基于DSP的嵌入式數(shù)字?jǐn)z像夜間能見(jiàn)度測(cè)量系統(tǒng) - 全文

　　摘要：數(shù)字?jǐn)z像夜間能見(jiàn)度儀的關(guān)鍵技術(shù)之一在于高速、實(shí)時(shí)地處理CCD采集的目標(biāo)光源和黑體的圖像信息。設(shè)計(jì)了一種基于TMS320DM642的小型化、便攜嵌入式能見(jiàn)度測(cè)量系統(tǒng)，從硬件和軟件上給于實(shí)現(xiàn)，并將其應(yīng)用到數(shù)字?jǐn)z像夜間能見(jiàn)度測(cè)量中。利用CCD采集25幀/s的PAL制視頻流，數(shù)字化后送入DSP處理器，通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光源與黑體的圖像分割與定位算法，完成數(shù)字?jǐn)z像夜間能見(jiàn)度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)能較好完成夜間能見(jiàn)度的測(cè)量。

　　關(guān)鍵詞：DSP;圖像處理；夜間能見(jiàn)度；嵌入式系統(tǒng)

　　0 引言

　　能見(jiàn)度是氣象觀測(cè)中的重要參數(shù)，其對(duì)于航空航天、鐵路、公路等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。數(shù)字?jǐn)z像法是根據(jù)能見(jiàn)度定義以及人眼視覺(jué)閾值效應(yīng)自動(dòng)獲得能見(jiàn)度值的，是一種較為新型的探測(cè)能見(jiàn)度的方法。其基本思路是通過(guò)直接處理攝像機(jī)（CCD）攝取的選定目標(biāo)物的圖像，分析亮度信息來(lái)獲得能見(jiàn)度數(shù)值。文章研究了雙光源攝像法夜間能見(jiàn)度測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了基于DSP的小型化嵌入式系統(tǒng)，從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面

　　對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了夜間能見(jiàn)度的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以用于夜間能見(jiàn)度的觀測(cè)。

　　1 數(shù)字?jǐn)z像法探測(cè)夜間能見(jiàn)度原理

　　采用雙光源法開(kāi)展夜間能見(jiàn)度探測(cè)的原理如圖1所示。

　　雙光源法是基于比爾-朗伯定律，通過(guò)圖像灰度信息得到光源與黑體的視亮度衰減，進(jìn)而反演大氣消光系數(shù)來(lái)計(jì)算能見(jiàn)度的一種方法。獲得的大氣消光系數(shù)為：

　　式中：分別為光源1，2，黑體1，2的視亮度；D1和D2分別為光源1，2距攝像機(jī)的距離。

　　再根據(jù)人眼視覺(jué)閾值效應(yīng)得到能見(jiàn)度值為D=ln（1/0.02）/σ。

　　2 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)其主要由目標(biāo)光源與黑體、攝像機(jī)和信號(hào)處理平臺(tái)組成。信號(hào)處理平臺(tái)完成信號(hào)的圖像采集、分割與能見(jiàn)度計(jì)算功能。本文設(shè)計(jì)了一套以TMS320DM642為核心，結(jié)合CY37064P100，TVP5150PBS，SAA7121，DMT32240T035_01WN的圖像實(shí)時(shí)采集與處理平臺(tái)。該平臺(tái)完成圖像的采集與分割定位的處理，目標(biāo)光源與目標(biāo)黑體的視亮度以及能見(jiàn)度值的計(jì)算。圖2為系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖。

　　采用PAL制式的攝像頭提供25幀/s的視頻流。CCD采集圖像并通過(guò)視頻解碼芯片將輸入視頻流轉(zhuǎn)化為8位ITU-R BT.656格式視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)DSP圖像處理得到能見(jiàn)度的數(shù)值。再通過(guò)DM642擴(kuò)展的串口通信電路與帶串口的液晶屏通信，把能見(jiàn)度數(shù)值顯示在液晶屏上。同時(shí)視頻編碼芯片將DSP處理后的BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PAL制式的視頻信號(hào)，通過(guò)監(jiān)視器顯示處理后的目標(biāo)光源和目標(biāo)黑體的圖像。

　　2.2 嵌入式信號(hào)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.2.1 視頻采集模塊

　　采用8位模擬工業(yè)攝像機(jī)直接攝取PAL制的視頻圖像，送入視頻解碼器。解碼后輸出ITU-R BT.656格式數(shù)據(jù)。解碼器采用高性能、封裝?。?2腳TQFP）、功耗小（小于150 mW）的TVP5150PBS，將PAL視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號(hào)（YUV 4:2：2）。圖3為視頻解碼模塊與DSP接口圖。

　　在外部視頻輸入（0~1 Vpp）與TVP5150PBS視頻輸入之間設(shè)計(jì)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)使得TVP5150PBS的輸入電平為0~0.75 Vpp.

