彩色(黑白)一體化黑光夜視設備系統(tǒng)設計

陸 平，王文錦，杜素霞，趙書國，吉 彬

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引言

以往，夜視技術主要局限于軍事應用。直到今天，軍事應用仍占夜視市場的90%以上。因為在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，誰擁有夜視技術誰就擁有夜戰(zhàn)的主動權(quán)，同時夜視技術也是一個國家軍事科技水平的重要標志。作為戰(zhàn)爭使用的夜視技術，主要是熱紅外 (遠紅外、中紅外)成像技術和微光夜視技術。目前，各國普遍采用熱紅外成像技術，該技術作用距離遠，可以穿透雨、霧、雪、塵、樹葉等偽裝，非常適合戰(zhàn)爭使用。但是，由于熱紅外成像技術是靠人或物體與背景之間的輻射溫差成像，分辨率低，需強制制冷，制造工藝復雜，價格昂貴，壽命短，各國又都作為秘密武器，不能大范圍推廣應用。微光夜視技術是利用月光、星光和大氣輝光，通過像增管增強達到人眼能夠觀察的目的。它成像較清晰，但由于照明條件，景物的反射及對比度的不同會大大影響圖像的質(zhì)量。如果完全沒有光或光線非常弱，就只有噪聲干擾，使用條件受到限制。最近幾年，隨著探測材料和電子技術的不斷發(fā)展，紅外和微光夜視技術已經(jīng)有了商業(yè)性的應用，同時也出現(xiàn)了許多所謂低照度的攝像設備，但由于分辨率受光照條件的限制，以及制造成本昂貴等因素，民用方面發(fā)展緩慢。綜觀國內(nèi)外各式各樣的夜視攝像技術，都是利用提高靈敏度的方法來獲取低照度的圖像信號。由于提高了靈敏度，抗強光能力大大降低，一般只能經(jīng)受10 lux以下的光照。雖然有的設備設有防強光保護電路，但使用要求嚴格，因而使推廣應用受到限制。為此，如何應用現(xiàn)代科學技術，研制一種價格低廉、圖像清晰，突破環(huán)境光照條件限制的夜視攝像設備，具有重要的研究價值。

1 系統(tǒng)方案設計

彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀根據(jù)觀察視場范圍，距離遠近，合理配置不同的隱蔽式黑光照明系統(tǒng)，根據(jù)不同光照環(huán)境、觀察范圍和觀察距離，合理配置不同的光學系統(tǒng)和光學鏡頭。各種外部接口按照標準化設計，主要組成方案如圖1所示。

圖1 彩色 (黑白)一體化黑光夜視儀系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic diagram of color(grayscale)integrated night vision system

1.1 光學處理

為使彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀的采光窗口工作在設定的光譜區(qū)域，需要應用光學處理技術，設定光闌限制條件，使光學系統(tǒng)兼?zhèn)浼t外截止和低通濾波功能，同時滿足強光條件下和零照度條件下攝取圖像的需要，并與電子快門同步工作，使攝取圖像質(zhì)量不隨環(huán)境光照條件變化，始終輸出清晰穩(wěn)定的視頻圖像。

1.2 黑光系統(tǒng)

為攝取低照度條件下的圖像信號，設計可以通過光學通道的黑光系統(tǒng)，應用自動采光補光技術，根據(jù)環(huán)境光照強度對被攝物體自動采光補光。經(jīng)光學系統(tǒng)處理和調(diào)制輸出的黑光系統(tǒng)，無紅外光曝，不易暴露目標，同時滿足攝取圖像的需要。

1.3 圖像、信號處理

為了從圖像傳感器上分別獲得高清晰的彩色和黑白圖像，需要有選擇地增強圖像信號，應用數(shù)字處理技術對圖像信號進行數(shù)字化處理，使彩色圖像信號和黑白圖像信號分離，完成相對獨立的工作條件，彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀采集的圖像信號信噪比，增益都得到有效控制，使圖像信號更穩(wěn)定，效率更高。

