蔡燕平

（湖南華南光電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，湖南 常德 415007）

在傳感器技術(shù)不斷發(fā)展的今天，CMOS圖像傳感器的開發(fā)和應(yīng)用可以對(duì)某一場(chǎng)景和目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，獲取準(zhǔn)確的圖像。而將其應(yīng)用于視頻監(jiān)視實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)中，可以有效提高信息收集的效率，其主要對(duì)多幅圖像信息進(jìn)行觀察和分析，獲得正確的監(jiān)控信息，滿足人們對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)督的要求。因此文章以此為基礎(chǔ)進(jìn)而探析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，使系統(tǒng)的作用得以充分發(fā)揮出來(lái)。

1 系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分及工作原理

（1）系統(tǒng)主要構(gòu)成部分。以CMOS圖像傳感器為主的視頻監(jiān)視實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常使用后端顯示與控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、前端探測(cè)系統(tǒng)等部分構(gòu)成。其中前端探測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行組裝的時(shí)候，通過采用電控柜、攝像轉(zhuǎn)臺(tái)等構(gòu)成。在攝像轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)中，其主要包含微光電視、可見光攝像機(jī)、嵌紅外熱像儀等，這些部件當(dāng)中可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀主要在明亮的白天進(jìn)行工作，而微光電視和紅外熱像儀則可以在晚上進(jìn)行工作。在系統(tǒng)當(dāng)中電控柜，其由圖像融合電路、圖像預(yù)處理電路等部分組成。最后傳輸系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，包含光纜、光端機(jī)這兩部分。而后端顯示與控制系統(tǒng)則通過電視墻、操控臺(tái)這兩方面發(fā)揮作用。具體情況如圖1所示。

圖1 以CMOS圖像傳感器為主的視頻監(jiān)視實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成圖

（2）系統(tǒng)的工作原理。在系統(tǒng)當(dāng)中，其包含的前端探測(cè)系統(tǒng)由紅外熱像儀、微光電視主要通過圖像預(yù)處理電路，完成視頻收集和處理的要求，使其最終形成完整的數(shù)字視頻。接著需要把經(jīng)過初級(jí)處理的數(shù)字微光視頻進(jìn)行下一步的空濾波降噪處理，并且通過數(shù)字紅外視頻促進(jìn)其圖像質(zhì)量的提高。然后對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)處理，在完成圖像融合的步驟之后，數(shù)字視頻可以到達(dá)視頻壓縮電路。另外經(jīng)過處理的紅外和微光視頻也會(huì)到達(dá)視頻壓縮電路，接著進(jìn)行壓縮的3路數(shù)字視頻，在完成壓縮的操作之后使其可以到達(dá)傳輸系統(tǒng)。在傳輸系統(tǒng)當(dāng)中有自動(dòng)設(shè)置，可以及時(shí)把視頻數(shù)據(jù)和相關(guān)的信息傳送到后端顯示與控制系統(tǒng)。另外顯示與控制系統(tǒng)會(huì)顯示出所傳輸?shù)膶W(xué)習(xí)，并且往前端探測(cè)系統(tǒng)提出指令。在彩色攝像機(jī)進(jìn)行對(duì)比，黑白攝像機(jī)在靈敏性方面要明顯高于前者，可以在亮度較差的地方進(jìn)行使用。

圖2 系統(tǒng)的工作原理

2 前端探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前端探測(cè)系統(tǒng)對(duì)監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著重要的影響作用，其在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要合理應(yīng)用攝像轉(zhuǎn)臺(tái)、電控柜和簡(jiǎn)易操控臺(tái)這三個(gè)部分，完成設(shè)計(jì)的要求。

2.1 外形設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)的外框架屬于進(jìn)行支撐支承臺(tái)體的結(jié)構(gòu)，其材料和質(zhì)量均會(huì)導(dǎo)致框架的使用壽命受到影響。在轉(zhuǎn)臺(tái)的外框架當(dāng)中，其主要裝有上方位自由度部分、俯仰自由度部分、球殼部分等。球殼當(dāng)中包含裝可見光攝像機(jī)、微光電視、紅外熱像儀這三個(gè)部件。俯仰自由度部分可以使球殼的可以上下進(jìn)行移動(dòng)+90°～-30°。而方位自由度部分則可以使攝像轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行左右±175°方位的旋轉(zhuǎn)。具體情況如圖3所示。

圖3 前端探測(cè)系統(tǒng)

