專利名稱：Ccd透霧成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像監(jiān)控設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在特殊氣象條件下對圖像進 行探測和識別的CCD透霧成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
CCD是視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的重要設(shè)備，但由于其感應(yīng)可見光(光譜范圍0.4
0. 75 m)的特性，使得在一些特殊氣象條件(例如霧、霾等)下探測和識別目標(biāo)的距離大為 減少。我國幅員遼闊，在秋冬以及冬春季節(jié)霧天經(jīng)常出現(xiàn)，這就給很多行業(yè)，如內(nèi)河、遠洋航 運，公路、鐵路運輸，港口作業(yè)，森林防火，機場、碼頭作業(yè)的視頻觀測帶來了極大的困難。 解決好CCD在霧天的成像問題，不僅是許多行業(yè)在日常生產(chǎn)中的迫切要求，也是 在例如抗震救災(zāi)這些特殊場合下發(fā)揮不可替代作用的"尖兵裝備"，其經(jīng)濟和社會效益極 大。 目前國外透霧技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀如下霧天獲取的景物圖像反映在圖像文件的數(shù)據(jù) 上，原本較低的灰度值被加強、原本較高的灰度值被削弱，導(dǎo)致象素點灰度值的分布過于集 中，是明顯的對比度退化問題，因此霧天圖像的清晰化問題也可以看成是圖像的對比度增 強問題。這樣就可以從兩方面來處理大氣退化圖像的復(fù)原問題(l)從純圖像處理領(lǐng)域的 觀點看，其本身是圖像對比度增強的問題；(2)從物理模型觀點看，則是對大氣散射作用的 建模分析與圖像復(fù)原相結(jié)合的問題。國內(nèi)透霧產(chǎn)品的技術(shù)實現(xiàn)非常簡單，只是在日夜轉(zhuǎn)換 攝像機的濾光片導(dǎo)軌上加裝近紅外線帶通的濾光片。這種實現(xiàn)模式下的透霧效果很差，是 透霧技術(shù)的原始模式，實用價值很低。

實用新型內(nèi)容針對當(dāng)前CCD透霧產(chǎn)品沒有后級圖像優(yōu)化處理的缺陷，本實用新型的目的在于提 供一種CCD透霧成像系統(tǒng)的技術(shù)方案，對初級濾波透霧圖像進行進一步的優(yōu)化處理，達到
1. 6 2倍的透霧能力，滿足實際應(yīng)用對透霧圖像清晰度的要求。 所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于包括控制模塊和一組圖像處理模塊，控制 模塊和圖像處理模塊通過485串口通信連接，控制模塊中設(shè)置控制器和與控制器對應(yīng)接口 連接的串口電路，圖像處理模塊中設(shè)置處理器和與處理器對應(yīng)接口連接設(shè)置的串口電路， 上述兩串口電路之間通信連接，圖像處理模塊中設(shè)置圖像采集模塊對圖像信號進行采集， 圖像采集模塊采集的圖像信號一路直接原圖輸出，另一路輸入處理器中進行一級增強、二 級增強處理，處理器對應(yīng)接口連接設(shè)置圖像顯示模塊將處理后的圖像信號輸出。 所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于處理器對應(yīng)的接口上連接設(shè)置存儲模塊。 所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于處理器對應(yīng)的接口上連接設(shè)置繼電器控制 CCD濾光片的切換，圖像采集模塊和圖像顯示模塊輸出端連接設(shè)置繼電器，控制圖像采集模 塊輸出的原圖和圖像顯示模塊輸出的處理后圖像信號的切換。 所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于控制器對應(yīng)接口上連接按鍵控制模塊，處理器對應(yīng)接口上連接撥碼開關(guān)。 所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于控制器型號為EPM570GT100C5的CPLD，處 理器型號為EP3C16Q240C8的FPGA，串口電路的型號為MAX3485，圖像采集模塊的型號為 SAA71132，圖像顯示模塊的型號為ADV7123。所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于存儲模塊的型號為IS61LV5128。 所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于繼電器的型號為EA2-5。 本實用新型在高速處理和穩(wěn)定的硬件基礎(chǔ)上，針對圖像優(yōu)化處理的核心組件，建