1.4 工作防護

彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀在使用環(huán)境溫度發(fā)生變化時，光學部分容易結(jié)霜、結(jié)露和沾染灰塵。為防止以上情況發(fā)生，在結(jié)構(gòu)上設計自動防護功能，不會因環(huán)境溫度變化影響圖像質(zhì)量。

1.5 探測預警

彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀配備2種預警裝置。配載自動輻射探測裝置的彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀，具有自動探測報警功能，主要應用于監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng);配載自動安全預警系統(tǒng)的彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀，具有自動探測和主動防御功能，主要應用于夜間偵察、埋伏等對抗性、機動性的應用場合。

1.6 自動控制

為保證彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀在強光、微光、零照度等不同光照條件下能夠始終輸出清晰穩(wěn)定的視頻圖像，設計自動增益，自動電平，自動光圈 (內(nèi)同步)和電動光圈 (外同步)及工作溫度調(diào)節(jié)等控制功能。

2 主要創(chuàng)新點

2.1 實時嵌入式彩色/灰度分離合成技術

為了從圖像傳感器獲得高清晰的彩色和灰度圖像，并保證視頻播放的實時性，該產(chǎn)品采用基于TI公司DM6437芯片的開發(fā)板來實現(xiàn)視頻圖像的彩色/灰度分離與合成。

DM6437是一款專門面向多媒體應用的專用DSP，采用C64x/C64x+DSP內(nèi)核的DSP(TMS320DM6437采用C64x內(nèi)核)是TMS320C6000系列DSP中性能最高的定點DSP。TMS320DM6437采用TI的第二代高性能超長指令字 (VLIW)結(jié)構(gòu) VelociTI.2。有480 MHz，600 MHz，720 MHz三種規(guī)格，在本系統(tǒng)中選用頻率為600 MHz的 DM6437，其指令周期(instruction cycle time)為1.67 ns，具有4800 MIPS(million instructions per second)的運算性能。C64x內(nèi)核處理器具有64個32位通用寄存器和8個獨立的功能單元 (包括2個乘法器和6個算術邏輯單元)。

PAL制式攝像頭捕獲的CVBS復合視頻信號通過視頻解碼器TVP5150A轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字視頻信號BT.656送給DSP，DSP接收數(shù)字視頻并進行處理。

通過RGB空間到Y(jié)UV空間的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)彩色灰度信號的分離，YUV是歐洲PAL電視系統(tǒng)中采用的顏色空間［1］，Y是指像素點的亮度，即灰度信號。UV是色差信號，其中包含色調(diào)和飽和度。轉(zhuǎn)換公式為:

以上RGB－YUV轉(zhuǎn)換過程算法簡單，運算量小，可以實時完成像素點的亮度信號和色度信號分離，產(chǎn)品采集的圖像信號信噪比、增益都得到有效控制，使圖像信號更穩(wěn)定，傳輸效率更高。

2.2 窄帶通光學濾波技術

窄帶濾光片屬于帶通濾光片，是一種可以讓特定波長的光通過而讓其他波段的光反射 (或衰減)的光學組件。由于其帶寬比較窄，所以叫窄帶濾光片。窄帶濾光片的工作區(qū)域可以是紫外光波段，可見光波段，近紅外光波段，遠紅外光波段，該產(chǎn)品選用中心波長為特定波長的近紅外光波段。窄帶濾光片的光譜波峰兩端的T=50%位置都需要比較精確的控制。

窄帶濾光片的透過率高達90%，儀器光衰減系數(shù)小，有效提升工作距離和光強度，彌補了LED紅外燈的不穩(wěn)定性。實際截止率高，垂直入射時在強紅外燈下無穿透現(xiàn)象。

窄帶濾光片放在圖像傳感器之前，消除或過濾掉雜散光，確保芯片收到的信號準確無誤，不會出現(xiàn)失真或飽和以及亂碼等現(xiàn)象，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

