基于3D全息投影的数据采集和分析装置的制作方法

本发明涉及数据分析领域，尤其涉及一种基于3D全息投影的数据采集和分析装置。

背景技术：

冰场即滑冰场，由干冰制造或自然结冰而成，在平地或水面结成平整冰面，供刀片状的溜冰鞋所用来嬉戏滑行的场所。随着经济的发展和城市的繁荣，冰场日渐为人们所青睐，成为孩子和成人锻炼身体、娱乐享受的重要场所。

然而，由于冰场的发展历史较短，相关的配套设施的研发仍不到位，尤其对于外场自然环境下的真冰场，受环境和区域的限制，一旦天气转暖，将面临冰层融化、裂缝加深的危险，而冰场的面积较大，管理人员有限，无法用肉眼及时观测到每一个滑冰区域的冰层状态，也难以获得准确的分析结果以判断是否存在危险。

因此，需要一种新的冰场管理机制，能够解决冰场管理困难的瓶颈，快速、及时、准确地获悉冰场每一个滑冰区域的冰场状态以及相应的分析结果，提高冰场的安全性能。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于3D全息投影的数据采集和分析装置，从以下几个方面解决冰场管理困难的技术问题：(1)通过3D全息投影方式，完全覆盖冰场区域，为冰场管理方提供冰场各个位置的安全程度；(2)基于图像处理的冰层裂缝识别和基于超声波的冰层厚度检测有机结合，提高破冰检测的效率和精度。

根据本发明的一方面，提供了一种基于3D全息投影的数据采集和分析装置，所述平台包括3D全息投影仪、SOC芯片、DSP协处理器和多个数据采集设备，所述多个数据采集设备分别位于冰场的各个检测点，用于采集对应检测点的冰层数据；

所述DSP协处理器分别与所述多个数据采集设备连接，用于接收多个冰层数据并进行分析，所述SOC芯片与所述DSP协处理器连接，用于接收所述DSP协处理器的分析结果，并基于所述分析结果构造冰场的3D投影图，所述3D全息投影仪与所述SOC芯片连接，用于接收所述3D投影图并在冰场上方对所述3D投影图进行全息投影。

更具体地，在所述基于3D全息投影的数据采集和分析装置中：检测点的冰层数据包括检测点所在位置的冰层厚度以及检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度；3D全息投影仪用于接收所述3D投影图并在冰场上方对所述3D投影图进行全息投影包括：3D全息投影仪的全息投影范围与冰场的各个检测点组成的区域完全吻合。

更具体地，在所述基于3D全息投影的数据采集和分析装置中，还包括：FLASH存储器，与DSP协处理器连接，用于预先存储第一预设权衡值、第二预设权衡值、裂缝宽度权重和冰层厚度权重；每一个数据采集设备包括冰层裂缝检测器和超声波检测器，冰层裂缝检测器用于检测对应检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度，超声波检测器用于检测对应检测点所在位置的冰层厚度。

更具体地，在所述基于3D全息投影的数据采集和分析装置中：所述超声波检测器包括超声波接收单元、超声波发射单元和AT89C51单片机，所述超声波发射单元用于向对应检测点所在位置的冰层发射超声波，所述超声波接收单元用于接收来自所述平台下方的第一反射超声波和第二反射超声波，所述AT89C51单片机分别与所述超声波接收单元和所述超声波发射单元连接，用于基于接收到所述第一反射超声波的第一时间、接收到所述第二反射超声波的第二时间以及超声波在冰层内的传播速度确定对应检测点所在位置的冰层厚度；

所述冰层裂缝检测器包括CMOS图像传感单元、预处理单元、裂缝识别单元和裂缝测量单元，所述CMOS图像传感单元用于采集冰层图像，所述预处理单元与所述CMOS图像传感单元连接，用于对所述冰层图像依次进行边缘增强处理、图像平滑处理和直方图均衡处理以输出均衡图像，所述裂缝识别单元与所述预处理单元连接，用于对所述均衡图像依次进行高斯滤波处理、3像素×3像素窗口的中值滤波处理以及裂缝目标识别处理以输出裂缝子图像，所述裂缝测量单元与所述裂缝识别单元连接，用于基于所述裂缝子图像确定最大裂缝宽度并作为对应检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度输出；

所述DSP协处理器分别与所述冰层裂缝检测器和所述超声波检测器连接，用于基于裂缝宽度权重、冰层厚度权重、对应检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度和对应检测点所在位置的冰层厚度确定对应检测点所在位置的破冰权衡值；

其中，所述DSP协处理器基于裂缝宽度权重、冰层厚度权重、对应检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度和对应检测点所在位置的冰层厚度确定对应检测点所在位置的破冰权衡值包括：将裂缝宽度权重与对应检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度相乘获取第一乘积，将冰层厚度权重和对应检测点所在位置的冰层厚度相乘获取第二乘积，将第一乘积与第二乘积相加以获得对应检测点所在位置的破冰权衡值；

