用于反應(yīng)堆艙的視頻采集技術(shù)

彭曉鈞，尤羿飛，蔡如樺，程 萍

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064；2. 武漢市第十四中學(xué)，湖北 武漢 430062)

0 引 言

在核動(dòng)力船舶的反應(yīng)堆艙內(nèi)，往往運(yùn)行著很多重要的液壓、氣壓管路和液動(dòng)、氣動(dòng)設(shè)備，堆艙內(nèi)通常溫度較高且具有一定的輻射性，巡檢人員不便進(jìn)入觀測(cè)和檢查。雖然會(huì)設(shè)置一些傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些管路和設(shè)備的運(yùn)行狀況，但依然需要輔助一定的視頻監(jiān)控手段，以便讓技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以幫助技術(shù)人員快速定位故障并加快問(wèn)題的解決[1]。

目前，用于核動(dòng)力船舶反應(yīng)堆艙的視頻采集設(shè)備主要有以下2種[1]：

1）電子攝像管攝像機(jī)；雖然其具有一定的耐高溫和耐輻射特性，但其體積和重量較大、集成度低且技術(shù)落后。

2）CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）或 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）攝像機(jī)。雖然其體積小、集成度高且技術(shù)先進(jìn)，但其耐高溫和耐輻照性能很差。溫度較高或累積輻射劑量達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)大大降低攝像機(jī)的成像質(zhì)量和使用壽命。

當(dāng)應(yīng)用于核動(dòng)力船舶反應(yīng)堆艙時(shí)，僅在外殼結(jié)構(gòu)上做了一些適應(yīng)性改進(jìn)，比如給攝像機(jī)加裝防護(hù)罩，再用鉛包覆并在內(nèi)部設(shè)置散熱模塊。這種結(jié)構(gòu)形式只是稍微提高了攝像機(jī)的使用壽命，并未從根本上解決視頻采集設(shè)備的耐高溫和耐輻照問(wèn)題。

核動(dòng)力船舶反應(yīng)堆艙內(nèi)空間狹小，管路復(fù)雜，設(shè)備眾多，故視頻采集裝置的安裝位置有限，線纜敷設(shè)不便且取電困難。同時(shí)，金屬材質(zhì)的管路、設(shè)備和艙壁會(huì)嚴(yán)重干擾無(wú)線信號(hào)的傳輸。因此，無(wú)線視頻傳輸方式并不適用于核動(dòng)力船舶反應(yīng)堆艙內(nèi)。

1 光纖陣列成像

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)手段中存在的諸多不足和缺陷，用于核動(dòng)力船舶反應(yīng)堆艙內(nèi)的視頻采集裝置應(yīng)該是小型化的、無(wú)源的，采用有線傳輸方式且對(duì)高溫和輻射不敏感。考慮到后期維修性和保障性需求，其還應(yīng)具有模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

1.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)核動(dòng)力船舶反應(yīng)堆艙內(nèi)特殊的環(huán)境條件和具體應(yīng)用需求，視頻采集裝置主要由“前端模塊”、“傳輸模塊”、“后端接收模塊”和“圖像重建模塊”等組成，如圖1所示。其中，“前端模塊”安裝在反應(yīng)堆艙內(nèi)，“后端接收模塊”和“圖像重建模塊”安裝在反應(yīng)堆艙外，“傳輸模塊”連接“前端模塊”和“后端接收模塊”。

圖 1 用于反應(yīng)堆艙的基于光纖陣列成像的視頻采集裝置Fig. 1 Video acquisition device based on optical fiber array used in reactor room

“前端模塊”包括前端鏡頭、安裝支架和前端機(jī)殼。“前端模塊”是無(wú)源的，不包括任何對(duì)溫度和輻射敏感的元器件，因此具有良好的耐高溫和耐輻射特性，可以安裝在具有較高溫度和較大輻射的核動(dòng)力船舶反應(yīng)堆倉(cāng)內(nèi)，并且可以長(zhǎng)時(shí)間正常工作。

