基于DSP的嵌入式數(shù)字?jǐn)z像夜間能見度測量系統(tǒng)

摘要：數(shù)字?jǐn)z像夜間能見度儀的關(guān)鍵技術(shù)之一在于高速、實(shí)時地處理CCD采集的目標(biāo)光源和黑體的圖像信息。設(shè)計了一種基于TMS320DM642的小型化、便攜嵌入式能見度測量系統(tǒng)，從硬件和軟件上給于實(shí)現(xiàn)，并將其應(yīng)用到數(shù)字?jǐn)z像夜間能見度測量中。利用CCD采集25幀／s的PAL制視頻流，數(shù)字化后送入DSP處理器，通過DSP實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光源與黑體的圖像分割與定位算法，完成數(shù)字?jǐn)z像夜間能見度的測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)能較好完成夜間能見度的測量。
關(guān)鍵詞：DSP；圖像處理；夜間能見度；嵌入式系統(tǒng)

0 引言
    能見度是氣象觀測中的重要參數(shù)，其對于航空航天、鐵路、公路等具有重要的應(yīng)用價值。數(shù)字?jǐn)z像法是根據(jù)能見度定義以及人眼視覺閾值效應(yīng)自動獲得能見度值的，是一種較為新型的探測能見度的方法。其基本思路是通過直接處理攝像機(jī)(CCD)攝取的選定目標(biāo)物的圖像，分析亮度信息來獲得能見度數(shù)值。文章研究了雙光源攝像法夜間能見度測量方法，設(shè)計了基于DSP的小型化嵌入式系統(tǒng)，從硬件和軟件設(shè)計兩方面
對系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了夜間能見度的計算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以用于夜間能見度的觀測。

1 數(shù)字?jǐn)z像法探測夜間能見度原理
    采用雙光源法開展夜間能見度探測的原理如圖1所示。

    雙光源法是基于比爾-朗伯定律，通過圖像灰度信息得到光源與黑體的視亮度衰減，進(jìn)而反演大氣消光系數(shù)來計算能見度的一種方法。獲得的大氣消光系數(shù)為：
   
    式中：分別為光源1，2，黑體1，2的視亮度；D1和D2分別為光源1，2距攝像機(jī)的距離。
    再根據(jù)人眼視覺閾值效應(yīng)得到能見度值為D=ln(1／0．02)／σ。

2 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
    系統(tǒng)其主要由目標(biāo)光源與黑體、攝像機(jī)和信號處理平臺組成。信號處理平臺完成信號的圖像采集、分割與能見度計算功能。本文設(shè)計了一套以TMS320DM642為核心，結(jié)合CY37064P100，TVP5150PBS，SAA7121，DMT32240T035_01WN的圖像實(shí)時采集與處理平臺。該平臺完成圖像的采集與分割定位的處理，目標(biāo)光源與目標(biāo)黑體的視亮度以及能見度值的計算。圖2為系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖。

    采用PAL制式的攝像頭提供25幀／s的視頻流。CCD采集圖像并通過視頻解碼芯片將輸入視頻流轉(zhuǎn)化為8位ITU-R BT．656格式視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過DSP圖像處理得到能見度的數(shù)值。再通過DM642擴(kuò)展的串口通信電路與帶串口的液晶屏通信，把能見度數(shù)值顯示在液晶屏上。同時視頻編碼芯片將DSP處理后的BT．656格式的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PAL制式的視頻信號，通過監(jiān)視器顯示處理后的目標(biāo)光源和目標(biāo)黑體的圖像。[!--empirenews.page--]
2．2 嵌入式信號處理系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．2．1 視頻采集模塊
    采用8位模擬工業(yè)攝像機(jī)直接攝取PAL制的視頻圖像，送入視頻解碼器。解碼后輸出ITU-R BT．656格式數(shù)據(jù)。解碼器采用高性能、封裝小(32腳TQFP)、功耗小(小于150 mW)的TVP5150PBS，將PAL視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號(YUV 4：2：2)。圖3為視頻解碼模塊與DSP接口圖。

