基于DSP的霧天監(jiān)控視頻圖像清晰化處理方法研究

王昌瑞

（菏澤學(xué)院，山東 菏澤 274015）

基于DSP的霧天監(jiān)控視頻圖像清晰化處理方法研究

王昌瑞

（菏澤學(xué)院，山東 菏澤 274015）

現(xiàn)如今在交通運輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、軍事科技等許多領(lǐng)域范圍內(nèi)，視頻監(jiān)控扮演著舉足輕重的角色。但是，如今的監(jiān)控系統(tǒng)對天氣要求非常苛刻，在可視度比較低下的霧天，對實物取景非常不利，限制和損害了室外監(jiān)控系統(tǒng)的使用。因此，為大大提高圖像的清晰度，在DSP的惡劣天氣下監(jiān)控視頻清晰度的處理方式具有重大的研究意義和利用價值。本文從霧霾天氣下圖像的清晰度與DSP的特點著手，分析霧天圖像的物理成因，并提出系統(tǒng)的設(shè)計方案，從而完成了整個系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)。

霧霾天；圖像的處理；方案設(shè)計；視頻監(jiān)視

1　緒 論

1.1 課題的研究背景與意義

隨著信息多媒體數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展，視頻監(jiān)視在安全防護、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事科技等眾多領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的作用。根據(jù)霧天圖像的物理成因、整體方案設(shè)計來體現(xiàn)霧天監(jiān)控的實質(zhì)清晰度，大大提升了監(jiān)視系統(tǒng)在惡劣天氣開展工作的可行性。

1.2 研究現(xiàn)狀

1.2.1 霧霾天圖像清晰度研究現(xiàn)狀

在霧霾天清晰度不高的實物景象中，本身偏低的灰度值大大增加、而數(shù)值偏高的灰度值卻被減小，致使像素點灰度值無限集合在于一點上，是一種顯而易見的對比度退化，可以理解為霧霾天圖像清晰度不高同樣的也是對比度提高的一種弊端。

現(xiàn)如今，對霧霾天氣圖像清晰度處理的方式一般分為兩大類型：模型與非模型的運算方法。模型的運算是根據(jù)景象清晰度下降的原因，使用逆向運算的方法來提升圖像自身的對比度；然而在非模型的運算方式下，并不需要了解圖像清晰度下降的內(nèi)在原因。

本文所提出的觀點與試驗都是為了更直觀地表達出如何提高霧霾天圖像清晰度，如何使用自身的對比度來提升圖像清晰度。

1.2.2 DSP特點與發(fā)展現(xiàn)狀

DSP的強大功能在于對各種數(shù)據(jù)可以通過實時性、時效性的處理方法，除具備普通微處理器強調(diào)的快速計算和控制功能外，在結(jié)構(gòu)上主要體現(xiàn)了數(shù)字信號處理算法的需求，采用并行處理、流水線、適量處理以及超標量等技術(shù)來提高處理性能。DSP總體來說體現(xiàn)在具備多個可同時操作的處理單元，如利用符合的信號的乘加來處理單元、專用尋址單元、DMA單元與終端處理單元等，對于執(zhí)行單元可以同時運作，大大增加處理速率。

DSP技術(shù)經(jīng)過重重考驗，其飽滿的硬件資源、可同時高速運轉(zhuǎn)、強大的指令系統(tǒng)與快速運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)上的處理實力，已廣闊覆蓋到平時工作、生活和學(xué)習(xí)中，同時在語音、聲納系統(tǒng)、圖像、系統(tǒng)控制、地質(zhì)勘查、電力系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程、故障檢測、全自動化儀器等各大領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。

2　霧天圖像的物理成因

在霧霾與其他惡劣天氣的影響下，室外取景的圖像對比度與它的分辨率都有著非常顯著的下降，從實質(zhì)上說，是因為本體光線在實物上通過接收裝置來傳播，在大氣中碰到了粒子半徑較大的氣溶膠懸浮粒子從而產(chǎn)生了交互作用，使得光以略微相同的規(guī)則在空間中重新分布。常見的交互作用大體分為三種類別：散射、吸收與輻射。致使圖像質(zhì)量下降的主要原因中，散射是極為重要的可見光波段，吸收與輻射所帶來的影響微乎其微。

