陸 平，王文錦，杜素霞，趙書國(guó)，吉 彬

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引言

以往，夜視技術(shù)主要局限于軍事應(yīng)用。直到今天，軍事應(yīng)用仍占夜視市場(chǎng)的90%以上。因?yàn)樵诂F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，誰(shuí)擁有夜視技術(shù)誰(shuí)就擁有夜戰(zhàn)的主動(dòng)權(quán)，同時(shí)夜視技術(shù)也是一個(gè)國(guó)家軍事科技水平的重要標(biāo)志。作為戰(zhàn)爭(zhēng)使用的夜視技術(shù)，主要是熱紅外 (遠(yuǎn)紅外、中紅外)成像技術(shù)和微光夜視技術(shù)。目前，各國(guó)普遍采用熱紅外成像技術(shù)，該技術(shù)作用距離遠(yuǎn)，可以穿透雨、霧、雪、塵、樹葉等偽裝，非常適合戰(zhàn)爭(zhēng)使用。但是，由于熱紅外成像技術(shù)是靠人或物體與背景之間的輻射溫差成像，分辨率低，需強(qiáng)制制冷，制造工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，壽命短，各國(guó)又都作為秘密武器，不能大范圍推廣應(yīng)用。微光夜視技術(shù)是利用月光、星光和大氣輝光，通過像增管增強(qiáng)達(dá)到人眼能夠觀察的目的。它成像較清晰，但由于照明條件，景物的反射及對(duì)比度的不同會(huì)大大影響圖像的質(zhì)量。如果完全沒有光或光線非常弱，就只有噪聲干擾，使用條件受到限制。最近幾年，隨著探測(cè)材料和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外和微光夜視技術(shù)已經(jīng)有了商業(yè)性的應(yīng)用，同時(shí)也出現(xiàn)了許多所謂低照度的攝像設(shè)備，但由于分辨率受光照條件的限制，以及制造成本昂貴等因素，民用方面發(fā)展緩慢。綜觀國(guó)內(nèi)外各式各樣的夜視攝像技術(shù)，都是利用提高靈敏度的方法來(lái)獲取低照度的圖像信號(hào)。由于提高了靈敏度，抗強(qiáng)光能力大大降低，一般只能經(jīng)受10 lux以下的光照。雖然有的設(shè)備設(shè)有防強(qiáng)光保護(hù)電路，但使用要求嚴(yán)格，因而使推廣應(yīng)用受到限制。為此，如何應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，研制一種價(jià)格低廉、圖像清晰，突破環(huán)境光照條件限制的夜視攝像設(shè)備，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀根據(jù)觀察視場(chǎng)范圍，距離遠(yuǎn)近，合理配置不同的隱蔽式黑光照明系統(tǒng)，根據(jù)不同光照環(huán)境、觀察范圍和觀察距離，合理配置不同的光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)鏡頭。各種外部接口按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，主要組成方案如圖1所示。

圖1 彩色 (黑白)一體化黑光夜視儀系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic diagram of color(grayscale)integrated night vision system

1.1 光學(xué)處理

為使彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀的采光窗口工作在設(shè)定的光譜區(qū)域，需要應(yīng)用光學(xué)處理技術(shù)，設(shè)定光闌限制條件，使光學(xué)系統(tǒng)兼?zhèn)浼t外截止和低通濾波功能，同時(shí)滿足強(qiáng)光條件下和零照度條件下攝取圖像的需要，并與電子快門同步工作，使攝取圖像質(zhì)量不隨環(huán)境光照條件變化，始終輸出清晰穩(wěn)定的視頻圖像。

1.2 黑光系統(tǒng)

為攝取低照度條件下的圖像信號(hào)，設(shè)計(jì)可以通過光學(xué)通道的黑光系統(tǒng)，應(yīng)用自動(dòng)采光補(bǔ)光技術(shù)，根據(jù)環(huán)境光照強(qiáng)度對(duì)被攝物體自動(dòng)采光補(bǔ)光。經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)處理和調(diào)制輸出的黑光系統(tǒng)，無(wú)紅外光曝，不易暴露目標(biāo)，同時(shí)滿足攝取圖像的需要。

1.3 圖像、信號(hào)處理

為了從圖像傳感器上分別獲得高清晰的彩色和黑白圖像，需要有選擇地增強(qiáng)圖像信號(hào)，應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，使彩色圖像信號(hào)和黑白圖像信號(hào)分離，完成相對(duì)獨(dú)立的工作條件，彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀采集的圖像信號(hào)信噪比，增益都得到有效控制，使圖像信號(hào)更穩(wěn)定，效率更高。