2.2平行光軸設(shè)計(jì)與調(diào)校

（1）平行光軸設(shè)計(jì)。在目前的綜合光電系統(tǒng)當(dāng)中，多光軸的平行性會(huì)直接影響到攝像的效果。如果兩個(gè)傳感器之間可以實(shí)現(xiàn)光軸平行，則可以設(shè)視場(chǎng)為2θ，并且使用f進(jìn)行代表光學(xué)物鏡的焦距，d代表圖像傳感器的具體邊長(zhǎng)，u為傳感器到目標(biāo)之間的距離，b為兩物鏡之間的具體距離。鏡頭1的視場(chǎng)2θ可以采用公式tanθ=d/2f進(jìn)行表述。如果物體之間的距離是無(wú)限的，θ無(wú)限接近于零的時(shí)候，則可以認(rèn)為θ約等于d/2f。而兩鏡頭的重合度ε可以采用公式ε=（2uθ-b）/2uθ=1-b/2uθ進(jìn)行表示，并且設(shè)定Δ等于b/2uθ，則其重合度ε可以等于1-Δ。當(dāng)Δ無(wú)限接近于零的時(shí)候，則重合度ε和1也就越接近。換句話說，如果兩個(gè)傳感器中心距無(wú)限接近于零，并且目標(biāo)距離明顯大于傳感器中心距的時(shí)候，視場(chǎng)重合度將可以等同1，實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)重合。在此系統(tǒng)當(dāng)中，在實(shí)際接觸的時(shí)候u的值均處于比較大的狀態(tài)，20km左右，而b的值將低于或者等于0.5m，可以滿足符合圖像融合重合度需要超過90%的要求。另外需要意識(shí)到在現(xiàn)實(shí)生活中，兩傳感器光軸無(wú)法保持絕對(duì)平行的現(xiàn)象。在這種情況下可以假設(shè)2α為兩光軸的夾角，在進(jìn)行計(jì)算重合度的時(shí)候，可以采用ε=（2utanα-b）/4utanθ這個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算。因此可得出當(dāng)圖像傳感器光軸夾角不大于0.5mrad時(shí)能滿足圖像融合視場(chǎng)重合度的要求。

圖4 光軸平行性對(duì)圖像融合的影響

（2）平行光軸調(diào)校。在調(diào)試平臺(tái)當(dāng)中需要合理安置探測(cè)器，在使其保持固定的同時(shí)，需要采用紅外熱像儀光軸作為衡定的標(biāo)準(zhǔn)。在操作的時(shí)候，首先需要進(jìn)行調(diào)節(jié)紅外熱像儀視場(chǎng)十字分劃線，其位置需要和靶標(biāo)的十字線分劃線保持一致，在使紅外熱像儀的位置得到確定之后，需要將靶標(biāo)的位置當(dāng)做衡定標(biāo)準(zhǔn)的位置完成記錄。其次需要進(jìn)行切換，使可見光攝像機(jī)1的視場(chǎng)可以清楚顯示，在進(jìn)行調(diào)整可見光攝像機(jī)1位置的時(shí)候，需要進(jìn)行固定板上的4個(gè)過孔上下、左右位置，并且采用監(jiān)視器進(jìn)行檢查可見光攝像機(jī)1的十字圖像，最重要的就是要使中視場(chǎng)1的光軸對(duì)小視場(chǎng)光軸的平行度之間差距需要低于0.5mrad。最后使用以上的位置調(diào)整方法，運(yùn)用讓可見光攝像機(jī)2和微光電視光軸這兩者均和紅外熱像儀光軸的平行性之間差距需要低于0.5mrad，然后給4個(gè)攝像單體固定板當(dāng)中起到固定作用的螺釘涂上適量的膠水，并且使用工具將其擰緊。在完成這些操作步驟之后，多視場(chǎng)光軸的平行性位置的確定和功能應(yīng)用均可以得到有效保障。

3 結(jié)語(yǔ)

充分利用可見光攝像機(jī)、微光電視、紅外熱像儀這三個(gè)部件的作用，可以構(gòu)成以CMOS圖像傳感器為主的視頻監(jiān)視實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，最重要的是要完善其前端探測(cè)系統(tǒng)。前端攝像轉(zhuǎn)臺(tái)需要達(dá)到俯仰＋90°～-30°以及旋轉(zhuǎn)±175°方位旋轉(zhuǎn)的要求，并且在進(jìn)行調(diào)整的時(shí)候，需要各探測(cè)器光軸平行性之間差距需要低于0.5mrad，才能使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)圖像融合的目標(biāo)，最終使系統(tǒng)可以順利進(jìn)行準(zhǔn)確目標(biāo)監(jiān)測(cè)。

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