    在外部視頻輸入(0～1 Vpp)與TVP5150PBS視頻輸入之間設(shè)計分壓電阻網(wǎng)絡(luò)來使得TVP5150PBS的輸入電平為0～0．75 Vpp。
    系統(tǒng)設(shè)置視頻口VP1的A通道作為視頻輸入口。TMS320DM642的I2C接口實(shí)現(xiàn)對TVP5150芯片內(nèi)部寄存器的初始化和配置。TVP5150芯片的SCL，SDA引腳分別與TMS320DM642時鐘、數(shù)據(jù)地址線相連，通過SCL，SDA的時序配合完成DSP向視頻解碼器芯片寄存器寫入和讀出數(shù)據(jù)。TVP5 150接收攝像機(jī)的視頻信息，經(jīng)過解碼后的數(shù)據(jù)串行輸出。數(shù)字視頻流包含奇偶場指示信號FI、場同步信號、行同步信號、像素時鐘、YUV數(shù)據(jù)輸出等元素，數(shù)據(jù)率約165 Mb／s。
2．2．2 圖像處理模塊
    系統(tǒng)采用TI公司的面向數(shù)字媒體應(yīng)用的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320DM642完成信號處理的過程。TVP5150輸出的BT．656視頻流經(jīng)過TMS320DM 642的視頻口后存入2 560 B的VP1A通道FIFO。由于圖像數(shù)據(jù)量大，需要外擴(kuò)片外存儲器用于存放圖像數(shù)據(jù)信息。通過EDMA通道把FIFO中的數(shù)據(jù)搬入片外存儲器SDRAM。當(dāng)視頻口VP1的A通道出現(xiàn)視頻Y，U，V分量數(shù)據(jù)搬運(yùn)請求后，在程序中便會觸發(fā)EDMA處理函數(shù)，完成FIFO數(shù)據(jù)向SDRAM的搬運(yùn)。VP1EVTYA，VP1EVTUA，VP1EVTVA分別為發(fā)生在VP1A通道上與視頻Y，U，V分量相關(guān)的事件，與DM642 EDMA對應(yīng)通道相連。當(dāng)FIFO向SDRAM搬運(yùn)完數(shù)據(jù)后運(yùn)行在FLASH中的程序開始調(diào)用圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行算法處理，求取光源和黑體的亮度值，完成能見度的計算。
2．2．3 視頻顯示模塊
    視頻顯示部分通過視頻編碼芯片把BT．656格式的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PAL制式的視頻信號，然后送入監(jiān)視器顯示處理后的目標(biāo)光源和目標(biāo)黑體圖像。采用SAA7121H編碼器，將TMS320DM642的VP0 A通道設(shè)置為視頻輸出口。圖4為視頻編碼模塊與DSP連接圖，CVBS_OUT為解碼輸出的復(fù)合視頻。與TVP5150一樣，SAA7121芯片內(nèi)部各個寄存器的配置通過TMS320DM642的I2C接口配置，且可以與TVP5150共用TMS320DM642的I2C總線。

2．2．4 串口通信模塊
    系統(tǒng)在DSP外部通過CY37064P100和TL16C752B擴(kuò)展串口通信電路實(shí)現(xiàn)主芯片與帶串口液晶屏之間的通信，將夜間能見度值顯示在液晶屏上。圖5為串口通信模塊設(shè)計圖。選擇串口液晶屏實(shí)現(xiàn)能見度數(shù)值的顯示和歷史曲線的繪制。

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3 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 基于DSP／BIOS和RF5系統(tǒng)軟件設(shè)計
    DSP／BIOS是基于CCS的一個嵌入式操作系統(tǒng)，其多線程機(jī)制可以方便進(jìn)行多任務(wù)應(yīng)用程序的編寫。與傳統(tǒng)的匯編語言和C語言編寫的DSP程序相比，DSP／BIOS可以有效地提高代碼執(zhí)行效率，利于行代碼執(zhí)行情況的實(shí)時監(jiān)控。RF5是基于DSP／BIOS的應(yīng)用程序設(shè)計框架，實(shí)現(xiàn)存儲管理、線程模型和通道封裝。運(yùn)用RF5參考框架可以大大縮短開發(fā)者的難度和時間。根據(jù)系統(tǒng)需要，在基于RF5參考框架上進(jìn)行嵌入式軟件的編寫，圖6為軟件程序流程圖。