　　系統(tǒng)設(shè)置視頻口VP1的A通道作為視頻輸入口。TMS320DM642的I2C接口實(shí)現(xiàn)對(duì)TVP5150芯片內(nèi)部寄存器的初始化和配置。TVP5150芯片的SCL，SDA引腳分別與TMS320DM642時(shí)鐘、數(shù)據(jù)地址線(xiàn)相連，通過(guò)SCL，SDA的時(shí)序配合完成DSP向視頻解碼器芯片寄存器寫(xiě)入和讀出數(shù)據(jù)。TVP5 150接收攝像機(jī)的視頻信息，經(jīng)過(guò)解碼后的數(shù)據(jù)串行輸出。數(shù)字視頻流包含奇偶場(chǎng)指示信號(hào)FI、場(chǎng)同步信號(hào)、行同步信號(hào)、像素時(shí)鐘、YUV數(shù)據(jù)輸出等元素，數(shù)據(jù)率約165 Mb/s.

　　2.2.2 圖像處理模塊

　　系統(tǒng)采用TI公司的面向數(shù)字媒體應(yīng)用的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320DM642完成信號(hào)處理的過(guò)程。TVP5150輸出的BT.656視頻流經(jīng)過(guò)TMS320DM 642的視頻口后存入2 560 B的VP1A通道FIFO.由于圖像數(shù)據(jù)量大，需要外擴(kuò)片外存儲(chǔ)器用于存放圖像數(shù)據(jù)信息。通過(guò)EDMA通道把FIFO中的數(shù)據(jù)搬入片外存儲(chǔ)器SDRAM.當(dāng)視頻口VP1的A通道出現(xiàn)視頻Y，U，V分量數(shù)據(jù)搬運(yùn)請(qǐng)求后，在程序中便會(huì)觸發(fā)EDMA處理函數(shù)，完成FIFO數(shù)據(jù)向SDRAM的搬運(yùn)。VP1EVTYA，VP1EVTUA，VP1EVTVA分別為發(fā)生在VP1A通道上與視頻Y，U，V分量相關(guān)的事件，與DM642 EDMA對(duì)應(yīng)通道相連。當(dāng)FIFO向SDRAM搬運(yùn)完數(shù)據(jù)后運(yùn)行在FLASH中的程序開(kāi)始調(diào)用圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行算法處理，求取光源和黑體的亮度值，完成能見(jiàn)度的計(jì)算。

　　2.2.3 視頻顯示模塊

　　視頻顯示部分通過(guò)視頻編碼芯片把BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PAL制式的視頻信號(hào)，然后送入監(jiān)視器顯示處理后的目標(biāo)光源和目標(biāo)黑體圖像。采用SAA7121H編碼器，將TMS320DM642的VP0 A通道設(shè)置為視頻輸出口。圖4為視頻編碼模塊與DSP連接圖，CVBS_OUT為解碼輸出的復(fù)合視頻。與TVP5150一樣，SAA7121芯片內(nèi)部各個(gè)寄存器的配置通過(guò)TMS320DM642的I2C接口配置，且可以與TVP5150共用TMS320DM642的I2C總線(xiàn)。

　　2.2.4 串口通信模塊

　　系統(tǒng)在DSP外部通過(guò)CY37064P100和TL16C752B擴(kuò)展串口通信電路實(shí)現(xiàn)主芯片與帶串口液晶屏之間的通信，將夜間能見(jiàn)度值顯示在液晶屏上。圖5為串口通信模塊設(shè)計(jì)圖。選擇串口液晶屏實(shí)現(xiàn)能見(jiàn)度數(shù)值的顯示和歷史曲線(xiàn)的繪制。

　　3 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 基于DSP/BIOS和RF5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　DSP/BIOS是基于CCS的一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)，其多線(xiàn)程機(jī)制可以方便進(jìn)行多任務(wù)應(yīng)用程序的編寫(xiě)。與傳統(tǒng)的匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編寫(xiě)的DSP程序相比，DSP/BIOS可以有效地提高代碼執(zhí)行效率，利于行代碼執(zhí)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。RF5是基于DSP/BIOS的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)框架，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理、線(xiàn)程模型和通道封裝。運(yùn)用RF5參考框架可以大大縮短開(kāi)發(fā)者的難度和時(shí)間。根據(jù)系統(tǒng)需要，在基于RF5參考框架上進(jìn)行嵌入式軟件的編寫(xiě)，圖6為軟件程序流程圖。

　　各個(gè)處理任務(wù)之間采用SCOM消息機(jī)制進(jìn)行通信。圖像采集任務(wù)采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)SCOM消息傳輸給處理任務(wù)；處理任務(wù)對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)的處理及能見(jiàn)度計(jì)算后，通知采集任務(wù)進(jìn)行下一次的采集處理，并將處理的結(jié)果傳給輸出任務(wù)進(jìn)行顯示。同時(shí)，處理任務(wù)協(xié)調(diào)該任務(wù)和其他兩個(gè)任務(wù)之間的通信。

　　3.2 能見(jiàn)度計(jì)算的圖像處理算法研究

　　能見(jiàn)度計(jì)算任務(wù)是DSP嵌入式軟件的核心，其圖像處理方法是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。數(shù)字?jǐn)z像夜間能見(jiàn)度儀通過(guò)圖像處理計(jì)算兩相同亮度光源經(jīng)過(guò)不同距離衰減之后的目標(biāo)光源視亮度，根據(jù)視亮度反演大氣消光系數(shù)完成能見(jiàn)度值的測(cè)量。其圖像處理過(guò)程主要分為圖像預(yù)處理、圖像分割與定位、能見(jiàn)度值的計(jì)算三部分。

