船用視頻圖像增強裝置的模塊化設計

彭曉鈞，謝仁富，劉 暢，朱 俊

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

獲取高質量的視頻圖像是船用視頻監控系統需要實現的最重要功能。在很多情況下，由于船用環境的復雜性，視頻圖像更容易遭受外部因素的干擾，如天氣惡化、環境照度不足以及成像介質的影響等，僅依靠視頻監控設備自身的能力難以取得理想效果。因此，有必要輔助一定的圖像增強手段來提高終端視頻圖像的清晰度［1］。

目前，圖像增強技術在船用視頻監控系統中也有一定的應用，其應用形式多為在前端攝像設備或后端控制存儲設備(如硬盤錄像機)中以芯片或處理板的方式植入圖像增強功能。上述應用形式在實際工程中存在如下問題:

1)系統設備選型受限。由于圖像增強功能固化在前端或后端設備中，在系統設計時，只能在現有的有限幾種型號中選型，同時對現有系統升級改造需要大量更換現有設備。

2)圖像增強功能單一。由于設備在出廠時圖像增強功能已被固化，但監控現場的需求往往多種多樣，難以滿足多樣化的工程實際應用需求。

3)增強算法魯棒性較差。同一套算法實現的圖像增強功能往往需要根據不同的場景對算法參數進行優化調整，而設備圖像增強功能的固化，使得用戶無法針對實際的監控場景調整增強參數，難以達到最佳增強效果。這就要求必須采用一種更加新穎且比較經濟的手段來解決日益緊迫且普遍存在的這種問題。

1 視頻圖像增強系統組成

現有的視頻監控系統主要包括前端視頻采集設備(如攝像機等)、傳輸網絡(如以太網、光纜、同軸視頻傳輸線等)、終端顯示設備(如監視器、電視墻等)和終端存儲設備 (如DVR (Digital Video Recorder，硬盤錄像機)、NVR (Network Video Recorder，網絡硬盤錄像機)、IP- SAN (IP Storage Area Network，存儲局域網絡)等［2］。

“模塊化視頻圖像增強裝置”作為一個獨立的設備，提供標準的視頻輸入、輸出接口，可無縫集成到現有的船用視頻監控體系結構中。其在船用視頻監控架構中的位置如圖1所示。

圖1 視頻圖像增強系統組成框圖Fig.1 The diagram of image enhancement system

2 視頻圖像增強裝置的硬件結構設計

視頻圖像增強裝置主要包括“供電電源模塊”、“視頻圖像增強模塊”和“參數調節模塊”，其前視圖和后視圖如圖2所示。

“供電電源模塊”安裝在本裝置底部的絕緣安裝板上，電源輸入為220 VAC，通過電纜接頭與外部連接，電源模塊主要實現AC/DC、DC/DC 功能，能穩定可靠地給各個“視頻圖像增強模塊”和“參數調節模塊”供電。

圖2 模塊化視頻圖像增強裝置結構圖Fig.2 The structure outline of modular image enhancement equipment

“視頻圖像增強模塊”安裝在插板上，通過導槽板上的導軌，插板可方便快捷地安裝在本裝置的后面板上。一個“視頻圖像增強模塊”帶有多路一對一的視頻輸入、輸出端口，根據需要可提供諸如BNC、色差、S 端子、RJ45 等不同類型的視頻接口。“視頻圖像增強模塊”基于功能強大的ARM+DSP(Digital Signal Processor，數字信號處理器)嵌入式硬件平臺(如TI DVM6467T)開發，確保能實時對輸入的多路PAL 或NTSC 制式視頻信號進行處理，并將增強后的視頻圖像傳輸至輸出端口。每個“視頻圖像增強模塊”具有特定的功能，船用“視頻圖像增強裝置”可以根據實際需要在導槽板內安裝各種功能的“視頻圖像增強模塊”，從而獲得不同組合的視頻圖像增強功能，進而實現對前端視頻采集設備所獲取的復雜多樣的視頻圖像實現圖像增強功能［3］。

“參數調節模塊”安裝在本裝置的前面板上，它提供人機交互接口:鍵盤單元和顯示單元，同時還帶有一個旁路單元。“參數調節模塊”通過總線方式(比如RS-485)與各個“視頻圖像增強模塊”連接。用戶通過顯示模塊可以查閱當前某個“視頻圖像增強模塊”內各種算法的參數，如有必要，用戶可通過鍵盤來修改任一種算法的參數。同時，“參數調節模塊”還具有旁路“視頻圖像增強模塊”的功能，也就是說，若視頻監控現場臨時不需要對連接至某個“視頻圖像增強模塊”中的幾路視頻信號進行增強處理，按下該“視頻圖像增強模塊”對應的“旁路”按鈕，即可“旁路”掉對應的“視頻圖像增強模塊”，這樣就可將這幾路視頻信號從“視頻圖像增強模塊”的視頻輸入端口“直通”到視頻輸出端口，從而直接傳輸至下一級設備。

視頻圖像增強裝置采用統一標準的模塊化設計結構，每個“視頻圖像增強模塊”均采用導軌插板安裝方式，因此具有快拆功能。

3 視頻圖像增強裝置的軟件功能設計

“視頻圖像增強模塊”采用開源的LINUX 操作系統開發并定義了標準化的軟件協議接口，因此具有良好的兼容性和開放性。“視頻圖像增強模塊”的功能由該模塊內固化的圖像增強算法決定，因此可以方便地為每個“視頻圖像增強模塊”設定不同的功能［4］。比如可定義第1個“視頻圖像增強模塊”具有直方圖修正功能、第2個具有對比度增強功能、第3個具有動態范圍調整功能、第4個具有色彩恢復功能、第5個具有霧霾去除功能……。因此，視頻圖像增強裝置具有“模塊化”的軟件功能［5］。