    各個處理任務(wù)之間采用SCOM消息機(jī)制進(jìn)行通信。圖像采集任務(wù)采集數(shù)據(jù)后，通過SCOM消息傳輸給處理任務(wù)；處理任務(wù)對圖像進(jìn)行相關(guān)的處理及能見度計算后，通知采集任務(wù)進(jìn)行下一次的采集處理，并將處理的結(jié)果傳給輸出任務(wù)進(jìn)行顯示。同時，處理任務(wù)協(xié)調(diào)該任務(wù)和其他兩個任務(wù)之間的通信。
3．2 能見度計算的圖像處理算法研究
    能見度計算任務(wù)是DSP嵌入式軟件的核心，其圖像處理方法是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。數(shù)字?jǐn)z像夜間能見度儀通過圖像處理計算兩相同亮度光源經(jīng)過不同距離衰減之后的目標(biāo)光源視亮度，根據(jù)視亮度反演大氣消光系數(shù)完成能見度值的測量。其圖像處理過程主要分為圖像預(yù)處理、圖像分割與定位、能見度值的計算三部分。
3．2．1 圖像預(yù)處理
    圖像預(yù)處理主要對采集的光源圖像進(jìn)行圖像濾波處理，以達(dá)到去除背景噪聲和雜散光等的影響，使目標(biāo)光源和黑體圖像亮度均勻。由于該系統(tǒng)的能見度儀主要安裝在高速公路上用于能見度預(yù)警，在低霧、雨天等天氣條件下，圖像的清晰度不高。另外CCD在圖像采集和傳輸圖像的過程中也會產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲污染。因此，需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理。
    采用了頻域增強(qiáng)法使得圖像清晰化。對圖像進(jìn)行傅里葉變換，在頻域進(jìn)行濾波處理，再將濾波后的圖像反變換到空間域，從而獲得增強(qiáng)后的圖像。另外利用小波變換在信號去噪和數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域的良好效果，采用小波閾值去噪法?；谛盘柡驮肼曨l率和幅值不同，對圖像進(jìn)行二維小波變換，根據(jù)圖像原始信息和噪聲小波變換系數(shù)的差異，設(shè)定閾值去除小波系數(shù)中的噪聲元素，用經(jīng)過處理的小波系數(shù)進(jìn)行二維小波反變換得到去噪后的圖像。
3．2．2 圖像分割與定位
    數(shù)字?jǐn)z像法測量夜間能見度關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地提取出圖像的亮度信息。在亮度的計算過程中，準(zhǔn)確地分割出光源圖像是計算過程中的關(guān)鍵。簡單的閾值分割易造成誤判，影響能見度的計算。圖像分割研究合適的適合兩個目標(biāo)光源和黑體的分割算法，取光源中亮度比較均勻的部分作為光源和黑體的亮度值。

    選擇合適的USAN區(qū)域，利用SUSAN邊緣檢測算子，進(jìn)行圖像的邊緣檢測。根據(jù)所得到的邊緣進(jìn)行圖像的分割，得到光源二值圖像。取正方形的模板在光源部分進(jìn)行亮度值搜索計算，求出方框內(nèi)亮度最大的區(qū)域，以此區(qū)域作為光源的亮度值。再根據(jù)圖像尺寸與對應(yīng)像素個數(shù)的關(guān)系，求出黑體的位置，進(jìn)行黑體亮度值的計算。圖7顯示了從圖形分割到定位的過程。[!--empirenews.page--]
3．2．3 能見度值的計算
    通常能見度的變化實(shí)時性要求不高，可根據(jù)DSP計算的效率，每取100張圖疊加求平均亮度，再將計算出的目標(biāo)光源和目標(biāo)黑體的亮度值分別代入消光系數(shù)σ和能見度D計算公式，完成能見度的計算。

4 實(shí)驗(yàn)效果分析
    實(shí)驗(yàn)選擇合肥董鋪島觀測場地進(jìn)行能見度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用100幀圖像進(jìn)行平均來求取亮度值。圖8為嵌入式系統(tǒng)計算能見度值通過串口液晶屏的顯示。

    實(shí)驗(yàn)根據(jù)合肥6月天氣情況，取19：30到第二天的5：00為夜間，測量能見度。圖9為2011年6月8日至6月12日的測量結(jié)果。從測量結(jié)果可以看出數(shù)字?jǐn)z像夜間能見度儀同前向散射能見度儀有幾乎完全相同的變化趨勢，最大相對標(biāo)準(zhǔn)誤差為15％，滿足世界氣象組織關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)能見度儀誤差小于20％的規(guī)定。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計的基于DSP和CPLD的數(shù)字圖像處理平臺的設(shè)計方案應(yīng)用到數(shù)字?jǐn)z像夜間能見度測量中可以得到圖像的實(shí)時顯示與能見度的計算。采用的圖像分割與定位算法可以獲得較小的亮度誤差，能見度值也與人工觀測值十分接近，誤差在可接受的20％內(nèi)。該系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)時性強(qiáng)、速度快等特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證滿足數(shù)字?jǐn)z像夜間能見度測量的要求，理論上可以應(yīng)用到夜間能見度的觀測當(dāng)中，可以作為后期研發(fā)的平臺繼續(xù)開展數(shù)字?jǐn)z像夜間和白天能見度方面的探測。