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        無人機(jī)機(jī)載視頻去霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2020-06-29 12:13:52秦春霞楊珂任萍鄭潔3趙遠(yuǎn)鵬陳貴鋒
        計(jì)算機(jī)測量與控制 2020年6期
        關(guān)鍵詞:透射率遙控指令

        秦春霞楊珂任萍鄭潔3趙遠(yuǎn)鵬陳貴鋒

        (1.西北工業(yè)大學(xué) 電子與信息學(xué)院,西安 710129; 2.西北工業(yè)大學(xué) 第365所,西安 710065;3.山西汾西重工有限責(zé)任公司,太原 030027; 4.國家電網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司,西安 710000)

        0 引言

        在無人機(jī)對地偵察中,需要獲取地面感興趣目標(biāo)較為清晰的圖像數(shù)據(jù),但空中霧霾等因素會影響獲取的圖像質(zhì)量K.M.He等提出基于暗通道先驗(yàn)的圖像去霧算法,利用軟摳圖細(xì)化透射率[1];其后K.M.He采用導(dǎo)向?yàn)V波來提高運(yùn)行效率,但該算法對空中區(qū)域的處理效果尚需改善[2];Berman利用霧度線基礎(chǔ)上,利用不同的透射系數(shù)恢復(fù)了距離圖和無霧圖像[3]。F.Meng等提出一種有效的正則化去霧算法,通過探索固有的邊界約束來恢復(fù)無霧圖像[4]。范新南等利用亮通道先驗(yàn)和模糊聚類對霧圖進(jìn)行場景分類[5];王晗等提出信息熵與保真度相結(jié)合的單幅圖像去霧方法。雖然上述算法在去霧效果上都有各自優(yōu)勢,但需要滿足機(jī)載實(shí)時(shí)處理等應(yīng)用需求方面,需要解決相關(guān)工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。針對機(jī)載視頻去霧處理系統(tǒng)需要,周曉波[6]和龔亮[7]分別采用FPGA實(shí)現(xiàn)相關(guān)去霧算法,李昂[8]和張海濱[9]利用ARM實(shí)現(xiàn)去霧算法效果。上述方法都可以得到較好的去霧效果,但存在時(shí)序和邏輯功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、硬件資源和功耗要求高,外圍接口電路設(shè)計(jì)也較復(fù)雜等問題,機(jī)載視頻處理應(yīng)用得到限制。為此,本文采用具有去霧功能的ASIC芯片TS1601[10],根據(jù)機(jī)載視頻處理需要,利用Freescale公司i.MX6嵌入式系統(tǒng)[11]設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制初始化、去霧控制、去霧視頻壓縮處理、接口電路和指令響應(yīng)等軟件設(shè)計(jì)。

        1 系統(tǒng)總體方案

        系統(tǒng)機(jī)載圖像去霧處理流程:首先,采用Techwell公司TW9912芯片采集模擬數(shù)據(jù)[12],采用Semtech公司GS2971芯片獲取數(shù)字高清數(shù)據(jù)[13],設(shè)計(jì)BT.656/BT.1120數(shù)字視頻信號輸出;其次,采用TSSI公司專用去霧處理芯片TS1601設(shè)計(jì)相關(guān)去霧處理[10];接著,采用i.MX6處理器完成TS1601、視頻采集和遙控遙測指令接收處理工作;最后,針對無人機(jī)信道受限情況,完成i.MX6數(shù)字視頻信號H.264的壓縮和數(shù)據(jù)組幀等工作。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

        圖1 圖像去霧系統(tǒng)總體框圖

        此外,采用Winbond公司W(wǎng)25Q80BV芯片設(shè)計(jì)SPI Flash存儲,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)TS1601和TW9912采集芯片I2C接口控制功能、GS2971芯片GSPI接口配置和控制、遙控/遙測指令處理電路完成機(jī)載遙控接收和遙測指令回報(bào)等。

        1 硬件設(shè)計(jì)

        1.1 去霧芯片設(shè)計(jì)

