偏振透霧成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

夏 璞,劉學(xué)斌,閆 鵬

(1.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所中國(guó)科學(xué)院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710119; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

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偏振透霧成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

夏 璞1,2,劉學(xué)斌1,閆 鵬1

(1.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所中國(guó)科學(xué)院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710119; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

摘要:針對(duì)塵霧天氣下對(duì)成像質(zhì)量、集成度和實(shí)時(shí)性的要求,設(shè)計(jì)了一種可進(jìn)行快速去霧處理的偏振成像系統(tǒng).利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)差分電平轉(zhuǎn)換,結(jié)合探測(cè)器內(nèi)置鎖相環(huán)路和Cam Link圖像傳輸協(xié)議搭建高集成度CMOS成像電路;利用斯托克斯方程對(duì)獲得的偏振圖像進(jìn)行反演,通過數(shù)字信號(hào)處理器模塊實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)去霧算法.該偏振成像系統(tǒng)尺寸為117 mm×117 mm×126 mm,質(zhì)量為1.2 kg.在塵霧天氣下進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn),通過對(duì)比去霧前后圖像直方圖和RGB分布,表明該成像系統(tǒng)能有效地對(duì)大氣散射進(jìn)行校正,驗(yàn)證了該成像系統(tǒng)的透霧能力.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該成像系統(tǒng)在2048×2048及180 Hz下可獲得穩(wěn)定的彩色去霧圖像.

關(guān)鍵詞:去霧;偏振測(cè)量;CMOS;現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列;數(shù)字信號(hào)處理器

隨著環(huán)境的日益惡化,霧霾等惡劣氣候不斷增多[1-3].在塵霧天氣下,大氣中各種固體粒子和液體粒子對(duì)光的散射和吸收嚴(yán)重影響了可見光波段的成像質(zhì)量[4-5],獲得的圖像嚴(yán)重退化,分辨率和對(duì)比度降低,圖像中蘊(yùn)含的很多重要信息被覆蓋,給圖像解析和信息提取帶來了很大的困難.因此,設(shè)計(jì)一套可在塵霧天氣下有效工作的成像系統(tǒng)具有實(shí)際意義.

從1992年Travis基于地球觀測(cè)掃描偏振計(jì)(Earth Observing Scanning Polarimeter,EOSP)分析了偏振遙感觀測(cè)大氣氣溶膠開始,偏振透霧成像在國(guó)際上已成為一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域[6-7].法國(guó)國(guó)家空間研究中心研制的POLDER是第1個(gè)可以獲取偏振光觀測(cè)信息的星載對(duì)地觀測(cè)器,開始了偏振成像系統(tǒng)的使用.在國(guó)外,偏振成像系統(tǒng)在APS星載寬波段偏振探測(cè)器、MICROPOL航空遙感相機(jī)、RSP多角度機(jī)載探測(cè)器等載荷中受到重視,在衛(wèi)星遙感、大氣氣溶膠參數(shù)觀測(cè)等方面取得成果.在國(guó)內(nèi),偏振成像也取得了一定成績(jī).我國(guó)國(guó)家973計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)都對(duì)塵霧天氣下的成像進(jìn)行了研究.這些研究雖然取得了多項(xiàng)突破,但研究以透霧算法為重點(diǎn)[8-10],缺乏高集成度透霧成像系統(tǒng)樣機(jī).此外,現(xiàn)有的成像系統(tǒng)只能輸出偏振圖像,對(duì)上位機(jī)有很強(qiáng)的依賴性.透霧成像對(duì)系統(tǒng)的集成度、功耗和實(shí)時(shí)性提出了很高要求,研制小型化成像系統(tǒng)[11]進(jìn)行快速響應(yīng)[12]是目前研究的熱點(diǎn).

