一種微光視頻處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

   0 引言

　　微光視頻系統(tǒng)在夜視技術(shù)上用途越來越廣泛，然而由于目標(biāo)照度很低、目標(biāo)和背景反射系數(shù)很接近、觀察環(huán)境不好等惡劣的條件下，得到的微光視頻圖像總是得不到滿意的效果。我國(guó)現(xiàn)有的硬件生產(chǎn)能力的條件下，微光像增強(qiáng)器還達(dá)不到應(yīng)用化的效果，但是實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)能迅速提高微光系統(tǒng)的圖像質(zhì)量，增加微光視頻系統(tǒng)的視距，因此把實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)與像增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合成為縮短國(guó)內(nèi)外微光視頻系統(tǒng)差距的一個(gè)重要發(fā)展方向，本文在達(dá)芬奇平臺(tái)TMS320DM6446上實(shí)現(xiàn)了微光視頻的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)的微光視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值。

　　1 微光視頻增強(qiáng)技術(shù)

　　微光視頻最顯著的表現(xiàn)特征是在圖像畫面上疊加有明顯的隨機(jī)閃爍噪聲，通過對(duì)微光視頻的特征和噪聲進(jìn)行分析，可以從增大微光視頻的對(duì)比度和減少微光視頻的噪聲兩方面來設(shè)計(jì)微光視頻增強(qiáng)系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的特點(diǎn)，需要采用簡(jiǎn)單有效的處理算法。直方圖均衡化是增大圖像對(duì)比度的經(jīng)典算法，而且算法簡(jiǎn)單、處理效果較好；高斯平滑算法能有效地去除圖像的高頻分量而保留低頻分量，這兩種算法與嵌入式處理平臺(tái)結(jié)合使用，可以獲得很好的效果。本文在設(shè)計(jì)中使用軟件的設(shè)計(jì)方法來達(dá)到圖象增強(qiáng)技術(shù)。

　　2 基于達(dá)芬奇平臺(tái)的微光視頻系統(tǒng)

　　微光視頻系統(tǒng)的特點(diǎn)是在實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)顯示的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)微光視頻的增強(qiáng)處理和去噪處理，達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要求，因此需要較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理的和數(shù)據(jù)處理能力，這里選擇TI公司具有DSP+ARM雙核處理功能的的達(dá)芬奇平臺(tái)(TMS320DM6446)可以滿足上述的要求。

　　微光視頻實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中，微光視頻的采集、處理和顯示過程是通過TMS320DM6446平臺(tái)上的CCD／CMOS攝像頭或者是圖像解碼器，對(duì)微光視頻實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后，存儲(chǔ)在讀緩沖區(qū)中，用戶可以利用TMS320DM6446的數(shù)字媒體處理器完成微光視頻的實(shí)時(shí)處理任務(wù)，并將處理后的微光視頻通過嵌入式處理平臺(tái)上的顯示設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。微光視頻實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 微光視頻實(shí)時(shí)處理原理圖

　　在本微光視頻實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中，微光視頻實(shí)時(shí)采集部分由視頻采集設(shè)備和視頻解碼芯片完成；微光視頻實(shí)時(shí)處理部分由TI公司的TMS320 DM6446雙核處理器完成；微光視頻實(shí)時(shí)輸出系統(tǒng)由LCD顯示器和視頻編碼器完成。

　　2．1 微光視頻圖像的采集

　　論文中模擬視頻數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)ITU-RBT．656，它是在ITURBT．601(CCIR-601)的基礎(chǔ)發(fā)展的一種新的視頻數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)。由于 CCIR656視頻數(shù)據(jù)流采用8根信號(hào)線(傳統(tǒng)方式需要19根信號(hào)線)就可以傳輸所有的圖像信息和行同步、場(chǎng)同步、偶同步信息，因此采用CCIR656方式進(jìn)行接口設(shè)計(jì)時(shí)，便于實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理硬件平臺(tái)以功能單元為單位進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

圖2 微光視頻采集模塊結(jié)構(gòu)圖

　　通過CCD／CMOS視頻采集設(shè)備采集模擬的微光視頻，視頻為PAL或者NTSC制式，模擬視頻通過解碼芯片TVP5146與CCD控制器的BT．656接口進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為YCrCb格式的視頻，同時(shí)將采集的微光視頻通過外部存儲(chǔ)器接口(Extmal Memory Interface，EMIF)緩存在DDRAM或SDR-AM中的讀緩沖區(qū)中，以便微光視頻處理模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　2．2 微光視頻處理功能的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)視頻格式，然后將該分量從RGB格式轉(zhuǎn)換為YUV格式，再在嵌入式處理平臺(tái)中對(duì)該分量講行處理，處理完畢后用該分量代替Y分量，將灰度圖像轉(zhuǎn)換為彩色圖像進(jìn)行輸出等操作。視頻處理模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微光視頻處理模塊結(jié)構(gòu)圖

