基于嵌入式系統的夜間全方位監控系統設計

李天玥 張科 古麗蘇姆·熱合曼

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

關鍵詞：魚眼鏡頭；紅外矩陣光源；嵌入式平臺；夜間全方位監控

引言：

當前中國市場上的監控攝像機主要是通過使用紅外濾光片來達到日夜轉換的效果，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，進而導致畫面模糊，產生虛焦。

進而本文提出一種傳輸距離遠、全天圖片穩定效率高、信號質量穩定的電路設計以及高速圖像傳輸的夜間全方位監控系統方案。

1成像鏡頭

為了實現無盲區實時拍攝，本文設計了一款視角可達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對成像細節的要求。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，提高采集圖片的質量。

2夜間全方位監控系統的設計

本文設計了以TMS320DM642為核心的圖像采集分析處理系統。DSP處理后的BT.656格式的視頻數據經由編碼芯片后，將轉化為PAL格式的圖像信號，可以通過后續處理得到完成的目標圖像。

2.1夜間全方位監控系統硬件設計

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格式的數據。芯片TVP5150內部的寄存器初始化及配置可以通過TMS320DM642的I2C接口實現，其中SCL，SDA引腳分別與642芯片的時鐘與數據地址線相連，從而實現數據分析與圖像解讀，并將信息存儲進寄存器。VP1的A通道可以被設置成為視頻輸入口。

2.1.2 圖像處理模塊

本文設計系統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，圖像或視頻數據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，為了保證數據存儲的完整性，系統將數據搬入片外存儲器SDRAM。當FIFO通道向SDRAM搬運完數據后運行在FLASH中的程序開始調用圖像數據，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夜間全方位監控系統軟件設計

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性抗干擾能力較強，精度較高。根據提取的特征點，將不同區域的圖像進行重疊拼接，形成完整的圖像達到更好的監控效果。

2.2.2 圖像預處理

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，進而設定閾值去除波動系數中的噪聲元素，進行濾波操作，最后將濾波得到的圖像進行傅里葉逆變換，以得到經過預處理后的圖像。

2.2.3 圖像特征拼接

為了得到確切完整的圖像拼接結果，簡單的閾值分割容易導致軟件檢測的錯誤，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，以區域內的各個像素點的平均亮度作為閾值亮度。再根據圖像各個尺寸點與像素點大小以及位置的相對關系，得到目標點的位置與亮度，還原回整體的圖像，并優化之前圖像的清晰度。

3實驗測試結果與分析

實驗根據天氣情況，取19：30到第二天的5：00為夜間，測量圖像并進行拼接。根據整體實驗的結果來看，本文設計得到的夜間全方位監控系統與當前紅外夜視一體機所能監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。

經實驗驗證本文設計的系統可以滿足夜間全方位監控系統設計的要求，并且該系統具有完成速度快、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利益，具有較高的研究前景。

4結論

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

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