立了新的物理模型，吸收圖像對比度增強算法和大氣物理模型的算法的優(yōu)點，創(chuàng)新地提出
了普通透霧和增強透霧兩種透霧成像物理模型，對初級濾波透霧圖像進行進一步的優(yōu)化處
理，達到1. 6 2倍的透霧能力，滿足實際應(yīng)用對透霧圖像清晰度的要求。該產(chǎn)品通過在CCD
中加裝專用的近紅外帶通濾光片，采用專用硬件處理平臺和軟件算法，有效消除煙霧、水氣
對CCD成像的干擾，大大加強了透霧處理的能力。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖像處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中l(wèi)-控制模塊，101-按鍵控制模塊，102-控制器，103-串口電路，2-圖像處理 模塊，201-串口電路，202、202a-繼電器，203-圖像采集模塊，204-處理器，205-圖像顯示模 塊，206-存儲模塊，207-撥碼開關(guān)。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的說明。 CCD透霧成像系統(tǒng)，包括控制模塊l和一組通過485串口通信總線連接的圖像處理 模塊2，本實施例中控制模塊1連接16路圖像處理模塊2，圖像處理模塊2的輸出包括三種 狀態(tài)原圖輸出、一級透霧處理圖像輸出和二級透霧處理圖像輸出。 控制模塊1中設(shè)置控制器102和與控制器102對應(yīng)接口連接的按鍵控制模塊101、 串口電路103，控制器102型號為EPM570GT100C5的CPLD，串口電路103的型號為MAX3485。 本實施例中控制模塊1連接16路圖像處理模塊2，每路圖像處理模塊2包括三個輸出狀態(tài)， 按鍵控制模塊101上設(shè)置48個按鍵，依次為lalblc2a2b2c3a3b3c4a4b4c5a5b5c6a6b6c7a7b7c8a8b8c9a9b9c10a10b10cllalibllc12a12b12c13a13b13c14a14b14c15a15b15c16a16b16c， la表示控制第1路原圖輸出，lb表示控制第1路一級透霧處理圖像輸出，lc表示 控制第1路二級透霧處理圖像輸出，后同。通過按下不同的按鍵來控制每路圖像處理模塊 2的輸出狀態(tài)。 圖像處理模塊2中設(shè)置處理器204和與處理器204對應(yīng)接口連接設(shè)置的串口電路 201，串口電路103與串口電路201之間通過485通信總線通信連接，圖像處理模塊2中設(shè)置圖像采集模塊203對圖像信號進行采集，圖像采集模塊203將采集到的圖像信號一路直 接原圖輸出，另一路輸入處理器204中進行一級增強、二級增強處理，處理器204對應(yīng)接口 連接設(shè)置圖像顯示模塊205，將處理后的圖像信號輸出。處理器204對應(yīng)的接口上連接設(shè)置 繼電器202控制CCD濾光片的切換，圖像采集模塊203和圖像顯示模塊205輸出端連接設(shè) 置繼電器202a，控制圖像采集模塊205輸出的原圖和圖像顯示模塊205輸出的處理后圖像 信號之間的切換，繼電器202、繼電202a的型號為EA2-5。處理器204型號為EP3C16Q240C8 的FPGA，串口電路201的型號為MAX3485，圖像采集模塊203的型號為SAA71132，圖像采集 芯片SAA7113是Philips推出的一款較經(jīng)典的視頻采集芯片，需要進行初始化配置，常用的 方法是用以單片機在上電時通過I2C總線對其配置寄存器進行寫入操作，此系統(tǒng)在FPGA內(nèi) 構(gòu)建一個Nios 1I軟核處理器，定制一fC IP核完成此任務(wù)。