同時，“視頻圖像增強模塊”具有“圖像質量評價”的功能。可根據用戶的要求， “自動”或“手動”使用本模塊內部集成的算法逐一對本模塊所輸入每一路視頻圖像進行增強處理，然后基于圖像質量客觀評價標準［6］(比如對比度熵信息)對每種增強效果做出客觀評價，根據評價結果為每路輸入視頻選擇最佳的圖像增強算法。

另外，可通過前面板的“參數調節模塊”隨時優化調整任意一個“視頻圖像增強模塊”內置算法的重要參數，以達到最佳增強效果。

這樣，在對船用視頻監控系統進行設備選型或升級改造時，就可根據監控現場的實際需求選用具有不同“視頻圖像增強模塊”組合的視頻圖像增強裝置，從而滿足監控現場需求的多樣性。

4 試驗結果

在本試驗中，選取視頻圖像增強裝置中具有霧霾去除功能的“視頻圖像增強模塊”，然后抽取前端攝像機采集的7 組視頻樣本和3 組圖片樣本進行增強處理，最后采用主觀評價和客觀評價相結合的方法來對圖像增強效果進行評價。

主觀評價采用國際上通行的5 級評分的質量尺度和妨礙尺度。選取10 位非圖像處理領域的人員作為評價人員，對樣本處理結果分別進行亮度評價、清晰度評價和去霧效果評價，最后對試驗者的打分進行歸一化平均［7］。

客觀評價選用拉普拉斯評價因子對圖像清晰度進行評價。要計算一整幅圖像的拉普拉斯評價因子，需要進行如下計算:

1)計算某點的拉普拉斯算子，它用點(x，y)及其周圍4個像素點的灰度信息來表示，方法如式(1)所示:

式中f(x，y)為某點(x，y)的灰度值。

2)計算整幅圖像中各點拉普拉斯梯度的平方和，方法如式(2)所示:

圖像尺寸為M×N。

3)開方并求均值，得到的就是表征圖像清晰度的拉普拉斯評價因子:

一幅圖像越清晰，輪廓越鮮明，則每個像素點附近的灰度值變化越大，G 值就越大。通過計算10組樣本原始圖像和圖像增強后圖像的G 值，對圖像增強效果進行客觀評價［8］。

增強處理前后的樣本截圖如圖3所示。

圖3 具有霧霾去除功能的“視頻圖像增強模塊”處理效果Fig.3 The original and processed screenshots by using image enhancement module with defogging algorithm

7 組視頻樣本和3 組圖片樣本增強處理前后綜合主觀評價結果如表1所示，增強處理前后綜合客觀評價結果如表2所示。

表1 全部樣本綜合主觀評價結果統計表Tab.1 The statistics of objective quality assessment

表2 全部樣本綜合客觀評價結果記錄表Tab.2 The statistics of subjective quality assessment

不難看出，具有霧霾去除功能的“視頻圖像增強模塊”對霧霾視頻及圖片的處理效果顯著，取得了令人滿意的效果。

5 結 語

船用視頻圖像增強裝置在硬件結構和軟件功能設計時均采用統一標準的模塊化設計思想，因此具有擴展能力強，后期維護、升級便捷等優點。本裝置已成功應用到其型船的安全防范系統中。船用環境下的試驗結果表明:該裝置工作穩定可靠，可對各種復雜環境下所采集的視頻圖像進行有效的增強處理，在終端獲得清晰度較高的視頻圖像。

另外，船用視頻圖像增強裝置還具有良好的經濟前景，其模塊化的設計思想令其可廣泛應用于其它工業視頻監控領域。

［1］彭曉鈞.基于CPLD的船用視頻切換及基帶傳輸系統［J］.電子技術應用，2012，38(9):50-53.PENG Xiao-jun.Marine video switchers and baseband video transmission system based on CPLD［J］.Application of Electronic Technique，2012，38(9):50-53.

［2］ARJESH K，SRIDHARAN K，SRINIVASAN K.The design and development of a web-based data acquisition system［J］.IEEE Instruction and Measurement，2002，51(3):427-432.

［3］彭曉鈞.基于LAN的船用綜合數據采集與視頻監控系統［J］.船舶工程，2012，34(2):117-120.PENG Xiao-jun.Marine comprehensive data acquisition and video monitoring system based on LAN ［J］.Ship Engineering，2012，34(2):117-120.

［4］DARKO S，JADRANKA M.Networked embedded greenhouse monitoring and control［J］.Control Applications，Istanbul，2003 :1350-1355.

［5］彭曉鈞，李文甫.船用OSD和雙絞線傳輸系統的模塊化設計［J］.電視技術，2012，36(21):139-141.PENG Xiao-jun，LI Wen-fu.Modular design of marine OSD and twisted- pair transmission system ［J］.Video Engineering，2012，36(21):139-141.

［6］AUER C，KLIMBACHER A P.Embedded web server technology of romote online labs［J］.ISIE Dubrovnik，2004:1673-1676.

［7］彭曉鈞，馮學超.海水深度測量系統研究［J］.壓電與聲光，2013，35(2):293-296.PENG Xiao-jun，FENG Xue-chao.Study on a measurement system of ocean depth［J］.Piezoelectrics ＆ Acoustooptics，2013，35(2):293-296.

［8］ARJESH K，SRIDHARAN K，SRINIVASAN K.The design and development of a web-based data acquisition system［J］.IEEE Instruction and Measurement，2002，51(3):427-432.