筆者采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor transistor,CMOS)探測(cè)器進(jìn)行塵霧天氣下的高質(zhì)量成像,利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gata Array,FPGA)完成圖像輸出和相機(jī)控制,通過數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,DSP)實(shí)現(xiàn)偏振圖像的復(fù)原算法,搭建了可實(shí)時(shí)輸出去霧圖像的成像系統(tǒng).本成像系統(tǒng)中開發(fā)了一套具有高集成度的CMOS探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路,采用內(nèi)置鎖相環(huán)路產(chǎn)生高速差分同步時(shí)鐘,利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)差分電平轉(zhuǎn)換,通過Cam Link協(xié)議實(shí)現(xiàn)高速圖像輸出和實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置.采用數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)合偏振圖像復(fù)原透霧算法,反演圖像退化過程,獲得去霧圖像.

圖1 塵霧天氣下的圖像退化模型

1 偏振透霧算法

塵霧天氣下的圖像退化過程如圖1所示.大氣散射是由大氣介質(zhì)折射率的非均勻性引起的,在光的散射過程中,一個(gè)突出特點(diǎn)就是偏振狀態(tài)的變化,散射光相對(duì)于景物光會(huì)有一定程度的偏振,偏振程度取決于粒子的大小、形狀、折射率、入射光偏振狀態(tài)和觀測(cè)角度.由于大氣散射的偏振特性與目標(biāo)的偏振特性存在巨大差異,利用該差異將目標(biāo)輻射從圖像中提取出來,可以實(shí)現(xiàn)大氣散射校正.

為反演塵霧天氣下大氣散射的退化過程,需要已知景物光及大氣散射光的輻射量和偏振狀態(tài).采用斯托克斯參量(I,Q,U,V)描述偏振光的偏振信息,其中I表示光的總強(qiáng)度,Q表示0°與90°線偏振光分量之差,U表示45°與135°線偏振光分量之差,V表示右旋與左旋圓偏振光分量之差.

當(dāng)確定0°參考方向后,在α偏振方向上的光強(qiáng)為

需測(cè)量3個(gè)不同偏振方向的透過光強(qiáng)I(α),分別選取0°、60°、120°的偏振方向,表示式為

線偏振度P和偏振角θ為

偏振透霧成像系統(tǒng)獲得的圖像信號(hào)包含景物直射成分和大氣散射成分.考慮一次大氣瑞利散射的影響,建立如下關(guān)系式:

其中,I、D和A分別表示圖像中單位像元的總輻射強(qiáng)度、景物光分量和大氣散射光分量;A∥、A⊥分別表示單位像元大氣散射光分量中平行和垂直于偏振角方向的分量.由于景物光分量D幾乎不隨偏振方向變化,近似為I∥-I⊥=A∥-A⊥.其中,I∥和I⊥分別表示單位像元總輻射量中平行和垂直于偏振角方向的分量.景物光直射成分為

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

搭建基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的CMOS探測(cè)器驅(qū)動(dòng)平臺(tái),設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列加數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)時(shí)透霧成像系統(tǒng).系統(tǒng)通過Cam Link自帶串口通信協(xié)議對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)置,利用串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface,SPI)向探測(cè)器上傳控制信號(hào).探測(cè)器將16路低電壓差分(Low Voltage Differential Signaling,LVDS)圖像信號(hào)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)對(duì)齊后將圖像信號(hào)傳輸給數(shù)字信號(hào)處理器.2塊256 MB同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Synchronous Dynamic Random Access Memory,SDRAM)對(duì)圖像進(jìn)行緩存,數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)行去霧算法,將去霧后的圖像經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列由雙路Cam Link接口輸出.系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 成像系統(tǒng)框圖