1.4 工作防護(hù)

彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀在使用環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，光學(xué)部分容易結(jié)霜、結(jié)露和沾染灰塵。為防止以上情況發(fā)生，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)自動(dòng)防護(hù)功能，不會(huì)因環(huán)境溫度變化影響圖像質(zhì)量。

1.5 探測(cè)預(yù)警

彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀配備2種預(yù)警裝置。配載自動(dòng)輻射探測(cè)裝置的彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀，具有自動(dòng)探測(cè)報(bào)警功能，主要應(yīng)用于監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng);配載自動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)的彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀，具有自動(dòng)探測(cè)和主動(dòng)防御功能，主要應(yīng)用于夜間偵察、埋伏等對(duì)抗性、機(jī)動(dòng)性的應(yīng)用場(chǎng)合。

1.6 自動(dòng)控制

為保證彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀在強(qiáng)光、微光、零照度等不同光照條件下能夠始終輸出清晰穩(wěn)定的視頻圖像，設(shè)計(jì)自動(dòng)增益，自動(dòng)電平，自動(dòng)光圈 (內(nèi)同步)和電動(dòng)光圈 (外同步)及工作溫度調(diào)節(jié)等控制功能。

2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

2.1 實(shí)時(shí)嵌入式彩色/灰度分離合成技術(shù)

為了從圖像傳感器獲得高清晰的彩色和灰度圖像，并保證視頻播放的實(shí)時(shí)性，該產(chǎn)品采用基于TI公司DM6437芯片的開發(fā)板來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻圖像的彩色/灰度分離與合成。

DM6437是一款專門面向多媒體應(yīng)用的專用DSP，采用C64x/C64x+DSP內(nèi)核的DSP(TMS320DM6437采用C64x內(nèi)核)是TMS320C6000系列DSP中性能最高的定點(diǎn)DSP。TMS320DM6437采用TI的第二代高性能超長(zhǎng)指令字 (VLIW)結(jié)構(gòu) VelociTI.2。有480 MHz，600 MHz，720 MHz三種規(guī)格，在本系統(tǒng)中選用頻率為600 MHz的 DM6437，其指令周期(instruction cycle time)為1.67 ns，具有4800 MIPS(million instructions per second)的運(yùn)算性能。C64x內(nèi)核處理器具有64個(gè)32位通用寄存器和8個(gè)獨(dú)立的功能單元 (包括2個(gè)乘法器和6個(gè)算術(shù)邏輯單元)。

PAL制式攝像頭捕獲的CVBS復(fù)合視頻信號(hào)通過視頻解碼器TVP5150A轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字視頻信號(hào)BT.656送給DSP，DSP接收數(shù)字視頻并進(jìn)行處理。

通過RGB空間到Y(jié)UV空間的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色灰度信號(hào)的分離，YUV是歐洲PAL電視系統(tǒng)中采用的顏色空間［1］，Y是指像素點(diǎn)的亮度，即灰度信號(hào)。UV是色差信號(hào)，其中包含色調(diào)和飽和度。轉(zhuǎn)換公式為:

以上RGB－YUV轉(zhuǎn)換過程算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，可以實(shí)時(shí)完成像素點(diǎn)的亮度信號(hào)和色度信號(hào)分離，產(chǎn)品采集的圖像信號(hào)信噪比、增益都得到有效控制，使圖像信號(hào)更穩(wěn)定，傳輸效率更高。

2.2 窄帶通光學(xué)濾波技術(shù)

窄帶濾光片屬于帶通濾光片，是一種可以讓特定波長(zhǎng)的光通過而讓其他波段的光反射 (或衰減)的光學(xué)組件。由于其帶寬比較窄，所以叫窄帶濾光片。窄帶濾光片的工作區(qū)域可以是紫外光波段，可見光波段，近紅外光波段，遠(yuǎn)紅外光波段，該產(chǎn)品選用中心波長(zhǎng)為特定波長(zhǎng)的近紅外光波段。窄帶濾光片的光譜波峰兩端的T=50%位置都需要比較精確的控制。

窄帶濾光片的透過率高達(dá)90%，儀器光衰減系數(shù)小，有效提升工作距離和光強(qiáng)度，彌補(bǔ)了LED紅外燈的不穩(wěn)定性。實(shí)際截止率高，垂直入射時(shí)在強(qiáng)紅外燈下無(wú)穿透現(xiàn)象。