其中，所述SOC芯片基于所述分析结果构造冰场的3D投影图包括：所述SOC芯片基于每一个检测点所在位置以及对应的破冰权衡值构造冰场的3D投影图。

更具体地，在所述基于3D全息投影的数据采集和分析装置中：所述DSP协处理器在对应检测点所在位置的破冰权衡值大于等于第一预设权衡值且小于第二预设权衡值时，将对应检测点所在位置的破冰权衡值标记为橙色，在对应检测点所在位置的破冰权衡值大于等于第二预设权衡值时，将对应检测点所在位置的破冰权衡值标记为红色，在对应检测点所在位置的破冰权衡值小于第一预设权衡值时，将对应检测点所在位置的破冰权衡值标记为蓝色；

所述SOC芯片基于每一个检测点所在位置以及对应的破冰权衡值构造冰场的3D投影图包括：所述SOC芯片构造的冰场的3D投影图显示每一个检测点所在位置对应的破冰权衡值的数值和颜色。

更具体地，在所述基于3D全息投影的数据采集和分析装置中：所述3D全息投影仪设置在冰场的正上方；所述SOC芯片设置在冰场机房的控制台内，所述DSP协处理器设置在冰场机房的控制台内；所述SOC芯片和所述DSP协处理器被集成在一块集成电路板上。

更具体地，在所述基于3D全息投影的数据采集和分析装置中：替换地，采用所述SOC芯片的内置RAM替换所述FLASH存储器。

更具体地，在所述基于3D全息投影的数据采集和分析装置中：替换地，采用所述DSP协处理器的内置RAM替换所述FLASH存储器。

更具体地，在所述基于3D全息投影的数据采集和分析装置中，还包括：频分双工通信设备，与所述SOC芯片连接，用于接收所述SOC芯片构造的冰场的3D投影图，并将所述SOC芯片构造的冰场的3D投影图通过双向无线通信链路发送到远端的冰场安全控制中心。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的基于3D全息投影的数据采集和分析装置的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的基于3D全息投影的数据采集和分析装置的超声波检测器的结构方框图。

附图标记：1 3D全息投影仪；2SOC芯片；3DSP协处理器；4数据采集设备；5超声波检测器；51超声波接收单元；52超声波发射单元；53AT89C51单片机

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于3D全息投影的数据采集和分析装置的实施方案进行详细说明。

冰场包括干冰冰场和真冰冰场两种，真冰冰场可以是自然形成，也可以是人工浇筑而成，真冰冰场能够给人们真实的溜冰感受，娱乐性更强，是陪护孩子老人以及谈情说爱的较佳场所。

由于是真冰筑造而成，真冰冰场具有先天的脆弱性，对冰场管理方的要求更加严格。例如在气温回升时，冰的结构将发生变化，看着冰面很坚硬，冰面的内部已经变酥，冰层承载力变弱，盲目上冰容易发生意外，这时需要冰场管理方对每一处滑冰区域进行实时监控，获取准确的相关参数，来判断是否能够继续滑冰，一旦出现异常状态，需要及时提醒顾客不要开展任何冰上活动。

然而，当前的真冰冰场管理方都是通过人工巡检、肉眼判断的方式进行冰场各处的冰层状态检测和分析，一方面，人工巡检的方式效率低下，无法立即得到当前冰场各个位置的实时数据；另一方面，肉眼判断的方式全凭历史经验，判断结果不够准确，容易产生误判。为了克服上述不足，本发明搭建了一种基于3D全息投影的数据采集和分析装置，用于解决上述两大技术问题。

图1为根据本发明实施方案示出的基于3D全息投影的数据采集和分析装置的结构方框图，所述平台包括3D全息投影仪、SOC芯片、DSP协处理器和多个数据采集设备，所述多个数据采集设备分别位于冰场的各个检测点，用于采集对应检测点的冰层数据；

所述DSP协处理器分别与所述多个数据采集设备连接，用于接收多个冰层数据并进行分析，所述SOC芯片与所述DSP协处理器连接，用于接收所述DSP协处理器的分析结果，并基于所述分析结果构造冰场的3D投影图，所述3D全息投影仪与所述SOC芯片连接，用于接收所述3D投影图并在冰场上方对所述3D投影图进行全息投影。

接着，继续对本发明的基于3D全息投影的数据采集和分析装置的具体结构进行进一步的说明。

在所述平台中：检测点的冰层数据包括检测点所在位置的冰层厚度以及检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度；3D全息投影仪用于接收所述3D投影图并在冰场上方对所述3D投影图进行全息投影包括：3D全息投影仪的全息投影范围与冰场的各个检测点组成的区域完全吻合。