　　3.2.1 圖像預(yù)處理

　　圖像預(yù)處理主要對(duì)采集的光源圖像進(jìn)行圖像濾波處理，以達(dá)到去除背景噪聲和雜散光等的影響，使目標(biāo)光源和黑體圖像亮度均勻。由于該系統(tǒng)的能見(jiàn)度儀主要安裝在高速公路上用于能見(jiàn)度預(yù)警，在低霧、雨天等天氣條件下，圖像的清晰度不高。另外CCD在圖像采集和傳輸圖像的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲污染。因此，需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。

　　采用了頻域增強(qiáng)法使得圖像清晰化。對(duì)圖像進(jìn)行傅里葉變換，在頻域進(jìn)行濾波處理，再將濾波后的圖像反變換到空間域，從而獲得增強(qiáng)后的圖像。另外利用小波變換在信號(hào)去噪和數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域的良好效果，采用小波閾值去噪法?；谛盘?hào)和噪聲頻率和幅值不同，對(duì)圖像進(jìn)行二維小波變換，根據(jù)圖像原始信息和噪聲小波變換系數(shù)的差異，設(shè)定閾值去除小波系數(shù)中的噪聲元素，用經(jīng)過(guò)處理的小波系數(shù)進(jìn)行二維小波反變換得到去噪后的圖像。

　　3.2.2 圖像分割與定位

　　數(shù)字?jǐn)z像法測(cè)量夜間能見(jiàn)度關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地提取出圖像的亮度信息。在亮度的計(jì)算過(guò)程中，準(zhǔn)確地分割出光源圖像是計(jì)算過(guò)程中的關(guān)鍵。簡(jiǎn)單的閾值分割易造成誤判，影響能見(jiàn)度的計(jì)算。圖像分割研究合適的適合兩個(gè)目標(biāo)光源和黑體的分割算法，取光源中亮度比較均勻的部分作為光源和黑體的亮度值。

　　選擇合適的USAN區(qū)域，利用SUSAN邊緣檢測(cè)算子，進(jìn)行圖像的邊緣檢測(cè)。根據(jù)所得到的邊緣進(jìn)行圖像的分割，得到光源二值圖像。取正方形的模板在光源部分進(jìn)行亮度值搜索計(jì)算，求出方框內(nèi)亮度最大的區(qū)域，以此區(qū)域作為光源的亮度值。再根據(jù)圖像尺寸與對(duì)應(yīng)像素個(gè)數(shù)的關(guān)系，求出黑體的位置，進(jìn)行黑體亮度值的計(jì)算。圖7顯示了從圖形分割到定位的過(guò)程。

　　3.2.3 能見(jiàn)度值的計(jì)算

　　通常能見(jiàn)度的變化實(shí)時(shí)性要求不高，可根據(jù)DSP計(jì)算的效率，每取100張圖疊加求平均亮度，再將計(jì)算出的目標(biāo)光源和目標(biāo)黑體的亮度值分別代入消光系數(shù)σ和能見(jiàn)度D計(jì)算公式，完成能見(jiàn)度的計(jì)算。

　　4 實(shí)驗(yàn)效果分析

　　實(shí)驗(yàn)選擇合肥董鋪島觀測(cè)場(chǎng)地進(jìn)行能見(jiàn)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用100幀圖像進(jìn)行平均來(lái)求取亮度值。圖8為嵌入式系統(tǒng)計(jì)算能見(jiàn)度值通過(guò)串口液晶屏的顯示。

　　實(shí)驗(yàn)根據(jù)合肥6月天氣情況，取19:30到第二天的5:00為夜間，測(cè)量能見(jiàn)度。圖9為2012年6月8日至6月12日的測(cè)量結(jié)果。從測(cè)量結(jié)果可以看出數(shù)字?jǐn)z像夜間能見(jiàn)度儀同前向散射能見(jiàn)度儀有幾乎完全相同的變化趨勢(shì)，最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差為15%，滿(mǎn)足世界氣象組織關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)能見(jiàn)度儀誤差小于20%的規(guī)定。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的基于DSP和CPLD的數(shù)字圖像處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到數(shù)字?jǐn)z像夜間能見(jiàn)度測(cè)量中可以得到圖像的實(shí)時(shí)顯示與能見(jiàn)度的計(jì)算。采用的圖像分割與定位算法可以獲得較小的亮度誤差，能見(jiàn)度值也與人工觀測(cè)值十分接近，誤差在可接受的20%內(nèi)。該系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、速度快等特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證滿(mǎn)足數(shù)字?jǐn)z像夜間能見(jiàn)度測(cè)量的要求，理論上可以應(yīng)用到夜間能見(jiàn)度的觀測(cè)當(dāng)中，可以作為后期研發(fā)的平臺(tái)繼續(xù)開(kāi)展數(shù)字?jǐn)z像夜間和白天能見(jiàn)度方面的探測(cè)。