圖像顯示模塊205的型號為 ADV7123，由于透霧情況下只需灰度顯示，顯示芯片ADV7123只需連接RGB中的一路即可，此 系統(tǒng)連接了G(GREEN)作為輸出。由于處理器204采用的FPGA片內(nèi)的存儲器容量有限，不能 滿足系統(tǒng)的需要，因此在設(shè)計中需要外接存儲模塊206，存儲模塊206型號為IS61LV5128的 SRAM， SRAM外掛于FPGA處理器的Avalon總線上，F(xiàn)PGA處理器可以直接訪問它，由于SRAM 的數(shù)據(jù)端口一般都設(shè)計成輸入輸出復(fù)用，需要在系統(tǒng)中加入三態(tài)總線橋，來完成SRAM讀寫 時序與內(nèi)部Avalon同步總線的銜接。處理器204對應(yīng)接口上連接撥碼開關(guān)207，為處理器 204中的FPGA裝定地址碼，本實施例中設(shè)置了 16路圖像處理模塊2，依次將16路圖像處理 模±央2上的撥碼開關(guān)207撥到0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、 1010、1011、1100、1101、1110、1111，為每路圖像處理模塊2分配一個地址碼，工作過程中不 再撥動撥碼開關(guān)207。 在工作過程中通常利用四種基本電源對FPGA供電核心電源、I/O電源、輔助電 源和鎖相環(huán)電源。其中每個電源都具有不同的負載電源要求。核心電源(VCCINT)向器件 的內(nèi)部邏輯供電，通常具有最嚴格的電流要求，對上幾代的FPGA， VCCINT上面的電壓可能 高達3. 3V，而系統(tǒng)中的FPGA器件則低至1. 2V ;1/0電源(VCCIO)為FPGA的輸入/輸出模 塊供電，該電源上的電壓可能是1. 5V、1. 8V、2. 5V或3. 3V，取決于所采用的1/0標(biāo)準(zhǔn)，具體 選擇什么I/O標(biāo)準(zhǔn)，受FPGA將與之通訊的器件左右，本系統(tǒng)中與FPGA通信的芯片均采用 3. 3V，所以系統(tǒng)的VCCIO為3. 3V ;輔助電源VCCAUX用于為FPGA上面的數(shù)字時鐘管理器和 JTAG I/O 口供電，電壓是3. 3V ;鎖相環(huán)電源(VCCPLL)為FPGA的鎖相環(huán)提供標(biāo)準(zhǔn)參考電壓， CycloneIII FPGA的VCCPLL為2. 5V。本系統(tǒng)中FPGA用到了 1. 2V、2. 5V和3. 3V三種電壓 電源，其余外圍芯片均采用3. 3V供電。為滿足緊湊和靈活的設(shè)計要求，采用低壓差、快響應(yīng) 的LM1805-3. 3電源芯片，l. 2V電源產(chǎn)生電路采用LM117-1. 2V電源芯片，2. 5V電源產(chǎn)生電 路采用TPS78625電源芯片。 本系統(tǒng)采用Cyclone III系列FPGA與MAX II CPLD配合，通過485總線將MAXII
采集到的控制信號廣播發(fā)送到終端16路FPGA處理板，處理板根據(jù)地址信號選擇接收，并根
據(jù)控制指令做出輸出原圖、一級透霧處理后的圖像和二級透霧處理后的圖像。 本系統(tǒng)分為兩種透霧模式。第一種為一級透霧處理模式，在霧氣不是很濃時工作。
CCD采集到的模擬圖像首先經(jīng)圖像采集模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，送處理器進行透霧處理。處
理器中的FPGA內(nèi)構(gòu)建一個Nios II軟核處理器與高速大容量雙口RAM結(jié)合，進行中值濾波，
而后采用部分重疊的直方圖均衡化算法進行一級增強，再用塊狀效應(yīng)平滑算法進行平滑處理，最后采用非線性循環(huán)側(cè)抑制算法進行二級增強。第二種為特殊霧天增強模式，在霧氣較 濃，能見度較低時工作。在最初的中值濾波后，采用基于粗糙集理論的圖像增強算法進行一 級增強，其中合理選擇模糊參數(shù)是保證增強效果的一個重要環(huán)節(jié)，然后采用基于脈沖耦合 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像增強算法進行二級增強。這種算法雖然忽視背景，但在對濃霧情況下的目 標(biāo)突顯效果是比較可靠的。 