偏振透霧成像系統的設計范文

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《西安電子科技大學學報》2016年第二期

1偏振透霧算法

塵霧天氣下的圖像退化過程如圖1所示。大氣散射是由于大氣介質折射率的非均勻性引起，在光的散射過程中，一個突出特點就是偏振狀態的變化，散射光相對于景物光會有一定程度的偏振，偏振程度取決于粒子的大小、形狀、折射率、入射光偏振狀態和觀測角度。由于大氣散射的偏振特性與目標的偏振特性存在巨大差異，利用該差異將目標輻射從圖像中提取出來，可以實現大氣散射校正。為反演塵霧天氣下大氣散射的退化過程，需要景物光及大氣散射光的輻射量和偏振狀態。采用斯托克斯參量（I，Q，U，V）描述偏振光的偏振信息，其中I表示光的總強度；Q表示0°與90°線偏振光分量之差；U表示45°與135°線偏振光分量之差；V表示右旋與左旋圓偏振光分量之差。偏振透霧成像系統獲得的圖像信號包含景物直射成分和大氣散射成分。考慮一次大氣瑞利散射的影響。

2系統設計

2.1設計思路搭建基于FPGA的CMOS探測器驅動平臺，設計FPGA加DSP的實時透霧成像系統。系統通過CamLink自帶串口通信協議對相機參數進行實時設置，利用串行外設接口（SPI）向探測器上傳控制信號。探測器將16路低電壓差分（LVDS）圖像信號傳輸給FPGA，FPGA經過信號轉換、數據對齊后將圖像信號傳輸給數字信號處理器。2塊256MB同步動態隨機存儲器（SDRAM）對圖像進行緩存，圖2成像系統框圖數字信號處理器運行去霧算法，將去霧后的圖像經FPGA由雙路CamLink接口輸出。系統框圖如圖2所示。探測器驅動模塊由6部分組成：頂層模塊（CMV4000_Top）、時鐘管理模塊（clockGen）、探測器時序驅動模塊（Cmos_Timing）、圖像信號接收模塊（ReceiveImageData）、CamLink接口驅動模塊（Driver_For_Cam）和串口通信模塊（communicate_engine）。CMV4000_Top連接各個子模塊，并對所有輸入輸出信號進行管理；clockGen包含數字時鐘管理器（DCM），為其他子模塊提供時鐘信號；Cmos_Timing對探測器進行初始化，產生曝光時序，并通過SPI更改探測器工作參數；ReceiveImageData轉換、對齊、緩存圖像信號，并將雙端口隨機存儲器（DpRAM）緩存的圖像輸出；Driver_For_Cam將圖像信號按照Medium模式CamLink協議輸出；communicate_engine將用戶設置反饋給探測器驅動模塊并實時監控探測器溫度。探測器驅動模塊框圖如圖3所示。

2.2相機參數設計完成的成像系統支持在180Hz幀頻下輸出2048×2048分辨率圖像，具有彩色及灰度2種工作模式，可根據成像質量需求選擇10bit或12bit的數據位寬。相機具備370nm～930nm光譜響應波段，60dB動態范圍和5.56V/lux.s靈敏度。在工作過程中，無需重新啟動相機，即可實時更改增益、積分時間、幀頻和開窗設置，并監控探測器溫度。相機硬件電路采用模塊化設計，探測器、控制電路和數字信號處理器分別安裝在3塊112mm×112mm的印制電路板（PCB）上，板間采用120針接插件連接。成像系統可定制，當啟用全部模圖像接收模塊將接收到的LVDS圖像信號經電平轉換、串并轉換、對齊后，

交由DpRAM緩存并輸出。圖像接收模塊框圖如圖5所示。

3.2高速差分同步時鐘設計成像系統以最大幀頻工作時，需要480MHz的高速差分同步時鐘。高速信號對信號完整性和電磁兼容設計提出很高要求，需要對PCB進行等長布線，系統很難實現小型化。針對上述問題，成像系統設計時利用內置鎖相環路，只需要一塊40MHz的無源晶體振蕩器即可滿足全部時鐘需求，簡化了設計難度。圖5圖像接收模塊需要對探測器的控制寄存器進行相應設置來啟用內置鎖相環路。CMV4000探測器共包含128個8bit控制寄存器，可設置增益、積分時間、采樣模式、高動態范圍圖像（HDR）等豐富功能。控制寄存器參數通過SPI上傳，一組SPI信號包含16bit數據，其中第0位為讀寫校驗位、第1位～第7位為地址位、第8位～第15位為數據位。啟用內置鎖相環路共需要設置4組控制寄存器，分別為使能內置鎖相環路（Pllenable）、啟用內置鎖相環路（Pll_bypass）、啟用外部差分同步時鐘輸入（LVDSclockinputenable）和使能差分信號接收（LVDSreceiver）。

3.3利用CamLink協議實現圖像輸出和串口通信選用CamLink協議實現實時圖像輸出，該協議采用低壓差分信號，相對于單端傳輸有更優良的抗干擾性能。該信道帶寬大，可實現多通道并行傳輸，很適合傳輸大分辨率、高幀頻圖像。CamLink自帶串口通信協議，可直接通過CamLink電纜實現串口通信，無需額外接口，能有效提高系統集成度。在系統默認工作模式下，采用Medium模式CamLink協議，一次輸出4組12bit數據。一路CamLink信道共包含28bit數據，包括24bit圖像信號、行有效標志位、幀有效標志位和像素有效標志位。成像系統采用RS231和RS232串口通信芯片實現相機參數的讀取及上傳。串口波特率為57600，字長8bit，每條指令包含關鍵字、數據字長、數據和校驗字。串口采用921KHz時鐘，探測器驅動模塊采用80MHz工作時鐘，利用2個FIFO緩存實現時鐘轉換。串口通信模塊框圖如圖6所示。

4實驗結果

4.1偏振去霧前后圖像對比利用本成像系統對塵霧天氣下中國科學院西安光學精密機械研究所空天大樓進行成像實驗，圖7（a）為未開啟機內DSP去霧處理模塊直接輸出的景物總光強圖，圖7（b）為開啟實時去霧模塊后輸出的去霧后圖像。（a）景物總光強圖（b）去霧后圖像

4.2偏振去霧前后直方圖對比圖7偏振去霧前后圖像對比偏振去霧前后圖像直方圖對比如圖8所示。去霧前圖像的灰度值集中在60～140之間；去霧后灰度值分布于35～200之間，圖像經過去霧處理后直方圖分布更加均衡，能更加清晰地還原景物細節，圖像得到明顯改善。

4.3偏振去霧前后RGB色彩分布對比偏振去霧前后圖像RGB分布對比如圖9所示。對比原始圖像，去霧后圖像RGB分布明顯展寬，圖像色彩飽和度、銳度得到顯著提升。

5結束語

本文對塵霧天氣下圖像退化的機理進行分析，提出了基于偏振透霧算法的成像系統設計方案，搭建了一套偏振成像系統。該成像系統具有較高的分辨率、靈敏度及動態范圍，滿足塵霧天氣下的成像需求，可實現開窗、隔行采樣、HDR等豐富功能，具有較高靈活性。系統集成的DSP模塊可實現實時處理，直接輸出透霧后的圖像。實驗結果表明，該成像系統能有效改善大氣散射影響，提高塵霧天氣下成像質量，為目標提取識別帶來便利。最終設計完成的成像系統尺寸為117mm×117mm×126mm，重量1.2Kg。

作者：夏璞 劉學斌 閆鵬 單位：中國科學院西安光學精密機械研究所 中國科學院光譜成像技術重點實驗室 中國科學院大學