專利名稱：Ccd透霧成像系統及其控制方法
技術領域：
本發明屬于圖像監控設備的技術領域，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透霧成像系統及其控制方法。
背景技術：
CCD是視頻監控系統中的重要設備，但由于其感應可見光(光譜范圍0.4 0.75Mm)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 標的距離大為減少。我國幅員遼闊，在秋冬以及冬春季節霧天經常出現，這就 給很多行業，如內河、遠洋航運，公路、鐵路運輸，港口作業，森林防火，機 場、碼頭作業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，不僅是許多行業在日常生產中的迫切要求， 也是在例如抗震救災這些特殊場合下發揮不可替代作用的"尖兵裝備"，其經濟 和社會效益極大。
目前國外透霧技術發展現狀如下霧天獲取的景物圖像反映在圖像文件的 數據上，原本較低的灰度值被加強、原本較高的灰度值被削弱，導致象素點灰 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 像的復原問題(1)從純圖像處理領域的觀點看，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原相結合
的問題。國內透霧產品的技術實現非常簡單，只是在日夜轉換攝像機的濾光片 導軌上加裝近紅外線帶通的濾光片。這種實現模式下的透霧效果很差，是透霧技術的原始模式，實用價值很低。
發明內容
針對當前CCD透霧產品沒有后級圖像優化處理的缺陷，本發明的目的在于 提供一種CCD透霧成像系統及其控制方法的技術方案，對初級濾波透霧圖像進 行進一步的優化處理，達到1.6 2倍的透霧能力，滿足實際應用對透霧圖像清 晰度的要求。
所述的CCD透霧成像系統，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，控制模塊中設置控制器和與 控制器對應接口連接的串口電路，圖像處理模塊中設置處理器和與處理器對應 接口連接設置的串口電路，串口電路與串口電路之間通信連接，圖像處理模塊 中設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 應接口連接設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，其特征在于處理器對應的接口上連接設置存儲 模塊。
所述的CCD透霧成像系統，其特征在于處理器對應的接口上連接設置繼電 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，其特征在于控制器對應接口上連接按鍵控制模 塊，處理器對應接口上連接撥碼開關。
所述的CCD透霧成像系統，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、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，其特征在于存儲模塊的型號為IS61LV5128。 所述的CCD透霧成像系統，其特征在于繼電器、繼電器的型號為EA2-5。 所述的CCD透霧成像系統，其特征在于該系統的控制方法如下-
1) 按鍵控制模塊輸入按鍵控制信息，檢測按鍵控制信息并對按鍵進行解析， 控制器對按鍵控制信號進行編碼，串口電路通過485通信將該按鍵控制信號發 送；
2) 通過485通信，串口電路接收該按鍵控制信號，處理器對按鍵控制信號 進行解碼，根據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。
所述的CCD透霧成像系統，其特征在于所述的根據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，則控制繼電器將原圖切換輸出；若是進行一級透霧處 理，則執行透霧弱增強算法，控制繼電器切換CCD濾光片，同時繼電器切換到 處理后的圖像輸出；若是進行二級透霧處理，則執行透霧強增強算法，控制繼 電器切換CCD濾光片，同時繼電器切換到處理后的圖像輸出。
本發明在高速處理和穩定的硬件基礎上，針對圖像優化處理的核心組件， 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點， 創新地提出了普通透霧和增強透霧兩種透霧成像物理模型，其軟件算法思路新 穎，效果良好。對初級濾波透霧圖像進行進一步的優化處理，達到1.6 2倍的 透霧能力，滿足實際應用對透霧圖像清晰度的要求。該產品通過在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為本發明的結構示意圖； 圖2為控制模塊的結構示意圖； 圖3為圖像處理模塊的結構示意圖； 圖4為本發明的控制流程圖； 圖5為圖像處理模塊的控制流程圖。
圖中l-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。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明做進一步的說明。
CCD透霧成像系統，包括控制模塊1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中設置控制器102和與控制器102對應接口連接的按鍵控制模 塊IOI、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，按鍵控制模塊101上設置48個按鍵，依次 為
la lb lc 2a 2b 2c 3a 3b 3c 4a 4b 4c
5a 5b 5c 6a 6b 6c 7a 7b 7c 8a 8b 8c
9a 9b 9c 10a 10b 10c lla lib lie 12a 12b 12c
13a 13b 13c 14a 14b 14c 15a 15b 15c 16a 16b 16c，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。
圖像處理模塊2中設置處理器204和與處理器204對應接口連接設置的串 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對應接口連接設置圖像顯示模塊205，將處理后 的圖像信號輸出。處理器204對應的接口上連接設置繼電器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，此系統在FPGA內構建一個Nios II軟核處理 器，定制一120 IP核完成此任務。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 系統連接了 G (GREEN)作為輸出。由于處理器204采用的FPGA片內的存儲器容 量有限，不能滿足系統的需要，因此在設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Aval on總線上，FPGA 處理器可以直接訪問它，由于SRAM的數據端口一般都設計成輸入輸出復用，需 要在系統中加入三態總線橋，來完成SRAM讀寫時序與內部Avalon同步總線的銜接。處理器204對應接口上連接撥碼開關207，為處理器204中的FPGA裝定 地址碼，本實施例中設置了 16路圖像處理模塊2，依次將16路圖像處理模塊2 上的撥碼開關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、1/0電源、 輔助電源和鎖相環電源。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，而系統中的FPGA器件則低至1. 2V; I/O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I/O標準，具體選擇什么I/O標準，受FPGA 將與之通訊的器件左右，本系統中與FPGA通信的芯片均采用3.3V，所以系統的 VCCIO為3. 3V;輔助電源VCCAUX用于為FPGA上面的數字時鐘管理器和JTAG I/O 口供電，電壓是3.3V;鎖相環電源(VCCPLL)為FPGA的鎖相環提供標準參考電 壓，CycloneIII FPGA的VCCPLL為2. 5V。本系統中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計 要求，采用低壓差、快響應的LM1805-3.3電源芯片，1.2V電源產生電路采用 LM117-1. 2V電源芯片，2. 5V電源產生電路采用TPS78625電源芯片。