“傳輸模塊”包括前端光纖陣列基片、光纖陣列和后端光纖陣列基片。通過(guò)在光纖陣列外面加設(shè)合適的光纖包層，可以使傳輸模塊具備良好的耐高溫、耐輻射特性。“傳輸模塊”主要用來(lái)直接傳輸現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)圖像的光信號(hào)。眾多光纖按一定的順序排列成需要的幾何形狀，組成光纖陣列，其端面被安裝在光纖陣列基片上。陣列兩端的光纖排列位置一一對(duì)應(yīng)，陣列中一條光纖相當(dāng)于一個(gè)像素，在光纖陣列一端的光圖像就會(huì)在陣列的另一端重現(xiàn)[2]。

“后端接收模塊”包括后端鏡頭、CCD/CMOS圖像傳感器、信號(hào)處理單元、后端機(jī)殼和安裝支架。

“圖像重建模塊”基于開(kāi)放式的、功能強(qiáng)大的ARM+DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器）嵌入式硬件平臺(tái)（如TI DVM6467T）開(kāi)發(fā)，結(jié)合光纖陣列傳像具有壓縮感知的特性，通過(guò)圖像學(xué)習(xí)及稀疏表達(dá)算法，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)輸入的每一幀圖像實(shí)現(xiàn)不低于X4的圖像超分辨率重建，進(jìn)而恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)圖像的特征信息，然后輸出給視頻顯示設(shè)備。另外，“圖像重建模塊”定義了標(biāo)準(zhǔn)化的軟件協(xié)議接口，可根據(jù)用戶需要或視頻監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的需求提供不同分辨率的輸出視頻。

1.2 工作原理

前端鏡頭將反應(yīng)堆艙內(nèi)的光線會(huì)聚到前端光纖陣列基片上，經(jīng)由光纖陣列傳輸后即可在后端光纖陣列基片上重現(xiàn)反應(yīng)堆艙內(nèi)的光圖像，再經(jīng)后端鏡頭匯聚于CCD/CMOS圖像傳感器，完成光電信號(hào)轉(zhuǎn)換后再由信號(hào)處理單元進(jìn)一步處理，然后傳輸給“圖像重建模塊”，根據(jù)光纖陣列傳像具有壓縮感知的特性[3]，通過(guò)圖像學(xué)習(xí)及稀疏表達(dá)算法，結(jié)合一定的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)所獲得的原始圖像進(jìn)行超分辨率重建，恢復(fù)觀測(cè)圖像中丟失的部分細(xì)節(jié)信息，保證后端獲取到高質(zhì)量的視頻圖像，最后再傳輸給視頻顯示設(shè)備。

1.3 基于稀疏表示的圖像重建算法

圖像的稀疏表示[4 – 6]是指可完全或近似地利用很少的一組原子圖像的線性組合來(lái)表示圖像，所有的原子圖像能構(gòu)造一個(gè)過(guò)完備的詞典。圖像的稀疏表示主要分為2個(gè)步驟：過(guò)完備詞典的構(gòu)造和圖像的稀疏分解。圖像超分辨率重建算法是一種利用一幅（或序列）低分辨率退化圖像重建出一幅（或序列）具有高像素密度且包含更多特征信息的高分辨率圖像的復(fù)原方法。圖像的稀疏表示模型如下式所示：

過(guò)完備詞典就是求解圖像稀疏表示時(shí)最優(yōu)基的構(gòu)造，它不僅滿足稀疏表示唯一性條件的約束，同時(shí)在這個(gè)詞典上能夠使用一種更稀疏、更精確的表示來(lái)近似原始圖像[7]。過(guò)完備詞典包括低分辨率圖像塊詞典和與之對(duì)應(yīng)的高分辨率圖像塊詞典，它們具有相同的稀疏表示。求解圖像稀疏表示[8]的公式為：

式（2）對(duì)每個(gè)圖像塊單獨(dú)進(jìn)行處理，并沒(méi)有考慮相鄰圖像塊之間的匹配問(wèn)題。為保證并有效增強(qiáng)相鄰圖像塊之間的兼容性，對(duì)式（2）進(jìn)行優(yōu)化，利用來(lái)重建高分辨率圖像塊[9]，改進(jìn)后的圖像稀疏表示的公式[10]為：