探測(cè)器驅(qū)動(dòng)模塊由6部分組成:頂層模塊(CMV4000_Top)、時(shí)鐘管理模塊(clock Gen)、探測(cè)器時(shí)序驅(qū)動(dòng)模塊(Cmos_Timing)、圖像信號(hào)接收模塊(Receive_Image_Data)、Cam Link接口驅(qū)動(dòng)模塊(Driver_For_Cam)和串口通信模塊(Communicate_ Engine).CMV4000_Top連接各個(gè)子模塊,并對(duì)所有輸入輸出信號(hào)進(jìn)行管理;clock Gen包含數(shù)字時(shí)鐘管理器(Digital Clock Manager,DCM),為其他子模塊提供時(shí)鐘信號(hào);Cmos_Timing對(duì)探測(cè)器進(jìn)行初始化,產(chǎn)生曝光時(shí)序,并通過串行外設(shè)接口更改探測(cè)器工作參數(shù); Receive_Image_Data轉(zhuǎn)換、對(duì)齊、緩存圖像信號(hào),并將雙端口隨機(jī)存儲(chǔ)器(Dp RAM)緩存的圖像輸出;Driver_ For_Cam將圖像信號(hào)按照Medium模式Cam Link協(xié)議輸出;Communicate_Engine將用戶設(shè)置反饋給探測(cè)器驅(qū)動(dòng)模塊并實(shí)時(shí)監(jiān)控探測(cè)器溫度.探測(cè)器驅(qū)動(dòng)模塊框圖如圖3所示.

2.2 相機(jī)參數(shù)

設(shè)計(jì)完成的成像系統(tǒng)支持在180 Hz幀頻下輸出2 048×2 048分辨率圖像,具有彩色及灰度2種工作模式,可根據(jù)成像質(zhì)量需求選擇10 bit或12 bit的數(shù)據(jù)位寬.相機(jī)具備370～930 nm光譜響應(yīng)波段,60 d B動(dòng)態(tài)范圍和5.56 V/(lx·s)靈敏度.在工作過程中,無須重新啟動(dòng)相機(jī),即可實(shí)時(shí)更改增益、積分時(shí)間、幀頻和開窗設(shè)置,并監(jiān)控探測(cè)器溫度.相機(jī)硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì),探測(cè)器、控制電路和數(shù)字信號(hào)處理器分別安裝在3 塊112 mm×112 mm的印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)上,板間采用120針接插件連接.成像系統(tǒng)可定制.當(dāng)啟用全部模塊,使用分孔徑式偏振鏡頭時(shí),成像系統(tǒng)以透霧模式工作,輸出去霧后的圖像;當(dāng)只使用探測(cè)器和控制模塊時(shí),成像系統(tǒng)以普通模式工作,輸出透霧前的偏振圖像;當(dāng)使用普通可見光鏡頭時(shí),可作為標(biāo)準(zhǔn)成像系統(tǒng)使用.成像系統(tǒng)后視圖如圖4(a)所示,俯視圖如圖4(b)所示.

圖3 探測(cè)器驅(qū)動(dòng)模塊框圖

2.3 器件選型

筆者采用CMOSIS公司2012年的全彩色CMOS探測(cè)器CMV4000,該探測(cè)器具備5.5μm的單位像元,采用全局快門,室溫下暗電流為125電子數(shù)/秒,固定背景噪聲小于1個(gè)最低有效位,最大功耗為650 m W,參數(shù)滿足成像需求.采用Xilinx公司V4系列XC4VSX55型現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,該現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列作為相機(jī)控制芯片,提供差分信號(hào)接口,可優(yōu)化電路結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化信號(hào)完整性及電磁兼容設(shè)計(jì)難度.采用TI公司TMS320DM642型數(shù)字信號(hào)處理器芯片運(yùn)行透霧算法,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)去霧處理,系統(tǒng)為用戶預(yù)留上傳接口,也可運(yùn)行其他算法.

圖4 探測(cè)成像系統(tǒng)

3 驅(qū)動(dòng)電路集成化設(shè)計(jì)

成像系統(tǒng)工作在最大幀頻時(shí)探測(cè)器輸出16路480 Mbit/s的低電壓差分圖像信號(hào),傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法難以滿足需求;大分辨率高幀頻圖像傳輸需要大帶寬信道,普通信道難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)輸出;實(shí)時(shí)更改參數(shù)設(shè)置需要串口通信模塊,標(biāo)準(zhǔn)模塊占據(jù)空間大,且需要額外接口,難以實(shí)現(xiàn)小型化.針對(duì)上述3個(gè)問題,提出如下改進(jìn)方案:采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)低電壓差分電平向晶體管-晶體管邏輯電平(Transistor Transistor Logic,TTL)轉(zhuǎn)換;利用系統(tǒng)內(nèi)置鎖相環(huán)路產(chǎn)生高速差分同步時(shí)鐘;通過Cam Link協(xié)議實(shí)現(xiàn)大帶寬信號(hào)輸出和串口通信.