本系統采用Cyclone III系列FPGA與MAX IICPLD配合，通過485總線將MAX II采集到的控制信號廣播發送到終端16路FPGA處理板，處理板根據地址信號 選擇接收，并根據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圖像采集模塊轉化為數字信號后，送處理 器進行透霧處理。處理器中的FPGA內構建一個Nios II軟核處理器與高速大容 量雙口 RAM結合，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，再用塊狀效應平 t算法進行平滑處理，最后采用非線性循環側抑制 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是保證增強效果的一個重要環節，然后采用基于脈 沖耦合神經網絡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突顯效果是比較可靠的。
系統的控制流程圖如圖4、圖5所示。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fe行解析，系統檢測到按鍵信息后，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 號進行發送。
通過485通信，對應地址位圖像處理模塊2中設置的串口電路201接收該 按鍵控制信號，其它地址位不對應的圖像處理模塊2對該控制信號不響應，處 理器204對按鍵控制信號進行解碼，根據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輸出到顯示設備上對圖像進行顯示。
本系統對圖像的處理過程主要以圖像的局部細節信息增強為目標，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點，開發出獨有的軟件算法插值自適 應直方圖均衡化的低對比度圖像增強算法。
插值自適應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； 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(1)當前子塊與固定
子塊重疊時，可以用該子塊訥變換函數產生中心象素點的輸出灰度值；(2)當 前子塊跨越多個固定子塊時，可以根據所覆蓋的比例對子塊的變換函數進行加 權平均，產生中心象素點的輸出灰度值。然后用此灰度值顯示，'實現了實時圖 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塊狀效應現象。P0SHE算法通過部分重疊塊狀 直方圖的方法，構造出一個低通濾波器來消除塊狀效應，并使用BERF濾波器對 POSHE算法產生的圖像作進一步平滑處理，以此來消除塊狀效應的影響。但為了 消除明顯的塊狀效應，P0SHE算法需要增大子塊間的重疊程度，提高運算復雜度。 插值自適應直方圖均衡化算法試圖從兩個方面上對P0SHE算法作改進一 方面是實現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；另一方面是實現子塊之間的平滑過度，徹底消除塊狀效應。前面提到， 塊狀效應主要是由于相鄰子塊之間的直方圖變換函數存在差異而造成的，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)，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，所得的結果自然是平滑
-一-,
的，不會出現塊狀效應。插值自適應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 現不同子塊之間的平滑。
權利要求
1.CCD透霧成像系統，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)中設置控制器(102)和與控制器(102)對應接口連接的串口電路(103)，圖像處理模塊(2)中設置處理器(204)和與處理器(204)對應接口連接設置的串口電路(201)，串口電路(103)與串口電路(201)之間通信連接，圖像處理模塊(2)中設置圖像采集模塊(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)對應接口連接設置圖像顯示模塊(205)將處理后的圖像信號輸出。
2. 如權利要求1所述的CCD透霧成像系統，其特征在于處理器(204)對應 的接口上連接設置存儲模塊(206)。
3. 如權利要求1所述的CCD透霧成像系統，其特征在于處理器(204)對應 的接口上連接設置繼電器(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. 如權利要求1所述的CCD透霧成像系統，其特征在于控制器(102)對應 接口上連接按鍵控制模塊(101)，處理器(204 )對應接口上連接撥碼開關(207 )。
5. 如權利要求1所述的CCD透霧成像系統，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)、串口電路(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. 如權利要求2所述的CCD透霧成像系統，其特征在于存儲模塊(206)的型號為IS61LV5128。
7. 如權利要求3所述的CCD透霧成像系統，其特征在于繼電器(202)、繼 電器(202a)的型號為EA2-5。
8. 如權利要求1所述的CCD透霧成像系統，其特征在于該系統的控制方法 如下1) 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，控制器(102)對按鍵控制信號進行編碼，串口電路(103)通過485 通信將該按鍵控制信號發送；2) 通過485通信，串口電路(201)接收該按鍵控制信號，處理器(204) 對按鍵控制信號進行解碼，裉據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。
9. 如權利要求8所述的CCD透霧成像系統，其特征在于所述的根據接收到 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。
全文摘要
CCD透霧成像系統及其控制方法，屬于圖像監控設備的技術領域。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，處理器連接設置圖像顯示模塊將處理后的圖像信號輸出。本發明在高速處理和穩定的硬件基礎上，針對圖像優化處理的核心組件，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點，創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化處理，達到1.6～2倍的透霧能力，滿足實際應用對透霧圖像清晰度的要求。
文檔編號G06T5/00GK101588481SQ20091009978
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月15日 優先權日2009年6月15日
發明者王新賽 申請人:浙江金匯科技股份有限公司