        TSSI公司的TS1601是一款高清視頻處理芯片,具有去霧處理、2D/3D圖像去噪等功能。TS1601可接收/發(fā)送BT.656和BT.1120格式等通用數(shù)字視頻信號。TS1601具有以下幾點(diǎn):1)輸入輸出的格式:分別接收模擬視頻輸出的BT.656和數(shù)字高清視頻輸出的BT.1120;2)外圍接口:外圍接口有16個(gè)GPIO口,可被復(fù)用為I2C總線和UART等接口,還有專用SPI總線接口[6]等接口的控制和通信;3)低功耗:TS1601處理芯片具有低功耗;4)設(shè)計(jì)簡單:去霧算法參數(shù)設(shè)置可以實(shí)時(shí)調(diào)整,時(shí)序、邏輯功能、去霧參數(shù)等實(shí)現(xiàn)相對簡單。

        1.2 視頻采集芯片設(shè)計(jì)

        標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻采集芯片的D1圖像分辨率為奇偶場720×288兩幅BT.656隔行數(shù)據(jù),如果將其輸出到i.MX6的720×576逐行視頻接口,就會出現(xiàn)top和bottom兩幅720×288(奇偶幀)視頻效果。常用隔行轉(zhuǎn)逐行處理方法有以下幾種:1)對top和bottom兩場交錯(cuò)生成一幀圖像處理算法;2)用top或bottom一場代替一幀圖像,但其插值算法會損害圖像清晰度;3)圖像運(yùn)動補(bǔ)償算法,算法CPU占用和處理時(shí)間較大,達(dá)不到實(shí)時(shí)要求;4)采用TW9912等芯片內(nèi)部硬件處理方法,通過內(nèi)部反交錯(cuò)引擎的隔行掃描視頻轉(zhuǎn)換成逐行BT.656視頻數(shù)字信號,由硬件完成復(fù)雜的運(yùn)動補(bǔ)償?shù)葓D像處理算法,視頻采集效果最好,并且不占用系統(tǒng)處理資源,可滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理需要。因此,將TW9912設(shè)計(jì)為逐行輸出,計(jì)算其輸出像素時(shí)鐘pixclk并對i.MX6的視頻接口進(jìn)行配置。BT.656并行接口除了傳輸4:2:2的YCbCr視頻數(shù)據(jù)流外,還有行、列同步所用的控制信號。TW9912一幀PAL制式分辨率為720×576的圖像數(shù)據(jù)由一個(gè)625行、每行1728字節(jié)(1 440+280+4+4=1 728)的數(shù)據(jù)塊組成。其中,23~311行(288)是偶數(shù)場視頻數(shù)據(jù),336~624行(288)是奇數(shù)場視頻數(shù)據(jù),其余為垂直控制信號。根據(jù)公式:像素時(shí)鐘pixclk=行數(shù)據(jù)×行數(shù)×幀率。對于PAL制式分辨率為720×576的隔行掃描圖像數(shù)據(jù),pixclk頻率為:PAL:(1 440+280+4+4)×625×25=27 000 000。如果采用逐行輸出方式,PAL制式的pixclk應(yīng)為54 MHz,比隔行輸出pixclk=27 MHz增大一倍,其幀數(shù)也增大一倍由PAL:25->50。此外,由于在視頻圖像的采集過程中,不同端口大小、不同階段,數(shù)據(jù)的字節(jié)順序是非常重要的。為了對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活打包,在視頻接口軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)緩存交換空間進(jìn)行打包。

        數(shù)字視頻信號芯片GS2971是一款支持標(biāo)清、高清和3 Gb/s多種速率的SDI接收器,該芯片利用SPI總線進(jìn)行初始化配置和控制。設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)GS2971完成接入SDI視頻YCBCR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和BT.1120輸出,經(jīng)過匹配電阻接入i.MX6視頻處理芯片,保持視頻信號傳輸阻抗匹配。

        2 軟件設(shè)計(jì)

