偏振透雾成像系统的设计范文

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《西安电子科技大学学报》2016年第二期

1偏振透雾算法

尘雾天气下的图像退化过程如图1所示。大气散射是由于大气介质折射率的非均匀性引起，在光的散射过程中，一个突出特点就是偏振状态的变化，散射光相对于景物光会有一定程度的偏振，偏振程度取决于粒子的大小、形状、折射率、入射光偏振状态和观测角度。由于大气散射的偏振特性与目标的偏振特性存在巨大差异，利用该差异将目标辐射从图像中提取出来，可以实现大气散射校正。为反演尘雾天气下大气散射的退化过程，需要景物光及大气散射光的辐射量和偏振状态。采用斯托克斯参量（I，Q，U，V）描述偏振光的偏振信息，其中I表示光的总强度；Q表示0°与90°线偏振光分量之差；U表示45°与135°线偏振光分量之差；V表示右旋与左旋圆偏振光分量之差。偏振透雾成像系统获得的图像信号包含景物直射成分和大气散射成分。考虑一次大气瑞利散射的影响。

2系统设计

2.1设计思路搭建基于FPGA的CMOS探测器驱动平台，设计FPGA加DSP的实时透雾成像系统。系统通过CamLink自带串口通信协议对相机参数进行实时设置，利用串行外设接口（SPI）向探测器上传控制信号。探测器将16路低电压差分（LVDS）图像信号传输给FPGA，FPGA经过信号转换、数据对齐后将图像信号传输给数字信号处理器。2块256MB同步动态随机存储器（SDRAM）对图像进行缓存，图2成像系统框图数字信号处理器运行去雾算法，将去雾后的图像经FPGA由双路CamLink接口输出。系统框图如图2所示。探测器驱动模块由6部分组成：顶层模块（CMV4000_Top）、时钟管理模块（clockGen）、探测器时序驱动模块（Cmos_Timing）、图像信号接收模块（ReceiveImageData）、CamLink接口驱动模块（Driver_For_Cam）和串口通信模块（communicate_engine）。CMV4000_Top连接各个子模块，并对所有输入输出信号进行管理；clockGen包含数字时钟管理器（DCM），为其他子模块提供时钟信号；Cmos_Timing对探测器进行初始化，产生曝光时序，并通过SPI更改探测器工作参数；ReceiveImageData转换、对齐、缓存图像信号，并将双端口随机存储器（DpRAM）缓存的图像输出；Driver_For_Cam将图像信号按照Medium模式CamLink协议输出；communicate_engine将用户设置反馈给探测器驱动模块并实时监控探测器温度。探测器驱动模块框图如图3所示。

2.2相机参数设计完成的成像系统支持在180Hz帧频下输出2048×2048分辨率图像，具有彩色及灰度2种工作模式，可根据成像质量需求选择10bit或12bit的数据位宽。相机具备370nm～930nm光谱响应波段，60dB动态范围和5.56V/lux.s灵敏度。在工作过程中，无需重新启动相机，即可实时更改增益、积分时间、帧频和开窗设置，并监控探测器温度。相机硬件电路采用模块化设计，探测器、控制电路和数字信号处理器分别安装在3块112mm×112mm的印制电路板（PCB）上，板间采用120针接插件连接。成像系统可定制，当启用全部模图像接收模块将接收到的LVDS图像信号经电平转换、串并转换、对齐后，

交由DpRAM缓存并输出。图像接收模块框图如图5所示。

3.2高速差分同步时钟设计成像系统以最大帧频工作时，需要480MHz的高速差分同步时钟。高速信号对信号完整性和电磁兼容设计提出很高要求，需要对PCB进行等长布线，系统很难实现小型化。针对上述问题，成像系统设计时利用内置锁相环路，只需要一块40MHz的无源晶体振荡器即可满足全部时钟需求，简化了设计难度。图5图像接收模块需要对探测器的控制寄存器进行相应设置来启用内置锁相环路。CMV4000探测器共包含128个8bit控制寄存器，可设置增益、积分时间、采样模式、高动态范围图像（HDR）等丰富功能。控制寄存器参数通过SPI上传，一组SPI信号包含16bit数据，其中第0位为读写校验位、第1位～第7位为地址位、第8位～第15位为数据位。启用内置锁相环路共需要设置4组控制寄存器，分别为使能内置锁相环路（Pllenable）、启用内置锁相环路（Pll_bypass）、启用外部差分同步时钟输入（LVDSclockinputenable）和使能差分信号接收（LVDSreceiver）。

3.3利用CamLink协议实现图像输出和串口通信选用CamLink协议实现实时图像输出，该协议采用低压差分信号，相对于单端传输有更优良的抗干扰性能。该信道带宽大，可实现多通道并行传输，很适合传输大分辨率、高帧频图像。CamLink自带串口通信协议，可直接通过CamLink电缆实现串口通信，无需额外接口，能有效提高系统集成度。在系统默认工作模式下，采用Medium模式CamLink协议，一次输出4组12bit数据。一路CamLink信道共包含28bit数据，包括24bit图像信号、行有效标志位、帧有效标志位和像素有效标志位。成像系统采用RS231和RS232串口通信芯片实现相机参数的读取及上传。串口波特率为57600，字长8bit，每条指令包含关键字、数据字长、数据和校验字。串口采用921KHz时钟，探测器驱动模块采用80MHz工作时钟，利用2个FIFO缓存实现时钟转换。串口通信模块框图如图6所示。

4实验结果

4.1偏振去雾前后图像对比利用本成像系统对尘雾天气下中国科学院西安光学精密机械研究所空天大楼进行成像实验，图7（a）为未开启机内DSP去雾处理模块直接输出的景物总光强图，图7（b）为开启实时去雾模块后输出的去雾后图像。（a）景物总光强图（b）去雾后图像

4.2偏振去雾前后直方图对比图7偏振去雾前后图像对比偏振去雾前后图像直方图对比如图8所示。去雾前图像的灰度值集中在60～140之间；去雾后灰度值分布于35～200之间，图像经过去雾处理后直方图分布更加均衡，能更加清晰地还原景物细节，图像得到明显改善。

4.3偏振去雾前后RGB色彩分布对比偏振去雾前后图像RGB分布对比如图9所示。对比原始图像，去雾后图像RGB分布明显展宽，图像色彩饱和度、锐度得到显著提升。

5结束语

本文对尘雾天气下图像退化的机理进行分析，提出了基于偏振透雾算法的成像系统设计方案，搭建了一套偏振成像系统。该成像系统具有较高的分辨率、灵敏度及动态范围，满足尘雾天气下的成像需求，可实现开窗、隔行采样、HDR等丰富功能，具有较高灵活性。系统集成的DSP模块可实现实时处理，直接输出透雾后的图像。实验结果表明，该成像系统能有效改善大气散射影响，提高尘雾天气下成像质量，为目标提取识别带来便利。最终设计完成的成像系统尺寸为117mm×117mm×126mm，重量1.2Kg。

作者：夏璞 刘学斌 闫鹏 单位：中国科学院西安光学精密机械研究所 中国科学院光谱成像技术重点实验室 中国科学院大学