因為介質(zhì)存極其不穩(wěn)定、不均勻，致使光偏離了原有的傳播軌道與其固定方向，從而往側(cè)方散射，這種情況被稱為介質(zhì)對光的散射。現(xiàn)如今，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，大氣光學(xué)和氣象學(xué)得出了許多關(guān)于散射和粒子尺寸分布關(guān)系的可依據(jù)的學(xué)術(shù)理論。從總體上來講，組成傳播介質(zhì)的粒子類型、形狀、方位、半徑的大小與所分布的情況，都與散射有著不可小覷的聯(lián)系，同時射光的波長、方向和偏振面都與其有著緊密關(guān)聯(lián)。表1列出了在不一樣的天氣下，大氣粒子的組成與分布情況，可以看出，大氣粒子的組成與分布和天氣因素有著密切聯(lián)系，從而產(chǎn)生的散射現(xiàn)象也大大不同。

表1 不同天氣下大氣離子的組成與分布情況

3　系統(tǒng)整體方案設(shè)計

霧霾天實物景象清晰度的運算方法作為本次課題研究的前期設(shè)計，為系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)奠定了清晰的理論基礎(chǔ)，同時也提供了相當(dāng)多的設(shè)計思路。通過對分析系統(tǒng)的設(shè)計需求，從而對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件方案設(shè)計和軟件方案設(shè)計進行研究。

3.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

應(yīng)設(shè)計方面的要求，從硬件入手，此系統(tǒng)主要包含三個模塊：視頻采集模塊、視頻顯示模塊、視頻處理模塊。系統(tǒng)在軟件的方面主要包括三個線程：視頻采集線程、視頻顯示線程和視頻處理線程。而在霧霾天氣下視頻的實時采集則采用模擬視頻信號對其進行采樣并數(shù)字化；視頻處理則使用的是對數(shù)字化后的圖像使用清晰化的處理方式；視頻的顯示則將處理過后的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)為模擬信號輸出到可見是的設(shè)備中去。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

DSP（Digital Signal Processor）是具備數(shù)字器件獨特的穩(wěn)固性、可大規(guī)模集成性、可反復(fù)、重復(fù)的性質(zhì)特征，包括可編程性極高和自適應(yīng)能力極強等兩個杰出特點，為實現(xiàn)數(shù)字信號處理技術(shù)帶來了無限的發(fā)展和極為新鮮的活力，并使得信號處理更加靈動，功能特質(zhì)更加復(fù)雜。其實信號處理最基本的就是對信號進行交換，其中最主要的目的就是通過提取信號中的有效信息，使用更便捷、可視性更強的方法進行闡述。數(shù)字信號處理就是用數(shù)字的方法對信號進行變換來獲得有用的信息。而實時就 是要求信息處理系統(tǒng)必須在有限的時間內(nèi)對外部輸入信號完成指定的處理，而且從信號輸入到處理后輸出的延遲必須足夠小。

3.3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用層、操作系統(tǒng)層、設(shè)備驅(qū)動層這三個大層面。本文所要體現(xiàn)的則是應(yīng)用層這方面的軟件設(shè)計。

在RF5的軟件框架上，將DSP端的應(yīng)用程序完美的合為一體。Reference Framework 5（RF5） 是IT在TMS320C5000以 及C6000DSP提供的在TIeXpressDSP所支持的供參考的基本框架，而他則建立于DSP/BIOS和TMS320 DSP Algorithm Standard（XDAIS）之上。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4　系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)簡單卻又極為高效，可以為管理機制連線，同時也可以協(xié)調(diào)各個線程。最為重要的一點是嵌入式系統(tǒng)在涉及相應(yīng)簡單的程序時，可不必使用操作系統(tǒng)，從而簡化程序。但如果在設(shè)計比較復(fù)雜的應(yīng)用程序時，則需要運用一個操作系統(tǒng)（OS）幫助人們管理和控制內(nèi)存，同時包括了多任務(wù)和周邊的種種資源等。綜上所述，通過之前章節(jié)對DSP的闡述與實驗，得出了系統(tǒng)軟件開發(fā)的實現(xiàn)與重要性，也確定了處理平臺是最為合適的核心算法。

主要參考文獻

［1］毛吉軍.霧天CCTV圖像實時清晰化算法的研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2012.

［2］臧風(fēng)妮.智能視頻監(jiān)控中海面艦船目標檢測算法研究［D］.青島:中國海洋大學(xué)，2014.

［3］鄭金環(huán).基于粗糙集的霧天圖像清晰化方法研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2011.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.10.099

TP391.41

A

1673-0194（2016）10-0142-02

2016-04-08