3.1 差分電平轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

該成像系統(tǒng)采用Cam Link接口輸出圖像,Cam Link芯片DS90CR285將接收到的TTL信號(hào)按照Cam Link協(xié)議輸出,需要將探測(cè)器輸出的低電壓差分信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.不同于傳統(tǒng)的專用電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)方案,本成像系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換.采用支持差分輸入的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片,利用V4系列現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列自帶元件庫VComponent中的idufg元件,對(duì)圖像及控制信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,代碼如下:

lvds_control_bit:ibufds generic map(IOSTANDARD=＞"LVDS_25",DIFF_TERM=＞FALSE)

port map(i=＞ControlBit_p,iB=＞ControlBit_n,o=＞control_bit);

ibuf_d0:ibufds generic map(IOSTANDARD=＞"LVDS_25",DIFF_TERM=＞FALSE)

port map(i=＞ImageDataina_p(0),iB=＞ImageDataina_n(0),o=＞ImageDataina(0)).

圖像接收模塊將接收到的低電壓差分圖像信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換、對(duì)齊后,交由Dp RAM緩存并輸出.圖像接收模塊框圖如圖5所示.

圖5 圖像接收模塊

3.2 高速差分同步時(shí)鐘設(shè)計(jì)

成像系統(tǒng)以最大幀頻工作時(shí),需要480 MHz的高速差分同步時(shí)鐘.高速信號(hào)對(duì)信號(hào)完整性和電磁兼容設(shè)計(jì)提出很高要求,需要對(duì)印刷電路板進(jìn)行等長(zhǎng)布線,系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)小型化.針對(duì)上述問題,對(duì)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)利用內(nèi)置鎖相環(huán)路,只需要一塊40 MHz的無源晶體振蕩器即可滿足全部時(shí)鐘需求,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)難度.

需要對(duì)探測(cè)器的控制寄存器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置來啟用內(nèi)置鎖相環(huán)路.CMV4000探測(cè)器共包含128個(gè)8 bit控制寄存器,可設(shè)置增益、積分時(shí)間、采樣模式、高動(dòng)態(tài)范圍圖像(High Dynamic Range image,HDR)等豐富功能.控制寄存器參數(shù)通過串行外設(shè)接口上傳,一組串行外設(shè)接口信號(hào)包含16 bit數(shù)據(jù),其中第0位為讀寫校驗(yàn)位、第1位～第7位為地址位、第8位～第15位為數(shù)據(jù)位.啟用內(nèi)置鎖相環(huán)路共需要設(shè)置4組控制寄存器,分別為使能內(nèi)置鎖相環(huán)路(Pll enable)、啟用內(nèi)置鎖相環(huán)路(Pll_bypass)、啟用外部差分同步時(shí)鐘輸入(LVDS clock input enable)和使能差分信號(hào)接收(LVDS receiver).

3.3 利用CamLink協(xié)議實(shí)現(xiàn)圖像輸出和串口通信

選用Cam Link協(xié)議實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像輸出.該協(xié)議采用低壓差分信號(hào),相對(duì)于單端傳輸有更優(yōu)良的抗干擾性能.該信道帶寬大,可實(shí)現(xiàn)多通道并行傳輸,很適合傳輸大分辨率、高幀頻圖像.Cam Link自帶串口通信協(xié)議,可直接通過Cam Link電纜實(shí)現(xiàn)串口通信,無須額外接口,能有效地提高系統(tǒng)集成度.在系統(tǒng)默認(rèn)工作模式下,采用Medium模式Cam Link協(xié)議,一次輸出4 組12 bit數(shù)據(jù).一路Cam Link信道共包含28 bit數(shù)據(jù),包括24 bit圖像信號(hào)、行有效標(biāo)志位、幀有效標(biāo)志位和像素有效標(biāo)志位.