　　采集模塊采集完一幀微光視頻后，視頻處理模塊從DDRAM／SDRAM中的讀緩沖區(qū)(Read Buffer)中獲取一幀微光視頻，依次對(duì)微光視頻進(jìn)行增強(qiáng)和去噪處理，處理后再次緩存在DDRAM或者SDRAM中的寫緩沖區(qū)(Write Buffer)中，供顯示模塊使用。

　　2．3 微光視頻顯示功能的設(shè)計(jì)

　　在本系統(tǒng)中我們利用了Framebuffer技術(shù)和達(dá)芬奇的視頻處理子系統(tǒng)VPSS技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行顯示。Framebuffer即幀緩沖區(qū)，是Linux內(nèi)核中的一種驅(qū)動(dòng)程序接口，這種接口將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)。用戶可以將它看成是顯示內(nèi)存的一個(gè)映像而不必關(guān)心物理顯存的位置、換頁(yè)機(jī)制等具體細(xì)節(jié)。因?yàn)檫@些細(xì)節(jié)都是由Framebuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)來完成的。程序員只要將要顯示的圖像映射到進(jìn)程地址空間，它便顯示在屏幕上。顯示模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 微光視頻顯示模塊結(jié)構(gòu)圖

　　采集模塊采集到的視頻經(jīng)過處理模塊進(jìn)行增強(qiáng)和降噪處理后，利用內(nèi)存映射的方式，使用FrameBuffer技術(shù)進(jìn)行顯示。

　　3 微光視頻實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　由于DM6446集成了ARM和DSP雙核，ARM端是主控設(shè)備，DSP端用來處理圖像處理，這樣就極大的提高了系統(tǒng)的處理能力。本系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)中主要可分為微光視頻采集模塊、微光視頻處理模塊和微光視頻顯示模塊三個(gè)部分，系統(tǒng)開始由視頻采集設(shè)備采集微光視頻，并且將采集的模擬視頻圖像通過BT．656標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化，將數(shù)字化后的微光視頻存儲(chǔ)在SDRAM／DDBAM的讀緩沖區(qū)中，供微光視頻處理模塊使用；微光視頻處理模塊從讀緩沖區(qū)中讀取微光視頻，并對(duì)微光視頻做預(yù)處理，提取需要處理的擬合分量，然后再對(duì)該分量進(jìn)行增強(qiáng)處理和去噪處理，處理后將灰度圖像還原為彩色圖像，并寫入 SDRAMIDDRAM中的寫緩沖區(qū)中，供顯示模塊進(jìn)行顯示；微光視頻實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的功能漠塊交互如圖5。

圖5 微光視頻實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)功能模塊交互圖

　　4 系統(tǒng)測(cè)試

　　在達(dá)芬奇平臺(tái)TMS320DM6446上對(duì)實(shí)現(xiàn)部分進(jìn)行測(cè)試，在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)顯示的基礎(chǔ)了進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，系統(tǒng)各模塊測(cè)試的結(jié)果如下。采集的原始微光視頻如圖6所示。

圖6 原始微光視頻

　　圖6是經(jīng)過微光視頻系統(tǒng)的原始圖像，可以看出圖像對(duì)比度比較低，并且表面存在顆粒噪聲?；赥MS320DM6446平臺(tái)的視頻采集的實(shí)時(shí)性測(cè)試結(jié)果如表 1所示，可以看出加入圖像處理算法之前時(shí)，視頻采集達(dá)到了25fps，達(dá)到了實(shí)時(shí)性的要求，ARM和DSP中CPU的利用率以及視頻比特率如表1所示。

表1視頻處理前的測(cè)試結(jié)果

　　圖7是在實(shí)時(shí)采集的基礎(chǔ)上，對(duì)微光視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)處理測(cè)試。對(duì)采集的一幀微光視頻采用本文的增強(qiáng)算法處理后的圖像。

圖7 增強(qiáng)后的圖像

　　圖7即為微光視頻增強(qiáng)效果，微光視頻處理的實(shí)時(shí)性測(cè)試見表2所示，經(jīng)過采集、處理后視頻以24fpe的速度顯示，基本滿足實(shí)時(shí)性的要求，此時(shí)CPU的利用率和視頻比特率如表2所示。

表2 視頻增強(qiáng)后的測(cè)試結(jié)果

　　從圖6～7和表1～2中，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在圖象處理能力和系統(tǒng)CPU利用率方面都比原來的系統(tǒng)得到了增強(qiáng)，達(dá)到了微光系統(tǒng)處理的能力。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　達(dá)芬奇平臺(tái)集通用處理器和數(shù)字信號(hào)處理器雙內(nèi)核于一體，相對(duì)以往的單核處理平臺(tái)來講，具有性能更高、功耗更低等特點(diǎn)，無(wú)論是在運(yùn)算能力還是在控制功能上都能達(dá)到要求。本文給出的微光系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)相關(guān)的視頻處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很重要的參考價(jià)值。