基于嵌入式系统的夜间全方位监控系统设计

李天玥 张科 古丽苏姆·热合曼

摘要：文章设计了一种基于嵌入式系统，结合鱼眼镜头以及红外光源，从硬件和软件上设计实现，并将其应用到夜间全方位监控系统设计中。通过DSP实现目标光源与黑体的图像分割与定位算法，完成夜间全方位监控系统设计及数字摄像夜间能见度的测量。实验结果表明设计的基于嵌入式平台的夜间全方位监控能较好完成夜间能见度的测量。

关键词：鱼眼镜头；红外矩阵光源；嵌入式平台；夜间全方位监控

引言：

当前中国市场上的监控摄像机主要是通过使用红外滤光片来达到日夜转换的效果，也就是在白天打开红外滤光片，让CCD接受可见光，而让红外线被滤除；在夜晚条件下，去除滤光片，使得红外线经过反射之后进入镜头成像。但是由于可见光波段与红外光波长不同，进而导致画面模糊，产生虚焦。

进而本文提出一种传输距离远、全天图片稳定效率高、信号质量穩定的电路设计以及高速图像传输的夜间全方位监控系统方案。

1成像镜头

为了实现无盲区实时拍摄，本文设计了一款视角可达260°的超广角摄像头，。摄像头图像分辨率为640×480，可满足夜间成像系统对成像细节的要求。采用垂直视场角大于等于180度的全景鱼眼镜头，因为鱼眼镜头影像具有一些特点：中心处的影像大，外圈的影像小且紧密。同时考虑由于夜间成像系统需要对夜间红外光具有较强的采集作用，以及灯光收集作用。根据成像公式，本文选用f为0.728mm的鱼眼镜头。由于考虑到畸变的问题，将参数进行放宽20%，即焦距选为0.985mm左右。

同时采用850nm的红外LED矩阵灯光进行夜间物体的补光，提升普通鱼眼镜头夜间看清物体的能力，提高采集图片的质量。

2夜间全方位监控系统的设计

本文设计了以TMS320DM642为核心的图像采集分析处理系统。DSP处理后的BT.656格式的视频数据经由编码芯片后，将转化为PAL格式的图像信号，可以通过后续处理得到完成的目标图像。

2.1夜间全方位监控系统硬件设计

2.1.1 视频采集模块

该模块将采集得到的视频图像，传输进视频解码器，解码后得到ITU-R BT.656格式的数据。芯片TVP5150内部的寄存器初始化及配置可以通过TMS320DM642的I2C接口实现，其中SCL，SDA引脚分别与642芯片的时钟与数据地址线相连，从而实现数据分析与图像解读，并将信息存储进寄存器。VP1的A通道可以被设置成为视频输入口。

2.1.2 图像处理模块

本文设计系统32位定点DSP芯片TMS320DM642完成图像分析处理的过程。在显示操作期间，图像或视频数据从存储器加载到帧缓冲器中，加载完成之后，通过EDMA传输给视频端口2560B 的通道FIFO，为了保证数据存储的完整性，系统将数据搬入片外存储器SDRAM。当FIFO通道向SDRAM搬运完数据后运行在FLASH中的程序开始调用图像数据，进行算法处理，进行图像的特征点提取以及图像拼接的工作。

2.2夜间全方位监控系统软件设计

2.2.1 图像处理算法

基于特征的图像拼接，通过对图像进行分析，提取图像中的特征（包括：轮廓、边缘、纹理及角点），利用特征进行拼接对于亮度变化和几何形变都有一定的适应性抗干扰能力较强，精度较高。根据提取的特征点，将不同区域的图像进行重叠拼接，形成完整的图像达到更好的监控效果。

2.2.2 图像预处理

为了减少背景噪声和杂散光（如阴雨天气造成）等的影响，达到目标图像亮度均匀的目标，要对采集的光源图像进行图像滤波处理。

本文采用了频域增强法。对目标图像进行傅里叶变换，得到频域的图像，进而设定阈值去除波动系数中的噪声元素，进行滤波操作，最后将滤波得到的图像进行傅里叶逆变换，以得到经过预处理后的图像。

2.2.3 图像特征拼接

为了得到确切完整的图像拼接结果，简单的阈值分割容易导致软件检测的错误，造成拼接失败。图像特征拼接研究合适的目标点，取光源中亮度的平均值作为亮度的阈值。

通过图像的边缘检测，对于整体图像进行有整体到部分的分割，提取必要的参考点，以区域内的各个像素点的平均亮度作为阈值亮度。再根据图像各个尺寸点与像素点大小以及位置的相对关系，得到目标点的位置与亮度，还原回整体的图像，并优化之前图像的清晰度。

3实验测试结果与分析

实验根据天气情况，取19：30到第二天的5：00为夜间，测量图像并进行拼接。根据整体实验的结果来看，本文设计得到的夜间全方位监控系统与当前红外夜视一体机所能监测到的图像有相同整体图像分析拼接处理趋势，最大图像拼接误差不超过20%，同时具有较高的完整度以及清晰度。

经实验验证本文设计的系统可以满足夜间全方位监控系统设计的要求，并且该系统具有完成速度快、图像完整度高、可靠性高等特点，并且具有较低的成本和较高的开发利益，具有较高的研究前景。

4结论

通过对TMS320DM642高分辨率的成像系统设计，实现了夜间全方位的监控系统设计。实践证明：利用高清图像传感器和超广角鱼眼镜头设计夜间监控系统，能够满足人们对对高清晰、高信噪比、高灵敏度的监控视频以及图像需求。随着系统的分辨率不断提升、鱼眼镜头图像拼接技术不断发展，相信此类监控系统将会获得更好地图像效果，并且在越来越广泛的领域得到应用。

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