        根據(jù)系統(tǒng)功能和設(shè)計(jì)的需要,系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),其中主程序、去霧處理算法、H.264壓縮處理、遙控指令響應(yīng)程序、遙測信息回報(bào)等軟件分別采用嵌入式平臺軟件編程。

        2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。主處理程序主要分為芯片初始化、芯片探測、事件發(fā)送和響應(yīng)操作和內(nèi)核循環(huán)5個(gè)模塊。根據(jù)需要,系統(tǒng)處理主程序采用嵌入式模塊化的設(shè)計(jì)思想,軟硬件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成一個(gè)功能完整的一體化的控制模塊。具體設(shè)計(jì)如下:

        上電后,程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化,完成視頻接口芯片TW9912和GS2971、去霧處理芯片TS1601初始化工作、i.MX6嵌入式系統(tǒng)初始化、串口初始化、系統(tǒng)相關(guān)處理事件初始化;實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì),針對系統(tǒng)各個(gè)接口和去霧處理參數(shù)配置腳本設(shè)計(jì);系統(tǒng)初始化時(shí),可以根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)置和控制參數(shù)情況,直接調(diào)用對應(yīng)腳本文件,能夠快速、直接、準(zhǔn)確地配置模塊參數(shù);內(nèi)核循環(huán)流程,設(shè)計(jì)無人機(jī)視頻H.264壓縮碼率受控處理軟件,解決壓縮編碼的運(yùn)動估計(jì)搜索范圍、最大關(guān)鍵幀間距、SPI接口緩沖區(qū)碼率控制機(jī)制問題,完成系統(tǒng)SPI輸出碼率受限軟件設(shè)計(jì)[12]。

        圖2 系統(tǒng)處理主程序軟件流程圖

        2.2 系統(tǒng)去霧遙控指令接收處理設(shè)計(jì)

        無人機(jī)機(jī)載去霧處理系統(tǒng)在滿足去霧功能基礎(chǔ)上,i.MX6接收的遙控指令包括同步幀頭和控制指令等,接收和處理的遙控和遙測指令數(shù)據(jù)需要逐字節(jié)進(jìn)行解析、判斷、處理和回報(bào)。設(shè)計(jì)遙控指令的每幀指令由64個(gè)字節(jié)組成,前兩個(gè)字節(jié)為遙控指令幀頭。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)串口接收到遙控指令后,系統(tǒng)根據(jù)遙控指令幀結(jié)構(gòu)完成相應(yīng)遙控解譯操作。其他功能設(shè)計(jì)如下:

        1)機(jī)載去霧系統(tǒng)初始化:由于系統(tǒng)通過初始化完成相關(guān)TS1601去霧接口和狀態(tài)配置,因此需要關(guān)閉系統(tǒng)中斷響應(yīng)并在去霧配置完成后再根據(jù)需要開啟。

        2)TS1601芯片的去霧功能初始化:根據(jù)機(jī)載視頻去霧處理要求,完成TS1601芯片的去霧處理算法參數(shù)設(shè)置(參見2.3節(jié)),系統(tǒng)采用配置腳本方式,快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)機(jī)載去霧處理模式設(shè)置。TS1601芯片初始化流程如圖3所示。

        圖3 TS1601芯片初始化流程

        2.3 系統(tǒng)視頻去霧參數(shù)設(shè)計(jì)

        無人機(jī)機(jī)載視頻大多是場景變化緩慢對地觀測場景,應(yīng)針對機(jī)載圖像特性和實(shí)際工程情況設(shè)計(jì)去霧參數(shù)。對于機(jī)載獲取的圖像霧化主要表現(xiàn)為圖像對比度和明度減小,去霧處理上需要提高圖像對比度和明度。因此,機(jī)載視頻去霧參數(shù)系統(tǒng)采用大氣散射模型從機(jī)載圖像去霧I(x)、大氣光值A(chǔ)和透射率t(x)中恢復(fù)出圖像J(x)[1]:

        (1)

        (2)

