和非煤矿山必须装备的安全避险六大系统之一，在遏制超定员生产等安全生产和应急救援中发挥着重要作用。矿井人员广泛采用的RFID技术，不能精确定位，难以满足矿井遇险遇难人员搜寻和车辆伤人等事故防治和应急救援需求。矿井无线电信号传输衰减严重、无线电传输衰减模型复杂多变、卫星定位信号无法穿透煤层和岩层到达井下、矿井定位需覆盖长达10km的巷道等制约着地面定位技术在矿井应用。井下动目标定位常用的定位方法有：接受信号强度指示(ReceivedSignalStrengthIndication,RSSI)，测量到达时间(TimeOfArrival,TOA)等方法。信号强度指示(RSSI)方法是目前Zigbee和WiFi网络采用的主要定位方法，RSSI方法简单易实施。但无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大，定位精度低，定位误差可达几十米。到达时间定位TOA需定位卡与分站、分站与分站之间严格同步，系统同步困难，晶振稳定性要求高，系统复杂，成本高。随着井下视频监控的普及与推广，科研人员提出了基于视频图像的井下人员定位方法，通过对井下人员图像进行识别实现定位，但在实施过程中，如何确定人员身份是难以解决的瓶颈问题。目前主要有通过人脸识别和动作特征识别的识别方法，但井下光照度差，图像分辨率和清晰度差，难以满足人脸特征识别的需要，所以人脸特征识别不适用于井下人员定位；人体动作特征识别技术尚不成熟，识别准确率低，而且人员动作特征识别需要足够数量的动作图像，无论在摄像机安装位置、摄像机密度、光照条件、及人员身体之间的相互遮挡等方面都有较高的要求，不适用于井下人员定位。因此需要一种不依赖于外部光照条件、识别率高、易于实施的井下人员识别定位及通信系统。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于矿灯设备的井下人员识别定位及通信系统，利用井下视频采集装置采用光通信的方式实现了人员身份识别、井下环境数据采集、定位等功能，解决了无线电波定位存在的定位精度低，系统成本高等问题。所述方法与系统不依赖于外部光照条件、识别率高、易于实施、建设成本低，有着广泛地应用前景。所述系统包括矿灯设备与视频管理设备；所述矿灯设备包括灯头、供电装置、控制装置，所述灯头包括至少一个发光源和至少两个信号光源，所述发光源为发出可见光的LED，所述信号光源包括但不限于发出不可见光的红外灯，所述信号光源围绕发光源安装，所述发光源用于照明，所述信号光源用于以不同工作模式发送包含信息的光信号，所述信息包括人员身份信息；所述信号光源的工作模式包括亮度变化、点亮的区域分布变化或点亮时组成的形状变化；所述控制装置可经佩戴人员手动调节控制矿灯进入应急通信模式；所述视频管理设备包括视频采集装置、有线通信网络及视频处理装置；所述视频采集装置安装在井下，负责采集矿灯工作的视频图像；所述有线通信网络连接井下与井上，负责数据传输；所述视频处理设备安装于井上，负责处理视频进行译码；系统通过对所述发光源在不同工作模式下发出光信号进行译码得到的通信信息，并实现人员身份识别，通过采集视频的摄像设备的位置实现人员定位。所述井下人员识别与定位的方法及系统进一步包括：所述灯头是以多个信号光源来发出包含信息的光信号，诸多个信号光源以多种形状的、多层的、环绕着发出可见光发光源的方式进行安装分布；并且，信号光源发出的光可以被摄像机采集但人眼不可见。1.所述井下人员识别与定位的方法及系统进一步包括：所述视频采集设备安装在井下，是由井下已经装设的摄像头和视频编码器组成，在完成视频采集工作的同时，还能实现对摄像机输出的视频文件进行压缩处理，再经有线通信网络将压缩的信息传至井上视频管理设备；所述井下人员识别与定位的方法及系统进一步包括：所述视频管理设备安装于井上，包括视频处理服务器、存储服务器以及监控终端，在实现处理视频图像完成译码的同时，可以对视频进行实时监控显示，还可以存储视频文件用于随时调出查看，所述的摄像头和视频编码器的工作也可以用数字摄像头完成。