基于嵌入式系統(tǒng)的夜間全方位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李天玥 張科 古麗蘇姆·熱合曼

摘要：文章設(shè)計了一種基于嵌入式系統(tǒng)，結(jié)合魚眼鏡頭以及紅外光源，從硬件和軟件上設(shè)計實現(xiàn)，并將其應(yīng)用到夜間全方位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中。通過DSP實現(xiàn)目標光源與黑體的圖像分割與定位算法，完成夜間全方位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)字攝像夜間能見度的測量。實驗結(jié)果表明設(shè)計的基于嵌入式平臺的夜間全方位監(jiān)控能較好完成夜間能見度的測量。

關(guān)鍵詞：魚眼鏡頭；紅外矩陣光源；嵌入式平臺；夜間全方位監(jiān)控

引言：

當前中國市場上的監(jiān)控攝像機主要是通過使用紅外濾光片來達到日夜轉(zhuǎn)換的效果，也就是在白天打開紅外濾光片，讓CCD接受可見光，而讓紅外線被濾除；在夜晚條件下，去除濾光片，使得紅外線經(jīng)過反射之后進入鏡頭成像。但是由于可見光波段與紅外光波長不同，進而導(dǎo)致畫面模糊，產(chǎn)生虛焦。

進而本文提出一種傳輸距離遠、全天圖片穩(wěn)定效率高、信號質(zhì)量穩(wěn)定的電路設(shè)計以及高速圖像傳輸?shù)囊归g全方位監(jiān)控系統(tǒng)方案。

1成像鏡頭

為了實現(xiàn)無盲區(qū)實時拍攝，本文設(shè)計了一款視角可達260°的超廣角攝像頭，。攝像頭圖像分辨率為640×480，可滿足夜間成像系統(tǒng)對成像細節(jié)的要求。采用垂直視場角大于等于180度的全景魚眼鏡頭，因為魚眼鏡頭影像具有一些特點：中心處的影像大，外圈的影像小且緊密。同時考慮由于夜間成像系統(tǒng)需要對夜間紅外光具有較強的采集作用，以及燈光收集作用。根據(jù)成像公式，本文選用f為0.728mm的魚眼鏡頭。由于考慮到畸變的問題，將參數(shù)進行放寬20%，即焦距選為0.985mm左右。

同時采用850nm的紅外LED矩陣燈光進行夜間物體的補光，提升普通魚眼鏡頭夜間看清物體的能力，提高采集圖片的質(zhì)量。

2夜間全方位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

本文設(shè)計了以TMS320DM642為核心的圖像采集分析處理系統(tǒng)。DSP處理后的BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)由編碼芯片后，將轉(zhuǎn)化為PAL格式的圖像信號，可以通過后續(xù)處理得到完成的目標圖像。

2.1夜間全方位監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 視頻采集模塊

該模塊將采集得到的視頻圖像，傳輸進視頻解碼器，解碼后得到ITU-R BT.656格式的數(shù)據(jù)。芯片TVP5150內(nèi)部的寄存器初始化及配置可以通過TMS320DM642的I2C接口實現(xiàn)，其中SCL，SDA引腳分別與642芯片的時鐘與數(shù)據(jù)地址線相連，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與圖像解讀，并將信息存儲進寄存器。VP1的A通道可以被設(shè)置成為視頻輸入口。

2.1.2 圖像處理模塊

本文設(shè)計系統(tǒng)32位定點DSP芯片TMS320DM642完成圖像分析處理的過程。在顯示操作期間，圖像或視頻數(shù)據(jù)從存儲器加載到幀緩沖器中，加載完成之后，通過EDMA傳輸給視頻端口2560B 的通道FIFO，為了保證數(shù)據(jù)存儲的完整性，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)搬入片外存儲器SDRAM。當FIFO通道向SDRAM搬運完數(shù)據(jù)后運行在FLASH中的程序開始調(diào)用圖像數(shù)據(jù)，進行算法處理，進行圖像的特征點提取以及圖像拼接的工作。

2.2夜間全方位監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 圖像處理算法

基于特征的圖像拼接，通過對圖像進行分析，提取圖像中的特征（包括：輪廓、邊緣、紋理及角點），利用特征進行拼接對于亮度變化和幾何形變都有一定的適應(yīng)性抗干擾能力較強，精度較高。根據(jù)提取的特征點，將不同區(qū)域的圖像進行重疊拼接，形成完整的圖像達到更好的監(jiān)控效果。

2.2.2 圖像預(yù)處理

為了減少背景噪聲和雜散光（如陰雨天氣造成）等的影響，達到目標圖像亮度均勻的目標，要對采集的光源圖像進行圖像濾波處理。

本文采用了頻域增強法。對目標圖像進行傅里葉變換，得到頻域的圖像，進而設(shè)定閾值去除波動系數(shù)中的噪聲元素，進行濾波操作，最后將濾波得到的圖像進行傅里葉逆變換，以得到經(jīng)過預(yù)處理后的圖像。

2.2.3 圖像特征拼接

為了得到確切完整的圖像拼接結(jié)果，簡單的閾值分割容易導(dǎo)致軟件檢測的錯誤，造成拼接失敗。圖像特征拼接研究合適的目標點，取光源中亮度的平均值作為亮度的閾值。

通過圖像的邊緣檢測，對于整體圖像進行有整體到部分的分割，提取必要的參考點，以區(qū)域內(nèi)的各個像素點的平均亮度作為閾值亮度。再根據(jù)圖像各個尺寸點與像素點大小以及位置的相對關(guān)系，得到目標點的位置與亮度，還原回整體的圖像，并優(yōu)化之前圖像的清晰度。

3實驗測試結(jié)果與分析

實驗根據(jù)天氣情況，取19：30到第二天的5：00為夜間，測量圖像并進行拼接。根據(jù)整體實驗的結(jié)果來看，本文設(shè)計得到的夜間全方位監(jiān)控系統(tǒng)與當前紅外夜視一體機所能監(jiān)測到的圖像有相同整體圖像分析拼接處理趨勢，最大圖像拼接誤差不超過20%，同時具有較高的完整度以及清晰度。

經(jīng)實驗驗證本文設(shè)計的系統(tǒng)可以滿足夜間全方位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的要求，并且該系統(tǒng)具有完成速度快、圖像完整度高、可靠性高等特點，并且具有較低的成本和較高的開發(fā)利益，具有較高的研究前景。

4結(jié)論

通過對TMS320DM642高分辨率的成像系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了夜間全方位的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。實踐證明：利用高清圖像傳感器和超廣角魚眼鏡頭設(shè)計夜間監(jiān)控系統(tǒng)，能夠滿足人們對對高清晰、高信噪比、高靈敏度的監(jiān)控視頻以及圖像需求。隨著系統(tǒng)的分辨率不斷提升、魚眼鏡頭圖像拼接技術(shù)不斷發(fā)展，相信此類監(jiān)控系統(tǒng)將會獲得更好地圖像效果，并且在越來越廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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