        式中,Ω(x)表示一塊方形區(qū)域,Ic表示含霧圖像的一個(gè)顏色通道。在求取透射率圖時(shí)使用最小值濾波并不符合機(jī)載視頻圖像景物深度基本一致的情況[1-3,5],改進(jìn)的去霧算法復(fù)雜度較高[3-5],不利于機(jī)載景物深度變化較大的區(qū)域透射率的實(shí)時(shí)估算。例如,超低能見度情況下地面霧霾濃度過大,圖像去霧處理時(shí)會使去霧后的圖像噪聲偏大,需要進(jìn)行不完全去霧;當(dāng)?shù)孛婺芤姸容^高霧霾濃度很低,不需要對圖像進(jìn)行去霧處理。針對機(jī)載圖像視場變化緩慢的快速去霧處理,本文提出一種機(jī)載圖像HSV分量確定透射率。

        首先,機(jī)載圖像色調(diào)、飽和度和明度各分量的平均值分別為:

        (4)

        式中,Sum(H),Sum(S)和Sum(V)為圖像中所有像素點(diǎn)色調(diào)分量H、飽和度分量S、明度分量V的總和,N1、N2、N3為分量值不為0的像素點(diǎn)數(shù)量,AveH,AveS和AveV為圖像中各分量的平均值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試分析,結(jié)合飛機(jī)總體設(shè)計(jì)對機(jī)載圖像去霧處理系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求,將機(jī)載含霧圖像按照如下含霧等級設(shè)定。

        含霧圖像等級1:

        (AveH<100)&&(AveS<0.07)&&(AveV<0.5)

        (5)

        含霧圖像等級2:

        (AveH<125)&&(AveS<0.2)&&(AveV<0.48)

        (6)

        其次,根據(jù)HSV分量確定含霧圖像等級對透射率進(jìn)行調(diào)整,在含霧圖像等級為1的區(qū)域需要對透視率進(jìn)行放大,而在含霧圖像等級為2的區(qū)域需要對透視率保持不變,定義透射率為:

        (7)

        式中,閾值M定義為含霧圖像中對比度大于圖像HSV分量對比度閾值S(一般取S=2)的像素值個(gè)數(shù)p占總像素點(diǎn)個(gè)數(shù)n相比,即:M=p/n。無人機(jī)機(jī)載含霧圖像表現(xiàn)為對比度較差,所選取的閾值M也應(yīng)該不同:圖像中對比度區(qū)域較小的圖像選取較大的M值;圖像對比度較大選取較小的閾值M。本文按照含霧等級的去霧處理方法,不同于文獻(xiàn)[2-4]復(fù)雜參數(shù)計(jì)算方法,計(jì)算效率得到提高并且系統(tǒng)實(shí)時(shí)性也得到保障。

        2.4 視頻去霧處理設(shè)計(jì)

        視頻去霧處理芯片TS1601中有視頻去霧寄存器、I2C總線的寄存器、SPI總線寄存器、OSD寄存器等多種寄存器。通過設(shè)置相關(guān)去霧寄存器(DEMIST_ENABLE、DEMIST_WIN_LT等)的狀態(tài)來達(dá)到去霧的目的。其他有關(guān)圖像去噪,視頻OSD功能處理等軟件流程略。

        無人機(jī)機(jī)載視頻大多是場景變化緩慢對地觀測場景,應(yīng)針對機(jī)載圖像特性和實(shí)際工程情況采用不同去霧方式和模式對視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)去霧處理。設(shè)計(jì)視頻去霧處理軟件如下:首先進(jìn)行去霧功能的初始化,包括設(shè)置去霧最大的亮度和最大的色度;其次,根據(jù)輸入設(shè)備判定并更新相應(yīng)的腳本參數(shù);然后,去霧系統(tǒng)根據(jù)從串口接收到的去霧指令進(jìn)行處理,獲得去霧事件的ID號和參數(shù)temp,并根據(jù)事件的ID號判斷去霧事件的類型。在去霧事件中軟件設(shè)計(jì)中:1)若temp=0,設(shè)置去霧的工作模式為關(guān)閉的狀態(tài);2)若temp=1,設(shè)置去霧的工作模式為全雙工方式,設(shè)置去霧的工作電平為高電平有效,根據(jù)獲取的參數(shù)temp=1選擇去霧模式1并對相關(guān)的寄存器進(jìn)行設(shè)置;3)若temp=2,設(shè)置去霧的工作模式為全雙工方式,設(shè)置去霧的工作電平為低電平有效,根據(jù)獲取的參數(shù)temp=1選擇去霧模式2并對相關(guān)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。