2.所述井下人员识别与定位的方法及系统进一步包括：视频管理设备对图像进行处理与检测时，应对矿灯的轮廓进行检测，即在视频图像的每一帧中判断定位到矿灯的所在位置，检测过程包括：a.对原始图像进行平滑处理，所选用的平滑处理公式为：平滑处理得到的结果为：G(x,y)＝f(x,y)*H(x,y)，其中f(x,y)表示原始视频图像信息；b.锐化与边缘判定，对平滑后的图像数据求解一阶偏导的有限差分实现锐化，计算过程为：首先计算梯度值其中与为一阶差分卷积模板，进一步的计算梯度幅值：梯度的方向：对于计算得到的梯度幅值进行筛选，保留局部梯度最大点，将非局部极大值置为0，实现边缘的判定；c.连接边缘形成轮廓，选用两个阈值T1和T2(T1＜T2),对图像进行阈值化处理，过程包括：利用T2得到高阈值边缘分布图像，利用T1得到低阈值边缘分布图像，结合二者实现将边缘连接为轮廓；d.判断轮廓是否为矿灯，基于矿灯工作时可采集到的区域范围大小，选用阈值S1和S2(S1＜S2)，若一个轮廓对应于原图像中的局部位置的区域大小介于S1与S2之间，则判定此轮廓为矿灯轮廓。3.所述井下人员识别与定位的方法及系统进一步包括：所述视频管理设备对图像进行处理与检测时，应对矿灯的工作模式进行检测；对于信号光源亮度变化的检测,利用积分图像统计矿灯在图像中对应的局部区像素和，并对其进行阈值化处理，来实现判断出每一帧中矿灯为熄灭还是点亮。4.所述井下人员识别与定位的方法及系统进一步包括：所述视频管理设备对图像进行处理与检测时，应对矿灯的工作模式进行检测；对所述信号光源点亮区域或者信号光源点亮组成不同形状的两种工作模式检测时，这两种工作模式都表现为采集图像中的矿灯外围形状不同；对于这两种工作模式的检测是通过对于矿灯外围形状的检测来实现，对于矿灯外围形状的检测是基于轮廓一维化描述的方法，检测过程包括：在轮廓线上选择一个参考点(x0,y0)为起始点，绕轮廓线一周计算所有轮廓上的点(xi,yj)到质心(x*,y*)的欧氏距离Dij以及此点对应于参考点旋转的角度θij，绘制D(θ)波形图并与各种已知形状对应波形图进行拟合实现对于此轮廓的形状的判定。5.所述井下人员识别与定位的方法及系统进一步包括：所述视频管理设备在对图像进行处理与检测时，采用基于直方图统计的视觉追踪方法来减小对矿灯位置检测的误差，追踪过程包括：求出前一帧矿灯轮廓区局部直方图，在下一帧中以同等于上一帧的矿灯轮廓区域大小的区块对图像进行循环遍历扫描，寻找到直方图匹配的区域；一旦匹配成功，利用对应子块区域的位置信息来修正此帧中检测到的矿灯轮廓位置。6.所述井下人员识别与定位的方法及系统进一步包括：通过采集视频的摄像设备的位置实现人员定位时主要包括：通过根矿灯发光源实际尺寸、矿灯发光源在图像中的大小以及摄像机焦距的对应关系，来计算矿灯到摄像机距离。利用此距离与已知的摄像机位置坐标组合求得人员的井下位置坐标，从而实现了人员的定位。7.所述井下人员识别与定位的方法及系统进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于矿灯设备的井下人员识别定位及通信系统,其特征在于：所述系统包括矿灯设备与视频管理设备；所述矿灯设备包括灯头、供电装置、控制电路，所述灯头包括至少一个发光源和至少两个信号光源，所述发光源为发出可见光的LED，所述信号光源包括但不限于发出不可见光的红外灯，所述信号光源围绕发光源安装，所述发光源用于照明，所述信号光源用于以不同工作模式发送包含信息的光信号，所述信息包括人员身份信息；所述信号光源的工作模式包括亮度变化、点亮的区域分布变化或点亮时组成的形状变化；所述矿灯设备可经手动调节进入应急通信模式；所述视频管理设备包括视频采集装置、有线通信网络及视频处理装置；所述视频采集装置安装在井下，负责采集矿灯工作的视频图像；所述有线通信网络连接井下与井上，负责数据传输；所述视频处理设备安装于井上，负责处理视频进行译码；系统通过对所述发光源在不同工作模式下发出光信号进行译码得到的通信信息，并实现人员身份识别，通过采集视频的摄像设备的位置实现人员定位。