窄帶濾光片放在圖像傳感器之前，消除或過濾掉雜散光，確保芯片收到的信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤，不會(huì)出現(xiàn)失真或飽和以及亂碼等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

2.3 基于小波變換的夜間圖像增強(qiáng)算法

由于夜視圖像的灰度值動(dòng)態(tài)范圍小，而且存在噪聲干擾［2］，所以成像效果不理想，視覺觀察較為模糊。有必要對(duì)紅外夜視圖像進(jìn)行數(shù)字增強(qiáng)處理，為人眼觀察和后續(xù)的智能圖像分析檢測(cè)提供有利條件。

為了分離有效圖像信息和噪聲信號(hào)，首先對(duì)每幀圖像進(jìn)行Daub 5/3小波變換，它的正變換公式［3］為:

在小波分解后的圖像中，主要整體信息由低頻系數(shù)表征，紋理細(xì)節(jié)信息由高頻系數(shù)表征［4］。噪波信號(hào)被分離到高頻系數(shù)當(dāng)中。

對(duì)低頻系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展，在擴(kuò)大圖像暗區(qū)主要內(nèi)容動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，避免了圖像過亮，有效防止了圖像細(xì)節(jié)信息的丟失。

由于高頻子帶中同時(shí)包含了圖像信號(hào)和噪聲，所以有必要在抑制噪波信號(hào)的同時(shí)，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)。

利用高頻子帶系數(shù)估計(jì)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)方差［5］，并得到噪聲閾值T。本文采取的非線性閾值增強(qiáng)函數(shù)為:

其中，Cmax，Cmin分別對(duì)應(yīng)高頻子帶中絕對(duì)值最大和最小的系數(shù)值，Cmin一般取0。A是高頻系數(shù)的放大幅度。該方法在去除圖像噪聲的同時(shí)，對(duì)邊緣細(xì)節(jié)有效進(jìn)行了清晰化處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目前國(guó)內(nèi)外攝像機(jī)的主流品牌有索尼、松下、霍尼韋爾、?？档?，采用其中某廠家的產(chǎn)品與本文開發(fā)的黑光夜視儀拍攝同一場(chǎng)景，從主觀視覺質(zhì)量和客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)2方面進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試圖像分為白天彩色圖像和夜間灰度圖像。

客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)采用色彩飽和度和清晰度指數(shù)［6］。其中色彩飽和度反映圖像的色彩鮮艷程度，用于測(cè)試白天彩色圖像，見式(5)和式(6)。清晰度指數(shù)反映圖像細(xì)節(jié)的清晰程度，見式(7)，其中，max(f)和min(f)分別為(x，y)像素的鄰域中灰度最大和最小的像素灰度值，用于測(cè)試夜間黑白圖像。

實(shí)驗(yàn)仿真的軟件平臺(tái)是Visual C++6.0，電腦配置為:主頻2.8 GHz雙核CPU、2 GB內(nèi)存。

圖2 白天彩色圖像效果對(duì)比Fig.2 Effects comparison of color images in daytime

圖3 夜間灰度圖像效果對(duì)比Fig.3 Effects comparison of grayscale images in nighttime

圖2、圖3給出了利用本文開發(fā)的系統(tǒng)和某主流品牌拍攝白天場(chǎng)景和夜間場(chǎng)景的視覺效果對(duì)比。從圖中可以看出，本文黑光夜視儀拍攝的白天彩色圖像色彩鮮明;夜間灰度圖像細(xì)節(jié)清晰，基本無(wú)噪點(diǎn)。2種場(chǎng)景中本文系統(tǒng)的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)均高于某主流品牌。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的彩色 (黑白)一體化黑光夜視儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)集多種新技術(shù)于一體，使用安裝方便，在黑光夜視成像技術(shù)方面有明顯的突破，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外攝像領(lǐng)域應(yīng)用一個(gè)圖像傳感器實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量彩色和黑白圖像采集/分離技術(shù)的同時(shí)具有高質(zhì)量的夜視功能的國(guó)際空白，開創(chuàng)了新的彩色 (黑白)圖像夜視技術(shù)領(lǐng)域。經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)效益明顯。根據(jù)國(guó)際國(guó)內(nèi)查新及國(guó)際安防產(chǎn)品博覽會(huì)證明，本文研制的彩色 (黑白)一體化黑光夜視攝像儀在監(jiān)視攝像領(lǐng)域，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

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