基于稀疏表示的圖像重建算法[11]的主要計(jì)算步驟為：

3）滿足重構(gòu)約束，則有：

分別采用雙三次插值[12 – 14]和基于稀疏表示的算法進(jìn)行超分辨率圖像重建，結(jié)果如圖4和圖5所示。

經(jīng)觀察易知，雙三次插值算法造成所獲得圖像的結(jié)構(gòu)特征比較模糊，而稀疏表示算法獲得的高分辨率圖像仍然能夠保持圖像的結(jié)構(gòu)特征，比如帽沿、臉部輪廓特征等。由此可見(jiàn)，在進(jìn)行圖像超分辨率重建時(shí)，稀疏表示算法明顯優(yōu)于雙三次插值算法。因此，可采用基于稀疏表示的圖像重建算法恢復(fù)觀測(cè)圖像中丟失的特征信息，從而在后端獲得高質(zhì)量的視頻圖像。

圖 2 原始低分辨率圖像Fig. 2 Original low-resolution image

圖 3 原始高分辨率圖像Fig. 3 Original high-resolution image

圖 4 基于稀疏表示的圖像重建Fig. 4 Image reconstruction based on sparse representation

2 耐高溫和耐輻射實(shí)驗(yàn)研究

選用CCD彩色攝像機(jī)WAT-221S、利用彩色CMOS圖像傳感器OV7960-E62W開(kāi)發(fā)的攝像機(jī)OVAP50S、電子攝像管攝像機(jī)IRC304、以及基于光纖陣列成像技術(shù)和OV7960-E62W開(kāi)發(fā)的視頻采集裝置HHP50S[15]進(jìn)行了耐高溫和耐輻照性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖 5 基于雙三次插值的圖像重建Fig. 5 Image reconstruction based on bi-cubic interpolation

2.1 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

目前，雖然提出了各種圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)方法，比如峰值信噪比（PSNR，Peak Signal to Noise Ratio）、拉普拉斯因子法、對(duì)比度熵信息和均方誤差（MSE，Mean Square Error）等，這些方法具有方便、快捷的特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)并能結(jié)合到應(yīng)用系統(tǒng)中，但它們往往和人們的主觀感受有較大出入，因此沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。主觀評(píng)價(jià)方法雖然稍顯復(fù)雜且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但它非常直觀并且天然地和人們的主觀感受相符。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，采用主觀質(zhì)量評(píng)分法（MOS，Mean Opinion Score）對(duì)吸收不同劑量后的視頻采集裝置的輸出圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)。

主觀質(zhì)量評(píng)分法采用國(guó)際上通行的5級(jí)絕對(duì)評(píng)價(jià)尺度，如表1所示。選取10位非圖像處理領(lǐng)域的人員對(duì)隨機(jī)抽取的10組視頻樣本分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后對(duì)他們的所有打分進(jìn)行歸一化平均。

表 1 絕對(duì)評(píng)價(jià)尺度Tab. 1 Absolute evaluation scale

2.2 耐高溫實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

將以上幾種類型的視頻采集裝置放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)置好溫度并進(jìn)行耐高溫考核，在每種溫度環(huán)境中均考核2 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

WAT-221S在50 ℃時(shí)已無(wú)法正常工作，OVAP50S在60 ℃環(huán)境中工作0.5 h后就損壞。從表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，HHP50S在不同溫度條件下的質(zhì)量尺度得分和妨礙尺度得分均高于IRC304，尤其在高溫環(huán)境中，二者的圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)得分差距更為明顯。

表 2 耐高溫考核實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Results of heat-resistant experiments

在60 ℃環(huán)境中考核2 h后，IRC304和HHP50S均能夠正常工作，隨機(jī)分別截取IRC304和HHP50S的1幅視頻畫(huà)面，如圖6和圖7所示。IRC304的視頻畫(huà)面變暗，存在明顯的噪點(diǎn)，而HHP50S的畫(huà)面依然非常清晰[16]，無(wú)明顯干擾，幾乎看不出圖像質(zhì)量變壞，不妨礙觀看。

圖 6 60 ℃ 環(huán)境中 IRC304 的輸出視頻截圖Fig. 6 Output video screenshot of IRC304 at 60 ℃

