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《西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)》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(zhì)折射率的非均勻性引起，在光的散射過程中，一個(gè)突出特點(diǎn)就是偏振狀態(tài)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(tài)和觀測角度。由于大氣散射的偏振特性與目標(biāo)的偏振特性存在巨大差異，利用該差異將目標(biāo)輻射從圖像中提取出來，可以實(shí)現(xiàn)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(tài)。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(qiáng)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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路搭建基于FPGA的CMOS探測器驅(qū)動平臺，設(shè)計(jì)FPGA加DSP的實(shí)時(shí)透霧成像系統(tǒng)。系統(tǒng)通過CamLink自帶串口通信協(xié)議對相機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)置，利用串行外設(shè)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，F(xiàn)PGA經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)對齊后將圖像信號傳輸給數(shù)字信號處理器。2塊256MB同步動態(tài)隨機(jī)存儲器（SDRAM）對圖像進(jìn)行緩存，圖2成像系統(tǒng)框圖數(shù)字信號處理器運(yùn)行去霧算法，將去霧后的圖像經(jīng)FPGA由雙路CamLink接口輸出。系統(tǒng)框圖如圖2所示。探測器驅(qū)動模塊由6部分組成：頂層模塊（CMV4000_Top）、時(shí)鐘管理模塊（clockGen）、探測器時(shí)序驅(qū)動模塊（Cmos_Timing）、圖像信號接收模塊（ReceiveImageData）、CamLink接口驅(qū)動模塊（Driver_For_Cam）和串口通信模塊（communicate_engine）。CMV4000_Top連接各個(gè)子模塊，并對所有輸入輸出信號進(jìn)行管理；clockGen包含數(shù)字時(shí)鐘管理器（DCM），為其他子模塊提供時(shí)鐘信號；Cmos_Timing對探測器進(jìn)行初始化，產(chǎn)生曝光時(shí)序，并通過SPI更改探測器工作參數(shù)；ReceiveImageData轉(zhuǎn)換、對齊、緩存圖像信號，并將雙端口隨機(jī)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(xié)議輸出；communicate_engine將用戶設(shè)置反饋給探測器驅(qū)動模塊并實(shí)時(shí)監(jiān)控探測器溫度。探測器驅(qū)動模塊框圖如圖3所示。

2.2相機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)完成的成像系統(tǒng)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(jù)成像質(zhì)量需求選擇10bit或12bit的數(shù)據(jù)位寬。相機(jī)具備370nm～930nm光譜響應(yīng)波段，60dB動態(tài)范圍和5.56V/lux.s靈敏度。在工作過程中，無需重新啟動相機(jī)，即可實(shí)時(shí)更改增益、積分時(shí)間、幀頻和開窗設(shè)置，并監(jiān)控探測器溫度。相機(jī)硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，探測器、控制電路和數(shù)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(tǒng)可定制，當(dāng)啟用全部模圖像接收模塊將接收到的LVDS圖像信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)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(shí)鐘設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)以最大幀頻工作時(shí)，需要480MHz的高速差分同步時(shí)鐘。高速信號對信號完整性和電磁兼容設(shè)計(jì)提出很高要求，需要對PCB進(jìn)行等長布線，系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)小型化。針對上述問題，成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)利用內(nèi)置鎖相環(huán)路，只需要一塊40MHz的無源晶體振蕩器即可滿足全部時(shí)鐘需求，簡化了設(shè)計(jì)難度。圖5圖像接收模塊需要對探測器的控制寄存器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置來啟用內(nèi)置鎖相環(huán)路。CMV4000探測器共包含128個(gè)8bit控制寄存器，可設(shè)置增益、積分時(shí)間、采樣模式、高動態(tài)范圍圖像（HDR）等豐富功能。控制寄存器參數(shù)通過SPI上傳，一組SPI信號包含16bit數(shù)據(jù)，其中第0位為讀寫校驗(yàn)位、第1位～第7位為地址位、第8位～第15位為數(shù)據(jù)位。啟用內(nèi)置鎖相環(huán)路共需要設(shè)置4組控制寄存器，分別為使能內(nèi)置鎖相環(huán)路（Pllenable）、啟用內(nèi)置鎖相環(huán)路（Pll_bypass）、啟用外部差分同步時(shí)鐘輸入（LVDSclockinputenable）和使能差分信號接收（LVDSreceiver）。

3.3利用CamLink協(xié)議實(shí)現(xiàn)圖像輸出和串口通信選用CamLink協(xié)議實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像輸出，該協(xié)議采用低壓差分信號，相對于單端傳輸有更優(yōu)良的抗干擾性能。該信道帶寬大，可實(shí)現(xiàn)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(xié)議，可直接通過CamLink電纜實(shí)現(xiàn)串口通信，無需額外接口，能有效提高系統(tǒng)集成度。在系統(tǒng)默認(rèn)工作模式下，采用Medium模式CamLink協(xié)議，一次輸出4組12bit數(shù)據(jù)。一路CamLink信道共包含28bit數(shù)據(jù)，包括24bit圖像信號、行有效標(biāo)志位、幀有效標(biāo)志位和像素有效標(biāo)志位。成像系統(tǒng)采用RS231和RS232串口通信芯片實(shí)現(xiàn)相機(jī)參數(shù)的讀取及上傳。串口波特率為57600，字長8bit，每條指令包含關(guān)鍵字、數(shù)據(jù)字長、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)字。串口采用921KHz時(shí)鐘，探測器驅(qū)動模塊采用80MHz工作時(shí)鐘，利用2個(gè)FIFO緩存實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換。串口通信模塊框圖如圖6所示。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1偏振去霧前后圖像對比利用本成像系統(tǒng)對塵霧天氣下中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所空天大樓進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，圖7（a）為未開啟機(jī)內(nèi)DSP去霧處理模塊直接輸出的景物總光強(qiáng)圖，圖7（b）為開啟實(shí)時(shí)去霧模塊后輸出的去霧后圖像。（a）景物總光強(qiáng)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(jīng)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(xì)節(jié)，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(jié)束語

本文對塵霧天氣下圖像退化的機(jī)理進(jìn)行分析，提出了基于偏振透霧算法的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，搭建了一套偏振成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)具有較高的分辨率、靈敏度及動態(tài)范圍，滿足塵霧天氣下的成像需求，可實(shí)現(xiàn)開窗、隔行采樣、HDR等豐富功能，具有較高靈活性。系統(tǒng)集成的DSP模塊可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，直接輸出透霧后的圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該成像系統(tǒng)能有效改善大氣散射影響，提高塵霧天氣下成像質(zhì)量，為目標(biāo)提取識別帶來便利。最終設(shè)計(jì)完成的成像系統(tǒng)尺寸為117mm×117mm×126mm，重量1.2Kg。

作者：夏璞 劉學(xué)斌 閆鵬 單位：中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 中國科學(xué)院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院大學(xué)