嵌入式雷達(dá)測速儀的成像清晰化技術(shù)應(yīng)用研究

王庚中

摘 要 嵌入式雷達(dá)測速儀因受外界光照環(huán)境容易導(dǎo)致成像質(zhì)量衰退，影響違法車輛抓拍取證清晰度。本文介紹了嵌入式雷達(dá)測速儀工作原理流程，分析其成像清晰化存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，闡述幾種解決方法并對比優(yōu)缺點(diǎn)，為更有效的改善成像效果、提高清晰度提供相關(guān)借鑒。

關(guān)鍵詞 圖像清晰化;嵌入式;雷達(dá)測速;圖像處理

引言

隨著智慧交通建設(shè)的興起，車輛限速控制以及違法取證越顯重要。嵌入式雷達(dá)測速抓拍設(shè)備在交通領(lǐng)域日益發(fā)揮著關(guān)鍵作用。嵌入式雷達(dá)測速儀采用一體化設(shè)計(jì)、工業(yè)集成度高、工程應(yīng)用場景復(fù)雜。比如：光照不足成像導(dǎo)致畫面過暗或噪聲過大;車輛抓拍道路存在背著光線的場景，即車輛沿光線平行方向行駛，圖像不同區(qū)域亮度嚴(yán)重失衡;大氣霧霾污染導(dǎo)致低能見度惡劣天氣增多等等，該因素對成像清晰度造成了極度負(fù)面影響，導(dǎo)致交警無法有效甄別圖像關(guān)鍵特征。因此，當(dāng)設(shè)備集成的成像模塊受到外界環(huán)境影響約束時(shí)，如何保障成像清晰度避免出現(xiàn)衰減顯得非常關(guān)鍵。有效改善成像效果以及提高抓拍圖像的清晰度，是亟待需要解決的主要內(nèi)容。

1 清晰化關(guān)鍵問題與解決方法

嵌入式雷達(dá)測速設(shè)備核心組成單元模塊有：微波雷達(dá)檢測器、高清成像抓拍機(jī)模組、嵌入式處理器等組件。使用多普勒效應(yīng)原理的微波雷達(dá)檢測器，發(fā)射雷達(dá)波來檢測運(yùn)動(dòng)車輛或其他目標(biāo)物體的速度。當(dāng)微波雷達(dá)檢測器檢測到車輛超速，輸出觸發(fā)信號(hào)來觸發(fā)高清成像模組及時(shí)完成超速車輛抓拍取證，形成違法數(shù)據(jù)上傳至嵌入式處理平臺(tái)，再由嵌入式處理器完成取證圖像違法信息疊加、編碼壓縮、網(wǎng)絡(luò)通信與傳輸，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存等工作。

取證圖像作為交警處罰超速駕駛員的直接有效證據(jù)材料，圖像關(guān)鍵細(xì)節(jié)特征比如路面車道線、車顏色車牌車型、人面識(shí)別特征等是否清晰很關(guān)鍵。鑒于此，嵌入式雷達(dá)測速設(shè)備產(chǎn)品在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過程中，對成像模塊要求很高。原因是車輛目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度很快，為了不讓圖像出現(xiàn)拖影模糊情況，要求在成像快門較短的條件下快速完成抓拍車輛圖像信息，導(dǎo)致傳感器曝光時(shí)間很短，所以圖像畫質(zhì)和清晰度很容易出現(xiàn)衰退。綜合考慮這些因素，提升成像關(guān)鍵技術(shù)來改善嵌入式雷達(dá)測速取證圖像質(zhì)量，顯得非常重要。

（1）低照度成像與降噪。針對測速儀設(shè)備的低照度成像問題需要采用一些增強(qiáng)方法，同時(shí)保證車輛目標(biāo)關(guān)鍵特征區(qū)域的噪聲有效抑制不被放大。需要結(jié)合嵌入式平臺(tái)處理資源和算力，在空域頻域、空域頻域結(jié)合處理，還要兼顧良好的場景自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。①低照度成像最核心的問題就是還原暗處細(xì)節(jié)特征、又不能突顯噪聲信號(hào)。暗處特征的還原重建，比較簡單快速辦法就是以像素為單元，采用映射函數(shù)形式來全局映射像素關(guān)系，進(jìn)行全部的灰階拉伸，該方法不足就在于無法根據(jù)圖像內(nèi)容自適應(yīng)改變映射函數(shù)。為了更好根據(jù)圖像灰階分布自適應(yīng)、嵌入式處理器常采用直方圖均衡化來實(shí)現(xiàn)，主要是采用概率建模、根據(jù)概率重建分布曲線，來重建灰階映射曲線，實(shí)現(xiàn)不同灰階的均衡分布。針對這種增強(qiáng)處理引入的噪聲，則要求使用噪聲過濾器實(shí)現(xiàn)。②嵌入式雷達(dá)的很多抓拍取證圖像相當(dāng)一部分是低照度下形成。光照度不足極容易形成的噪聲圖像，將有用信息和噪聲混合。雷達(dá)測速儀成像噪聲有多種類型（比如加性、乘性、椒鹽、高斯等類型），使得圖像關(guān)鍵特征不明顯清晰度不高，難于辨別交警執(zhí)法取證所涉及的關(guān)鍵證據(jù)，需要進(jìn)行降噪來提高信噪比，嵌入式處理器常用中值濾波和雙邊濾波，以及基于局部像素鄰域相關(guān)性的非線性導(dǎo)向?yàn)V波器，既能消除顆粒噪聲又能保護(hù)圖像細(xì)節(jié)邊沿特征[1]。