【技术特征摘要】
1.基于矿灯设备的井下人员识别定位及通信系统,其特征在于：所述系统包括矿灯设备与视频管理设备；所述矿灯设备包括灯头、供电装置、控制电路，所述灯头包括至少一个发光源和至少两个信号光源，所述发光源为发出可见光的LED，所述信号光源包括但不限于发出不可见光的红外灯，所述信号光源围绕发光源安装，所述发光源用于照明，所述信号光源用于以不同工作模式发送包含信息的光信号，所述信息包括人员身份信息；所述信号光源的工作模式包括亮度变化、点亮的区域分布变化或点亮时组成的形状变化；所述矿灯设备可经手动调节进入应急通信模式；所述视频管理设备包括视频采集装置、有线通信网络及视频处理装置；所述视频采集装置安装在井下，负责采集矿灯工作的视频图像；所述有线通信网络连接井下与井上，负责数据传输；所述视频处理设备安装于井上，负责处理视频进行译码；系统通过对所述发光源在不同工作模式下发出光信号进行译码得到的通信信息，并实现人员身份识别，通过采集视频的摄像设备的位置实现人员定位。2.如权利要求1所述的井下人员识别定位及通信系统，其特征在于：所述灯头是以多个信号光源来发出包含信息的光信号，所述信号光源以多种形状的、多层的、环绕着发光源的方式进行安装分布；信号光源发出的光可以被摄像机采集但人眼不可见。3.如权利要求1所述的井下人员识别定位及通信系统，其特征在于：所述信号光源工作模式包括通过点亮的多个信号光源组成的形状变化发送光信号，所述形状包括正方形、矩形、圆形、正三角形和倒三角形。4.如权利要求1所述的井下人员识别定位及通信系统，其特征在于：所述信号光源工作模式包括通过信号光源点亮区域分布变化发送光信号，所述区域包括只有单独点亮的一个区域或者组合同时点亮的多个区域，并且各个区域所点亮的信号光源的数目可以不同。5.如权利要求1所述的井下人员识别定位及通信系统，其特征在于：所述视频采集装置安装在井下，是由井下已经装设的摄像头和视频编码器组成，在完成视频采集工作的同时，还能实现对摄像机输出的视频文件进行压缩处理，再经有线通信网络将压缩的信息传至井上视频处理装置；所述视频处理装置安装于井上，包括视频处理服务器、存储服务器以及监控终端，在实现处理视频图像完成译码的同时，可以对视频进行实时监控显示，还可以存储视频文件用于随时调出查看；所述监控摄像头和视频编码器可用集成了其功能的数字摄像机替代。6.如权利要求1所述的井下人员识别定位及通信系统，其特征在于：视频处理装置对图像进行处理与检测时，应对矿灯的轮廓进行检测，即在视频图像的每一帧中判断定位到矿灯的所在位置，检测过程包括：a.对原始图像进行平滑处理，所选用的平滑处理公式为：平滑处理得到的结果为：G(x,y)＝f(x,y)*H(x,y)，其中f(x,y)表示原始视频图像信息；b.锐化与边缘判定，对平滑后的图像数据求解一阶偏导的有限差分实现锐化，计算过程为：首先计算梯度值其中与为一阶差分卷积模板，进一步的计算梯度幅值：梯度的方向：对于计算得到的梯度幅值进行筛选，保留局部梯度最大点，将非局部极大值置为0，实现边缘的判定；c.连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘毅，赵志一，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11