2.3 基于小波變換的夜間圖像增強算法

由于夜視圖像的灰度值動態(tài)范圍小，而且存在噪聲干擾［2］，所以成像效果不理想，視覺觀察較為模糊。有必要對紅外夜視圖像進行數(shù)字增強處理，為人眼觀察和后續(xù)的智能圖像分析檢測提供有利條件。

為了分離有效圖像信息和噪聲信號，首先對每幀圖像進行Daub 5/3小波變換，它的正變換公式［3］為:

在小波分解后的圖像中，主要整體信息由低頻系數(shù)表征，紋理細節(jié)信息由高頻系數(shù)表征［4］。噪波信號被分離到高頻系數(shù)當中。

對低頻系數(shù)進行自適應動態(tài)范圍擴展，在擴大圖像暗區(qū)主要內(nèi)容動態(tài)范圍的同時，避免了圖像過亮，有效防止了圖像細節(jié)信息的丟失。

由于高頻子帶中同時包含了圖像信號和噪聲，所以有必要在抑制噪波信號的同時，對圖像信號進行增強。

利用高頻子帶系數(shù)估計噪聲的標準方差［5］，并得到噪聲閾值T。本文采取的非線性閾值增強函數(shù)為:

其中，Cmax，Cmin分別對應高頻子帶中絕對值最大和最小的系數(shù)值，Cmin一般取0。A是高頻系數(shù)的放大幅度。該方法在去除圖像噪聲的同時，對邊緣細節(jié)有效進行了清晰化處理。

3 實驗結(jié)果

目前國內(nèi)外攝像機的主流品牌有索尼、松下、霍尼韋爾、海康等，采用其中某廠家的產(chǎn)品與本文開發(fā)的黑光夜視儀拍攝同一場景，從主觀視覺質(zhì)量和客觀評價指標2方面進行對比。測試圖像分為白天彩色圖像和夜間灰度圖像。

客觀評價指標采用色彩飽和度和清晰度指數(shù)［6］。其中色彩飽和度反映圖像的色彩鮮艷程度，用于測試白天彩色圖像，見式(5)和式(6)。清晰度指數(shù)反映圖像細節(jié)的清晰程度，見式(7)，其中，max(f)和min(f)分別為(x，y)像素的鄰域中灰度最大和最小的像素灰度值，用于測試夜間黑白圖像。

實驗仿真的軟件平臺是Visual C++6.0，電腦配置為:主頻2.8 GHz雙核CPU、2 GB內(nèi)存。

圖2 白天彩色圖像效果對比Fig.2 Effects comparison of color images in daytime

圖3 夜間灰度圖像效果對比Fig.3 Effects comparison of grayscale images in nighttime

圖2、圖3給出了利用本文開發(fā)的系統(tǒng)和某主流品牌拍攝白天場景和夜間場景的視覺效果對比。從圖中可以看出，本文黑光夜視儀拍攝的白天彩色圖像色彩鮮明;夜間灰度圖像細節(jié)清晰，基本無噪點。2種場景中本文系統(tǒng)的客觀評價指標均高于某主流品牌。

4 結(jié)語

本文設計了一種先進的彩色 (黑白)一體化黑光夜視儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)集多種新技術于一體，使用安裝方便，在黑光夜視成像技術方面有明顯的突破，彌補了國內(nèi)外攝像領域應用一個圖像傳感器實現(xiàn)高質(zhì)量彩色和黑白圖像采集/分離技術的同時具有高質(zhì)量的夜視功能的國際空白，開創(chuàng)了新的彩色 (黑白)圖像夜視技術領域。經(jīng)濟效益，社會效益明顯。根據(jù)國際國內(nèi)查新及國際安防產(chǎn)品博覽會證明，本文研制的彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀在監(jiān)視攝像領域，處于國際領先水平。

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