2.3 耐輻照實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為驗(yàn)證視頻各種視頻采集裝置的耐輻照性能，在湖北省農(nóng)科院輻照實(shí)驗(yàn)中心利用鈷-60γ射線對(duì)其進(jìn)行了輻照實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖 7 60 ℃ 環(huán)境中 HHP50S 的輸出視頻截圖Fig. 7 Output video screenshot of HHP50S at 60 ℃

WAT-221S和OVAP50S分別在吸收劑量為3×102Gy、1×103Gy之后，已清楚看出圖像質(zhì)量明顯變壞且妨礙觀看。從表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，HHP50S在不同輻照條件下的質(zhì)量尺度得分和妨礙尺度得分均高于IRC304，尤其在吸收劑量達(dá)到1×105Gy之后，二者的圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)得分差距更為明顯。

在吸收劑量為5×105Gy后，IRC304和HHP50S均能夠正常工作，隨機(jī)分別截取IRC304和HHP50S的1幅視頻畫(huà)面，如圖8和圖9所示。可以明顯看出，IRC304的視頻畫(huà)面變暗，圖像模糊，已丟失較多細(xì)節(jié)信息，而HHP50S的畫(huà)面依然非常清晰，圖像中幾乎保留了所有的特征細(xì)節(jié)，幾乎看不出圖像質(zhì)量變壞，不妨礙觀看。

圖 8 5×105吸收劑量后 IRC304 的輸出視頻截圖Fig. 8 Output video screenshot of HHP50S after 5×105 Gy

圖 9 5×105吸收劑量后 HHP50S 的輸出視頻截圖Fig. 9 Output video screenshot of HHP50S after 5×105 Gy

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)光纖陣列成像的工作原理，“前端模塊”內(nèi)沒(méi)有對(duì)溫度和輻射敏感的器件，同時(shí)它們也均為無(wú)源器件，因此可以應(yīng)用于高溫、輻射較強(qiáng)和供電不便的場(chǎng)所。圖2和圖3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖6～圖9的對(duì)比結(jié)果證明了基于光纖陣列成像的視頻采集裝置具有良好的耐高溫、耐輻照性能。

根據(jù)基于稀疏表示的圖像重建算法的原理，圖2～圖5的對(duì)比結(jié)果表明：“圖像重建模塊”可以對(duì)所獲得的原始低分辨率圖像進(jìn)行超分辨率重建，獲得高質(zhì)量的輸出視頻。另外，還可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)所和用戶的具體應(yīng)用需求輸出不同分辨率的視頻，從而滿足對(duì)圖像不同清晰度的要求。

圖1表明，基于光纖陣列成像的視頻采集裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的維修性和保障性。另外，放入反應(yīng)堆艙的“前端模塊”還具有體積小、重量輕，連線簡(jiǎn)單，安裝方便的特點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)對(duì)核動(dòng)力船舶反應(yīng)堆艙內(nèi)高能管路、重要設(shè)備的實(shí)際監(jiān)測(cè)需求，考慮到其內(nèi)溫度較高、輻射較強(qiáng)的特殊應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)手段的不足和缺陷，研制了基于光纖陣列成像的視頻采集裝置，同時(shí)根據(jù)光纖陣列成像具有壓縮感知的特性，提出利用基于稀疏表達(dá)的圖像重建算法，對(duì)所獲得的低分辨率現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)圖像進(jìn)行超分辨率重建，恢復(fù)觀測(cè)圖像中丟失的部分細(xì)節(jié)信息，從而保證在后端可以獲得高質(zhì)量的視頻圖像。通過(guò)對(duì)該視頻采集裝置、傳統(tǒng)電子攝像管攝像機(jī)、CCD攝像機(jī)和CMOS攝像機(jī)進(jìn)行一系列的耐高溫、耐輻照對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，證明了本文所研制的視頻采集裝置和所提出的圖像重建算法的優(yōu)良性能。

另外，基于光纖陣列成像的視頻采集裝置采用模塊化設(shè)計(jì)思想，具有擴(kuò)展能力強(qiáng)，后期維護(hù)、升級(jí)便捷等優(yōu)點(diǎn)，可無(wú)縫集成到現(xiàn)有的視頻監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)中。稍加適應(yīng)性設(shè)計(jì)，也可推廣到類似的應(yīng)用場(chǎng)景中。