[發(fā)明專利]一種基于FPGA的公路危巖崩塌堆積物大小測(cè)量及報(bào)警系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710334716.9
• 申請(qǐng)日: 2017-05-12
• 公開（公告）號(hào): CN107169969B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃揚(yáng)帆;王揚(yáng);阮禎臻;黎彥蕓;黃林;周鑫;余江鵬;吳青晨;朱國(guó)仁;甘平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/11
• 分類號(hào): G06T7/11;G06T7/136;G06T7/62;G01B11/00
• 代理公司: 重慶博凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50212
• 代理人: 張先蕓

1.一種基于FPGA的公路危巖崩塌堆積物大小測(cè)量及報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，包括：

視頻圖像采集模塊：包括CCD攝像頭和視頻解碼芯片，視頻解碼芯片的輸出通過FPGA的外擴(kuò)接口與FPGA主控芯片連接；

FPGA處理模塊：包括FPGA主控芯片，F(xiàn)PGA主控芯片輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼芯片處理后通過VGA接口與LCD顯示器連接；對(duì)視頻圖像采集模塊采集的圖像經(jīng)幾何校正、濾波后進(jìn)行融合算法處理，實(shí)現(xiàn)公路危巖崩塌堆積物大小測(cè)量及報(bào)警的處理；

視頻圖像顯示模塊：由編碼芯片及LCD顯示器組成；將FPGA主控芯片處理后的圖像在LCD顯示器上實(shí)時(shí)顯示出來；

其中，所述FPGA主控芯片的算法流程包括幾何校正、中值濾波處理和融合算法處理；融合算法分危巖崩塌狀態(tài)識(shí)別和堆積物大小測(cè)量及報(bào)警；具體包括：

①危巖崩塌狀態(tài)識(shí)別：

當(dāng)系統(tǒng)上電后進(jìn)入危巖崩塌狀態(tài)識(shí)別狀態(tài)，首先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷以及連通性處理，設(shè)置的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域；如果重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)沒有檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體，則繼續(xù)檢測(cè)；若重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體，則再計(jì)算重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)二值化差分圖像所占區(qū)域的比重，若比重大于閾值T1，則判定重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)有危巖崩塌發(fā)生，系統(tǒng)結(jié)束危巖崩塌狀態(tài)識(shí)別過程，進(jìn)入堆積物大小估測(cè)與報(bào)警過程，若沒有超過閾值則重新開始檢測(cè)；

整個(gè)危巖崩塌狀態(tài)識(shí)別分為：重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域劃分、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷、連通性處理；

重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域劃分：在安裝攝像頭之前，先肉眼觀察邊坡危巖的情況，將認(rèn)為比較危險(xiǎn)的地方放入重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域的大小；在70%的邊坡區(qū)域的正中心設(shè)置一個(gè)大小可以調(diào)節(jié)的重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域；

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷：采用幀間差分的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷；幀間差分法就是相鄰兩幀圖像差分，將兩幀圖像對(duì)應(yīng)像素做相減運(yùn)算；

連通性處理：消除邊界的孤立點(diǎn)、毛刺以及平滑圖像的邊界而不改變圖像的整體輪廓形狀，得到一個(gè)比較清晰的運(yùn)動(dòng)區(qū)域檢測(cè)結(jié)果，達(dá)到優(yōu)化邊界輪廓的效果，使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)圖像濾波處理方法；

②堆積物大小測(cè)量及報(bào)警：

a)設(shè)置測(cè)量重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域即30%的公路區(qū)域；若重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)沒有堆積物圖像，則測(cè)量結(jié)束，重新返回危巖崩塌狀態(tài)識(shí)別過程，若重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)有堆積物，則進(jìn)入下一步驟；

b)計(jì)算重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)堆積物圖像占重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的像素比重；若像素比重小于設(shè)定的閾值T2，則測(cè)量結(jié)束，重新返回危巖崩塌狀態(tài)識(shí)別狀態(tài)；若像素比重大于設(shè)定的閾值則進(jìn)入下一步驟，此狀況說明有影響公路正常通行的物體的出現(xiàn)，但不排除臨時(shí)停靠的車輛的影響；

c)為排除臨時(shí)停靠車輛因素的影響，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行處理，具體為每一分鐘在視頻流中抽取10幅圖片，連續(xù)抽取50幅，計(jì)算這50幅圖片中堆積物的相對(duì)大小，并用統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，若這50幅圖片堆積物的相對(duì)大小都超過閾值T3，就基本排除車輛停靠因素，說明有堆積物的存在，進(jìn)入下一步驟；

d)發(fā)出報(bào)警：報(bào)警信息分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，危害程度依次增加，根據(jù)關(guān)注區(qū)域內(nèi)堆積物圖像占重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的像素比重大小劃分報(bào)警等級(jí)，并將其在LCD顯示器上顯示出來。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于FPGA的公路危巖崩塌堆積物大小測(cè)量及報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述FPGA主控芯片還連接有圖像壓縮模塊和緩存存儲(chǔ)器；所述FPGA主控芯片將含有崩塌堆積物的圖像進(jìn)行壓縮后再通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行上傳。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于FPGA的公路危巖崩塌堆積物大小測(cè)量及報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述緩存存儲(chǔ)器為SDRAM緩存芯片。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于FPGA的公路危巖崩塌堆積物大小測(cè)量及報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷以及連通性處理，包括當(dāng)危巖崩塌狀態(tài)識(shí)別模塊識(shí)別到重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的危巖有異常發(fā)生，則自動(dòng)啟動(dòng)堆積物大小估測(cè)及報(bào)警過程，采用區(qū)域生長(zhǎng)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，然后進(jìn)行二值化和連通性處理，最終得到二值化圖像，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估測(cè)，估測(cè)步驟如下：

a）區(qū)域生長(zhǎng)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到含有堆積物輪廓的圖像，為了將堆積物與背景區(qū)分開來，將背景像素點(diǎn)設(shè)為0，堆積物像素點(diǎn)設(shè)為1，變?yōu)槎祷瘓D像，然后進(jìn)行連通性處理，連通性處理方法同上；

b)區(qū)域生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)過程如下：①對(duì)圖像選取種子點(diǎn)，設(shè)該種子點(diǎn)像素為（ｘ，ｙ）；②以（ｘ，ｙ）為中心，考慮（ｘ，ｙ）的８鄰域像素（ｘ＇，ｙ＇），如果（ｘ＇，ｙ＇）滿足生長(zhǎng)準(zhǔn)則，將（ｘ＇，ｙ＇）與（ｘ，ｙ）合并，同時(shí)將（ｘ＇，ｙ＇）放入集合；③將集合中的每個(gè)像素當(dāng)作（ｘ，ｙ），重復(fù)步驟②；④集合為空時(shí)，返回步驟①；⑤循環(huán)步驟①－步驟④，直到都不符合生長(zhǎng)條件，則生長(zhǎng)終止；

(1)種子點(diǎn)選取：選取30%的公路區(qū)域的圖像的中點(diǎn)為種子點(diǎn)，開始區(qū)域生長(zhǎng)；

(2)生長(zhǎng)準(zhǔn)則：如果種子點(diǎn)的８鄰域像素與種子像素差值的絕對(duì)值小于某個(gè)門限T，則將其合并，放入集合；

(3)生長(zhǎng)終止：遍歷完30%的公路區(qū)域的圖像中的所有像素，并且每個(gè)圖像像素都有歸屬時(shí)，生長(zhǎng)結(jié)束。