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、氣動設(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)入觀測和檢查。雖然會設(shè)置一些傳感器來實(shí)時監(jiān)測這些管路和設(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)時掌握現(xiàn)場的視頻信息。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，可以幫助技術(shù)人員快速定位故障并加快問題的解決[1]。

目前，用于核動力船舶反應(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，會大大降低攝像機(jī)的成像質(zhì)量和使用壽命。

當(dāng)應(yīng)用于核動力船舶反應(yīng)堆艙時，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題。

核動力船舶反應(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，金屬材質(zhì)的管路、設(shè)備和艙壁會嚴(yán)重干擾無線信號的傳輸。因此，無線視頻傳輸方式并不適用于核動力船舶反應(yīng)堆艙內(nèi)。

1 光纖陣列成像

針對現(xiàn)有技術(shù)手段中存在的諸多不足和缺陷，用于核動力船舶反應(yīng)堆艙內(nèi)的視頻采集裝置應(yīng)該是小型化的、無源的，采用有線傳輸方式且對高溫和輻射不敏感。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)計的特點(diǎn)。

1.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)核動力船舶反應(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”是無源的，不包括任何對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力船舶反應(yīng)堆倉內(nèi)，并且可以長時間正常工作。

“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”主要用來直接傳輸現(xiàn)場觀測圖像的光信號。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應(yīng)，陣列中一條光纖相當(dāng)于一個像素，在光纖陣列一端的光圖像就會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、信號處理單元、后端機(jī)殼和安裝支架。

“圖像重建模塊”基于開放式的、功能強(qiáng)大的ARM+DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器）嵌入式硬件平臺（如TI DVM6467T）開發(fā)，結(jié)合光纖陣列傳像具有壓縮感知的特性，通過圖像學(xué)習(xí)及稀疏表達(dá)算法，能夠?qū)崟r對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)場觀測圖像的特征信息，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，完成光電信號轉(zhuǎn)換后再由信號處理單元進(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，對所獲得的原始圖像進(jìn)行超分辨率重建，恢復(fù)觀測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表示圖像，所有的原子圖像能構(gòu)造一個過完備的詞典。圖像的稀疏表示主要分為2個步驟：過完備詞典的構(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：

過完備詞典就是求解圖像稀疏表示時最優(yōu)基的構(gòu)造，它不僅滿足稀疏表示唯一性條件的約束，同時在這個詞典上能夠使用一種更稀疏、更精確的表示來近似原始圖像[7]。過完備詞典包括低分辨率圖像塊詞典和與之對應(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）對每個圖像塊單獨(dú)進(jìn)行處理，并沒有考慮相鄰圖像塊之間的匹配問題。為保證并有效增強(qiáng)相鄰圖像塊之間的兼容性，對式（2）進(jìn)行優(yōu)化，利用來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，在進(jìn)行圖像超分辨率重建時，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)量評價方法

目前，雖然提出了各種圖像質(zhì)量的客觀評價方法，比如峰值信噪比（PSNR，Peak Signal to Noise Ratio）、拉普拉斯因子法、對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，因此沒有得到推廣應(yīng)用。主觀評價方法雖然稍顯復(fù)雜且費(fèi)時費(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)量評分法（MOS，Mean Opinion Score）對吸收不同劑量后的視頻采集裝置的輸出圖像進(jìn)行評價。

主觀質(zhì)量評分法采用國際上通行的5級絕對評價尺度，如表1所示。選取10位非圖像處理領(lǐng)域的人員對隨機(jī)抽取的10組視頻樣本分別進(jìn)行評價，最后對他們的所有打分進(jìn)行歸一化平均。

表 1 絕對評價尺度Tab. 1 Absolute evaluation scale

2.2 耐高溫實(shí)驗(yàn)對比分析

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 ℃時已無法正常工作，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)量主觀評價得分差距更為明顯。

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幅視頻畫面，如圖6和圖7所示。IRC304的視頻畫面變暗，存在明顯的噪點(diǎn)，而HHP50S的畫面依然非常清晰[16]，無明顯干擾，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)量主觀評價得分差距更為明顯。

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幅視頻畫面，如圖8和圖9所示。可以明顯看出，IRC304的視頻畫面變暗，圖像模糊，已丟失較多細(xì)節(jié)信息，而HHP50S的畫面依然非常清晰，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)沒有對溫度和輻射敏感的器件，同時它們也均為無源器件，因此可以應(yīng)用于高溫、輻射較強(qiáng)和供電不便的場所。圖2和圖3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖6～圖9的對比結(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的對比結(jié)果表明：“圖像重建模塊”可以對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，結(jié)構(gòu)簡單，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，連線簡單，安裝方便的特點(diǎn)。

4 結(jié) 語

根據(jù)對核動力船舶反應(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，對所獲得的低分辨率現(xiàn)場觀測圖像進(jìn)行超分辨率重建，恢復(fù)觀測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。通過對該視頻采集裝置、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)計思想，具有擴(kuò)展能力強(qiáng)，后期維護(hù)、升級便捷等優(yōu)點(diǎn)，可無縫集成到現(xiàn)有的視頻監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)中。稍加適應(yīng)性設(shè)計，也可推廣到類似的應(yīng)用場景中。