所述平台还包括：FLASH存储器，与DSP协处理器连接，用于预先存储第一预设权衡值、第二预设权衡值、裂缝宽度权重和冰层厚度权重；每一个数据采集设备包括冰层裂缝检测器和超声波检测器，冰层裂缝检测器用于检测对应检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度，超声波检测器用于检测对应检测点所在位置的冰层厚度。

在所述平台中：如图2所示，所述超声波检测器包括超声波接收单元、超声波发射单元和AT89C51单片机，所述超声波发射单元用于向对应检测点所在位置的冰层发射超声波，所述超声波接收单元用于接收来自所述平台下方的第一反射超声波和第二反射超声波，所述AT89C51单片机分别与所述超声波接收单元和所述超声波发射单元连接，用于基于接收到所述第一反射超声波的第一时间、接收到所述第二反射超声波的第二时间以及超声波在冰层内的传播速度确定对应检测点所在位置的冰层厚度；

所述冰层裂缝检测器包括CMOS图像传感单元、预处理单元、裂缝识别单元和裂缝测量单元，所述CMOS图像传感单元用于采集冰层图像，所述预处理单元与所述CMOS图像传感单元连接，用于对所述冰层图像依次进行边缘增强处理、图像平滑处理和直方图均衡处理以输出均衡图像，所述裂缝识别单元与所述预处理单元连接，用于对所述均衡图像依次进行高斯滤波处理、3像素×3像素窗口的中值滤波处理以及裂缝目标识别处理以输出裂缝子图像，所述裂缝测量单元与所述裂缝识别单元连接，用于基于所述裂缝子图像确定最大裂缝宽度并作为对应检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度输出；

所述DSP协处理器分别与所述冰层裂缝检测器和所述超声波检测器连接，用于基于裂缝宽度权重、冰层厚度权重、对应检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度和对应检测点所在位置的冰层厚度确定对应检测点所在位置的破冰权衡值；

其中，所述DSP协处理器基于裂缝宽度权重、冰层厚度权重、对应检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度和对应检测点所在位置的冰层厚度确定对应检测点所在位置的破冰权衡值包括：将裂缝宽度权重与对应检测点所在位置的最大冰层裂缝宽度相乘获取第一乘积，将冰层厚度权重和对应检测点所在位置的冰层厚度相乘获取第二乘积，将第一乘积与第二乘积相加以获得对应检测点所在位置的破冰权衡值；

其中，所述SOC芯片基于所述分析结果构造冰场的3D投影图包括：所述SOC芯片基于每一个检测点所在位置以及对应的破冰权衡值构造冰场的3D投影图。

在所述平台中：所述DSP协处理器在对应检测点所在位置的破冰权衡值大于等于第一预设权衡值且小于第二预设权衡值时，将对应检测点所在位置的破冰权衡值标记为橙色，在对应检测点所在位置的破冰权衡值大于等于第二预设权衡值时，将对应检测点所在位置的破冰权衡值标记为红色，在对应检测点所在位置的破冰权衡值小于第一预设权衡值时，将对应检测点所在位置的破冰权衡值标记为蓝色；

所述SOC芯片基于每一个检测点所在位置以及对应的破冰权衡值构造冰场的3D投影图包括：所述SOC芯片构造的冰场的3D投影图显示每一个检测点所在位置对应的破冰权衡值的数值和颜色。

在所述平台中：所述3D全息投影仪设置在冰场的正上方；所述SOC芯片设置在冰场机房的控制台内，所述DSP协处理器设置在冰场机房的控制台内；所述SOC芯片和所述DSP协处理器被集成在一块集成电路板上。

在所述平台中：替换地，采用所述SOC芯片的内置RAM替换所述FLASH存储器。

在所述平台中：替换地，采用所述DSP协处理器的内置RAM替换所述FLASH存储器。

所述平台还包括：频分双工通信设备，与所述SOC芯片连接，用于接收所述SOC芯片构造的冰场的3D投影图，并将所述SOC芯片构造的冰场的3D投影图通过双向无线通信链路发送到远端的冰场安全控制中心。

另外，所述平台还可以包括：投影校正设备，与所述3D全息投影仪连接，用于对所述3D全息投影仪的投影区域进行校正，以保证所述3D全息投影仪的全息投影范围与冰场的各个检测点组成的区域完全吻合。

采用本发明的基于3D全息投影的数据采集和分析装置，针对现有技术中真冰冰场监管不力的技术问题，首先，针对真冰冰场的每一个监控位置设置基于图像处理的冰层裂缝识别设备和基于超声波的冰层厚度检测设备，并将上述两种检测设备的检测结果进行有机结合，获得每一个监控位置的准确的冰层状况参数；随后，通过3D全息投影方式，完全覆盖冰场区域，为冰场管理方及时提供冰场各个位置的安全程度。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。