（2）逆光成像。嵌入式測速儀成像目前所使用的自動(dòng)曝光技術(shù)，主要是利用區(qū)域亮度來指導(dǎo)前端曝光參數(shù)調(diào)整，逆光場景容易導(dǎo)致局部細(xì)節(jié)過曝過暗。該環(huán)境下的改善辦法有： ①在軟件算法上，調(diào)整相機(jī)曝光控制策略，采用光圈優(yōu)先、選用光圈較大鏡頭，配合調(diào)整快門時(shí)間和模擬增益，使得逆光導(dǎo)致的過暗區(qū)域細(xì)節(jié)充分曝光。該方法簡單實(shí)現(xiàn)也容易操作，但會(huì)加劇高亮細(xì)節(jié)過曝以及成像區(qū)域不完整。另外，快門慢則高速車輛會(huì)運(yùn)動(dòng)模糊，增益高會(huì)放大噪聲，因此要配合上述降噪措施來輔助實(shí)現(xiàn)。②在輔助器件上，增加外部感光度即補(bǔ)光燈源，要求前端成像模組和補(bǔ)光燈嚴(yán)格實(shí)時(shí)同步。另外，可以采用具備寬動(dòng)態(tài)的感光器件來多幀融合成像，在實(shí)時(shí)性和處理速度上會(huì)對嵌入式平臺(tái)提出要求更高，加大硬件成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。③在后端處理器修復(fù)技術(shù)上，針對圖像逆光區(qū)域復(fù)原，后端平臺(tái)采用較多的是基于局部像素相關(guān)性的重建模型，比如基于亮度均值的曲線拉伸等，但是諸多方法滿足嵌入式系統(tǒng)快速處理的代價(jià)是降低圖像細(xì)節(jié)層次感。

（3）霧天成像處理。霧天清晰化處理非常關(guān)鍵、主要思想是復(fù)原氣溶膠對消光系數(shù)的不利影響，通過特定數(shù)學(xué)建模分析圖像特征來重建灰階，突顯有效特征、減弱無關(guān)信息提升取證圖像畫質(zhì)。①高級(jí)光學(xué)鏡頭實(shí)現(xiàn)透霧，根據(jù)不同光線光譜波段的不同特性來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、其中紅外波長受氣溶膠影響小且可穿透一定濃度的霧霾，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確聚焦完成霧霾穿透成像。目前在交通領(lǐng)域該鏡頭昂貴難以推廣。②按照霧天視覺感知模型設(shè)計(jì)的圖像復(fù)原技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)透霧主要是采用這種數(shù)字透霧，已經(jīng)芯片模塊化集成，服務(wù)器密鑰化集成。近年來，基于暗通道先驗(yàn)的單幅圖像的透霧處理技術(shù)研究取得較大進(jìn)步，霧天車輛透霧抓拍也較為清晰。鑒于算法原理簡單、降倍采樣技術(shù)加速、嵌入式系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)，使得實(shí)時(shí)透霧技術(shù)在攝像機(jī)內(nèi)部的集成日益普及。尤其針對高清視頻圖像的透霧與復(fù)原處理，處理速度大幅提升[2]。

2 結(jié)束語

鑒于此，嵌入式雷達(dá)測速儀的成像清晰化處理是交通系統(tǒng)和圖像處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，也是抓拍取證系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中的難點(diǎn)技術(shù)之一。筆者針對影響圖像清晰度的低照度與降噪、逆光成像、霧天圖像復(fù)原等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，文中對比分析若干解決方法優(yōu)缺點(diǎn)。建議在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，充分利用嵌入式平臺(tái)資源算力，將所述的關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合處理器優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，能較大提升嵌入式雷達(dá)測速儀的成像抓拍效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈楓菊.視頻監(jiān)控中目標(biāo)清晰化方法研究[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)，2012.

[2] 禹晶，徐東彬，廖慶敏.圖像去霧技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國圖像圖形學(xué)報(bào)，2011，16（9）：1561-1576.