本實用新型圖像處理的控制方法如下。按鍵控制模塊101輸入按鍵控制信息，檢 測按鍵控制信息并對按鍵進行解析，系統(tǒng)檢測到按鍵信息后，控制器102對按鍵控制信號 進行編碼，將其轉(zhuǎn)換成8bits 二進制控制指令，指令前6位為地址位，后2位為屬性位，輸 出原圖、一級透霧處理后輸出圖像和二級透霧處理后輸出圖像依次編碼為00、01、10，例如 選擇第6路，進行二級透霧處理圖像輸出，則控制指令為00010110，串口電路103通過485 通信將該按鍵控制信號進行發(fā)送。 通過485通信，對應(yīng)地址位圖像處理模塊2中設(shè)置的串口電路201接收該按鍵控 制信號，其它地址位不對應(yīng)的圖像處理模塊2對該控制信號不響應(yīng)，處理器204對按鍵控制 信號進行解碼，根據(jù)接收到的控制信號對采集到的圖像進行處理然后輸出顯示。處理器204 接收按鍵控制信號然后判斷控制信號屬性，若是原圖輸出，則控制繼電器202a將原圖切換 輸出；若是進行一級透霧處理，則執(zhí)行透霧弱增強算法，控制繼電器202切換CCD濾光片， 同時繼電器202a切換到處理后的圖像輸出；若是進行二級透霧處理，則執(zhí)行透霧強增強算 法，控制繼電器202切換CCD濾光片，同時繼電器202a切換到處理后的圖像輸出。例如接 收到控制指令00010110，則第6路圖像處理模塊2中設(shè)置的串口電路201接收該控制信號， 首先控制繼電器202動作，進行CCD濾光片切換，本系統(tǒng)中加裝專用的近紅外帶通濾光片， 從普通的CCD濾光片切換至近紅外帶通濾光片，提高采集到的圖像質(zhì)量，控制繼電器202a 切換至二級透霧圖像處理輸出。圖像采集模塊203將采集到的圖像信息輸入到處理器204 中進行二級透霧處理，然后通過圖像顯示模塊205輸出到顯示設(shè)備上對圖像進行顯示。 本系統(tǒng)對圖像的處理過程主要以圖像的局部細節(jié)信息增強為目標(biāo)，針對全局直方 圖均衡化的缺陷，對塊重疊直方圖均衡化方法、非重疊塊狀均衡化的方法(POSHE算法)以 及廣義自適應(yīng)均衡化方法進行了深入研究，通過對這些算法進行的分析比較，綜合了幾種 方法的優(yōu)點，開發(fā)出獨有的軟件算法插值自適應(yīng)直方圖均衡化的低對比度圖像增強算法。 插值自適應(yīng)直方圖均衡化方法的處理過程如下首先對圖像進行非重疊塊直方圖 均衡變換，將圖像分割成固定的子塊，并計算每個固定子塊的變換函數(shù)；然后以圖像的任意 一點為中心取出與固定子塊大小相同的子塊，并使其為當(dāng)前子塊，則該子塊要么與固定子 塊重疊，要么跨越多個固定子塊(不超過四個子塊)。對于移動子塊所處的兩種不同位置， 可作如下處理(l)當(dāng)前子塊與固定子塊重疊時，可以用該子塊的變換函數(shù)產(chǎn)生中心象素 點的輸出灰度值；(2)當(dāng)前子塊跨越多個固定子塊時，可以根據(jù)所覆蓋的比例對子塊的變 換函數(shù)進行加權(quán)平均，產(chǎn)生中心象素點的輸出灰度值。然后用此灰度值顯示，實現(xiàn)了實時圖 像增強透霧。 非重疊塊狀直方圖均衡化的方法不僅可以突顯圖像的局部信息，而且在計算復(fù)雜 度上遠遠小于塊重疊直方圖均衡化方法，但簡單地對局部子塊進行直方圖均衡化并組合而 成的圖像會出現(xiàn)塊狀效應(yīng)現(xiàn)象。POSHE算法通過部分重疊塊狀直方圖的方法，構(gòu)造出一個 低通濾波器來消除塊狀效應(yīng)，并使用BERF濾波器對POSHE算法產(chǎn)生的圖像作進一步平滑處理，以此來消除塊狀效應(yīng)的影響。但為了消除明顯的塊狀效應(yīng)，POSHE算法需要增大子塊間 的重疊程度，提高運算復(fù)雜度。 插值自適應(yīng)直方圖均衡化算法試圖從兩個方面上對POSHE算法作改進一方面是 實現(xiàn)非重疊直方圖均衡化的方法，消除由于部分塊重疊而引入的額外運算量；另一方面是 實現(xiàn)子塊之間的平滑過度，徹底消除塊狀效應(yīng)。前面提到，塊狀效應(yīng)主要是由于相鄰子塊之 間的直方圖變換函數(shù)存在差異而造成的，處于子塊邊緣的象素點受子塊的束縛無法考慮其 鄰近子塊的灰度分布信息。塊重疊直方圖均衡化方法將象素點永遠置于子塊中心(通過重 疊子塊來實現(xiàn))，因此對每個象素點來講，都能考慮到其周邊的灰度分布信息，所得的結(jié)果 自然是平滑的，不會出現(xiàn)塊狀效應(yīng)。插值自適應(yīng)直方圖均衡化方法在非重疊子塊直方圖均 衡化方法的基礎(chǔ)上，綜合運用每個象素點周邊灰度信息，利用線性插值方法實現(xiàn)不同子塊 之間的平滑。