        3 實(shí)驗(yàn)測試

        采用實(shí)際硬件平臺,完成相關(guān)去霧處理方法的實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)測試采用實(shí)際采集圖像和相關(guān)公開測試圖像進(jìn)行測試對比,圖像去霧效果對比如圖4和圖5所示。圖4(a)、(b)表示含霧等級1去霧效果圖,圖4(c)、(d)表示含霧等級2去霧效果圖。從含霧等級1結(jié)果看,由于含霧量一般,區(qū)域透射率保持不變,而含霧等級2其含霧量較大,區(qū)域透射率需要進(jìn)行調(diào)整,兩種等級去霧后的圖像都接近于自然。

        圖4 去霧前和去霧后處理效果對比圖

        為了更加客觀地比較含霧等級去霧處理的效果,選擇典型文獻(xiàn)[2-4]去霧方法進(jìn)行比較,并利用TenenGrad函數(shù)、方差函數(shù)、平均梯度梯度函數(shù)等3種清晰度評價(jià)函數(shù)[15]來評價(jià)去霧效果,并對得到函數(shù)值做歸一化處理,結(jié)果如表1所示。由圖5測試結(jié)果可見,根據(jù)含霧等級對透射率進(jìn)行進(jìn)行分析和加權(quán)調(diào)整,相對于文獻(xiàn)[2-4]具有良好的的適應(yīng)性。K.M.He等算法[2]對于大部分圖像具有良好的去霧效果,所提暗通道先驗(yàn)方法存在對大氣光近似目標(biāo)場景估計(jì)不足等問題,缺乏層次感,去霧圖像整體亮度偏暗并存在失真情況,圖5(b)第二幅圖像左上角還會出現(xiàn)不均勻色塊情況;Berman等[3]算法整體亮度和色彩對比度上有所提升,但是某些圖像的邊緣出現(xiàn)偽輪廓,如圖5(c)第一幅圖像遠(yuǎn)處的模糊場景并沒有清晰恢復(fù);F.Meng等[4]算法對于弱光照區(qū)域會出現(xiàn)對比度和亮度偏低的情況,如圖5(d)第三幅圖像所示天空區(qū)域圖像信息丟失并出現(xiàn)色塊。由表1可見,本文算法絕大多數(shù)情況下各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)是最優(yōu)的,D.Berman等[3]和F.Meng等[4]算法分別在圖5(c)第二幅圖和圖5(d)第一幅圖TenenGrad函數(shù)指標(biāo)客觀評價(jià)要優(yōu)于本文方法,但本文方法在保持去霧優(yōu)良效果的同時(shí)還保持較快處理速度,進(jìn)一步增強(qiáng)算法的實(shí)用性。

        圖5 文獻(xiàn)方法和本文方法去霧前和去霧后處理效果對比圖

        4 結(jié)束語

        本文提出一種無人機(jī)機(jī)載圖像去霧處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可根據(jù)機(jī)載含霧圖像等級進(jìn)行去霧圖像參數(shù)化分析,完成相關(guān)圖像壓縮、遙控遙測指令接收和發(fā)送、機(jī)載實(shí)時(shí)去霧

        表1 去霧性能客觀評價(jià)結(jié)果

        等處理工作,滿足機(jī)載視頻圖像去霧系統(tǒng)實(shí)時(shí)性處理需要。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)滿足無人機(jī)機(jī)載視頻去霧處理的需求,可有效降低圖像去霧處理復(fù)雜度,具有功耗小、易實(shí)現(xiàn)和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),滿足無人機(jī)機(jī)載圖像實(shí)時(shí)性去霧處理要求。

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