成像系統(tǒng)采用RS231和RS232串口通信芯片實(shí)現(xiàn)相機(jī)參數(shù)的讀取及上傳.串口波特率為57 600,字長(zhǎng)8 bit,每條指令包含關(guān)鍵字、數(shù)據(jù)字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)字.串口采用921 k Hz時(shí)鐘,探測(cè)器驅(qū)動(dòng)模塊采用80 MHz工作時(shí)鐘,利用2個(gè)先入先出(First In First Out,FIFO)緩存實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換.串口通信模塊框圖如圖6所示.

圖6 串口通信模塊

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 偏振去霧前后圖像對(duì)比

利用本成像系統(tǒng)對(duì)塵霧天氣下中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所空天大樓進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn).圖7(a)為未開啟機(jī)內(nèi)數(shù)字信號(hào)處理器去霧處理模塊直接輸出的景物總光強(qiáng)圖,圖7(b)為開啟實(shí)時(shí)去霧模塊后輸出的去霧后圖像.

圖7 偏振去霧前后圖像對(duì)比

圖8 偏振去霧前后直方圖對(duì)比

4.2 偏振去霧前后直方圖對(duì)比

偏振去霧前后圖像直方圖對(duì)比如圖8所示.去霧前圖像的灰度值集中在60～140之間;去霧后灰度值分布于35～200之間,圖像經(jīng)過去霧處理后直方圖分布更加均衡,能更加清晰地還原景物細(xì)節(jié),圖像得到明顯改善.

4.3 偏振去霧前后RGB色彩分布對(duì)比

偏振去霧前后圖像RGB分布對(duì)比如圖9所示.對(duì)比原始圖像,去霧后圖像RGB分布明顯展寬,圖像色彩飽和度、銳度得到顯著提升.

圖9 偏振去霧前后RGB分布對(duì)比

5 結(jié)束語

筆者對(duì)塵霧天氣下圖像退化的機(jī)理進(jìn)行分析,提出了基于偏振透霧算法的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,搭建了一套偏振成像系統(tǒng).該成像系統(tǒng)具有較高的分辨率、靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍,滿足塵霧天氣下的成像需求,可實(shí)現(xiàn)開窗、隔行采樣、高動(dòng)態(tài)范圍等豐富功能,具有較高靈活性.系統(tǒng)集成的數(shù)字信號(hào)處理器模塊可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理,直接輸出透霧后的圖像.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該成像系統(tǒng)能有效地改善受大氣散射影響的圖像,提高塵霧天氣下成像質(zhì)量,為目標(biāo)提取識(shí)別帶來便利.最終設(shè)計(jì)完成的成像系統(tǒng)尺寸為117 mm×117 mm×126 mm,質(zhì)量為1.2 kg.

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(編輯:郭 華)

Design of and experiment on the polarization dehazing imaging system

XIA Pu1,2,LIU Xuebin1,YAN Peng1
(1.Key Laboratory of Spectral Imaging Technology,Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710119,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:In view of the requirement of image quality,integration level and real-time application of the imaging systems under fog weather,this paper reports a polarization imaging system with a dehazing ability.The differential signal is converted by FPGA,and a highly integrated CMOS imaging circuit is built based on the internal PLL of the image sensor and the CamLink protocol.The obtained image is inversed by stokes equations,and the real-time dehazing algorithm is realized by the built-in DSP module.The total size of the polarization imaging system is 117 mm×117 mm×126 mm,and the weight of the system is 1.2 kg.An imaging experiment was made under fog weather,and the dehazing ability of the imaging system is proved by the contrast of the original image and the dehazed image’s histogram and RGB distribution.Experimental results show that the imaging system can stably obtain a color dehazed image at 2 048×2 048@180 Hz.

Key Words:fog dispersal;polarization measurements;complementary metal oxide semiconductor;field programmable gata array;digital signal processor

作者簡(jiǎn)介:夏 璞(1989-),男,中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所博士研究生,E-mail:xiapu@opt.ac.cn.

基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(20137031071B);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61275149)

收稿日期:2014-12-20 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015-05-21

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.017

中圖分類號(hào):TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2400(2016)02-0095-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150521.0902.014.html