權(quán)利要求CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于包括控制模塊(1)和一組圖像處理模塊(2)，控制模塊(1)和圖像處理模塊(2)通過485串口通信連接，控制模塊(1)中設(shè)置控制器(102)和與控制器(102)對應(yīng)接口連接的串口電路(103)，圖像處理模塊(2)中設(shè)置處理器(204)和與處理器(204)對應(yīng)接口連接設(shè)置的串口電路(201)，上述兩串口電路(103、201)之間通信連接，圖像處理模塊(2)中設(shè)置圖像采集模塊(203)對圖像信號進行采集，圖像采集模塊(203)采集的圖像信號一路直接原圖輸出，另一路輸入處理器(204)中進行一級增強、二級增強處理，處理器(204)對應(yīng)接口連接設(shè)置圖像顯示模塊(205)將處理后的圖像信號輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于處理器(204)對應(yīng)的接口上連 接設(shè)置存儲模塊(206)。
3. 如權(quán)利要求1所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于處理器(204)對應(yīng)的接口上連 接設(shè)置繼電器(202)控制CCD濾光片的切換，圖像采集模塊(203)和圖像顯示模塊(205)輸 出端連接設(shè)置繼電器(202a)，控制圖像采集模塊(205)輸出的原圖和圖像顯示模塊(205) 輸出的處理后圖像信號的切換。
4. 如權(quán)利要求1所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于控制器(102)對應(yīng)接口上連接 按鍵控制模塊(101)，處理器(204)對應(yīng)接口上連接撥碼開關(guān)(207)。
5. 如權(quán)利要求1所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于控制器(102)型號為 EPM570GT100C5的CPLD，處理器(204)型號為EP3C16Q240C8的FPGA，串口電路(103、201) 的型號為MAX3485，圖像采集模塊(203)的型號為SAA71132，圖像顯示模塊(205)的型號為 ADV7123。
6. 如權(quán)利要求2所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于存儲模塊(206)的型號為 IS61LV5128。
7. 如權(quán)利要求3所述的CCD透霧成像系統(tǒng)，其特征在于繼電器(202、202a)的型號為 EA2-5。
專利摘要CCD透霧成像系統(tǒng)，屬于圖像監(jiān)控設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。包括控制模塊和一組圖像處理模塊，控制模塊和圖像處理模塊通過485串口通信連接，圖像處理模塊中設(shè)置圖像采集模塊對圖像信號進行采集，圖像采集模塊采集的圖像信號一路直接原圖輸出，另一路輸入處理器中處理，處理器連接設(shè)置圖像顯示模塊將處理后的圖像信號輸出。本實用新型在高速處理和穩(wěn)定的硬件基礎(chǔ)上，針對圖像優(yōu)化處理的核心組件，建立了新的物理模型，吸收圖像對比度增強算法和大氣物理模型的算法的優(yōu)點，創(chuàng)新地提出了普通透霧和增強透霧兩種透霧成像物理模型。對初級濾波透霧圖像進行進一步的優(yōu)化處理，達到1.6～2倍的透霧能力，滿足實際應(yīng)用對透霧圖像清晰度的要求。
文檔編號H04N7/18GK201528397SQ20092012191
公開日2010年7月14日 申請日期2009年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者王新賽 申請人:彪馬集團有限公司