船用視頻圖像增強(qiáng)裝置的模塊化設(shè)計(jì)

彭曉鈞，謝仁富，劉 暢，朱 俊

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

獲取高質(zhì)量的視頻圖像是船用視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的最重要功能。在很多情況下，由于船用環(huán)境的復(fù)雜性，視頻圖像更容易遭受外部因素的干擾，如天氣惡化、環(huán)境照度不足以及成像介質(zhì)的影響等，僅依靠視頻監(jiān)控設(shè)備自身的能力難以取得理想效果。因此，有必要輔助一定的圖像增強(qiáng)手段來(lái)提高終端視頻圖像的清晰度［1］。

目前，圖像增強(qiáng)技術(shù)在船用視頻監(jiān)控系統(tǒng)中也有一定的應(yīng)用，其應(yīng)用形式多為在前端攝像設(shè)備或后端控制存儲(chǔ)設(shè)備(如硬盤錄像機(jī))中以芯片或處理板的方式植入圖像增強(qiáng)功能。上述應(yīng)用形式在實(shí)際工程中存在如下問(wèn)題:

1)系統(tǒng)設(shè)備選型受限。由于圖像增強(qiáng)功能固化在前端或后端設(shè)備中，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只能在現(xiàn)有的有限幾種型號(hào)中選型，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)升級(jí)改造需要大量更換現(xiàn)有設(shè)備。

2)圖像增強(qiáng)功能單一。由于設(shè)備在出廠時(shí)圖像增強(qiáng)功能已被固化，但監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的需求往往多種多樣，難以滿足多樣化的工程實(shí)際應(yīng)用需求。

3)增強(qiáng)算法魯棒性較差。同一套算法實(shí)現(xiàn)的圖像增強(qiáng)功能往往需要根據(jù)不同的場(chǎng)景對(duì)算法參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，而設(shè)備圖像增強(qiáng)功能的固化，使得用戶無(wú)法針對(duì)實(shí)際的監(jiān)控場(chǎng)景調(diào)整增強(qiáng)參數(shù)，難以達(dá)到最佳增強(qiáng)效果。這就要求必須采用一種更加新穎且比較經(jīng)濟(jì)的手段來(lái)解決日益緊迫且普遍存在的這種問(wèn)題。

1 視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)組成

現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括前端視頻采集設(shè)備(如攝像機(jī)等)、傳輸網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng)、光纜、同軸視頻傳輸線等)、終端顯示設(shè)備(如監(jiān)視器、電視墻等)和終端存儲(chǔ)設(shè)備 (如DVR (Digital Video Recorder，硬盤錄像機(jī))、NVR (Network Video Recorder，網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī))、IP- SAN (IP Storage Area Network，存儲(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò))等［2］。

“模塊化視頻圖像增強(qiáng)裝置”作為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，提供標(biāo)準(zhǔn)的視頻輸入、輸出接口，可無(wú)縫集成到現(xiàn)有的船用視頻監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)中。其在船用視頻監(jiān)控架構(gòu)中的位置如圖1所示。

圖1 視頻圖像增強(qiáng)系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The diagram of image enhancement system

2 視頻圖像增強(qiáng)裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

視頻圖像增強(qiáng)裝置主要包括“供電電源模塊”、“視頻圖像增強(qiáng)模塊”和“參數(shù)調(diào)節(jié)模塊”，其前視圖和后視圖如圖2所示。

“供電電源模塊”安裝在本裝置底部的絕緣安裝板上，電源輸入為220 VAC，通過(guò)電纜接頭與外部連接，電源模塊主要實(shí)現(xiàn)AC/DC、DC/DC 功能，能穩(wěn)定可靠地給各個(gè)“視頻圖像增強(qiáng)模塊”和“參數(shù)調(diào)節(jié)模塊”供電。

圖2 模塊化視頻圖像增強(qiáng)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure outline of modular image enhancement equipment

“視頻圖像增強(qiáng)模塊”安裝在插板上，通過(guò)導(dǎo)槽板上的導(dǎo)軌，插板可方便快捷地安裝在本裝置的后面板上。一個(gè)“視頻圖像增強(qiáng)模塊”帶有多路一對(duì)一的視頻輸入、輸出端口，根據(jù)需要可提供諸如BNC、色差、S 端子、RJ45 等不同類型的視頻接口。“視頻圖像增強(qiáng)模塊”基于功能強(qiáng)大的ARM+DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器)嵌入式硬件平臺(tái)(如TI DVM6467T)開發(fā)，確保能實(shí)時(shí)對(duì)輸入的多路PAL 或NTSC 制式視頻信號(hào)進(jìn)行處理，并將增強(qiáng)后的視頻圖像傳輸至輸出端口。每個(gè)“視頻圖像增強(qiáng)模塊”具有特定的功能，船用“視頻圖像增強(qiáng)裝置”可以根據(jù)實(shí)際需要在導(dǎo)槽板內(nèi)安裝各種功能的“視頻圖像增強(qiáng)模塊”，從而獲得不同組合的視頻圖像增強(qiáng)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)前端視頻采集設(shè)備所獲取的復(fù)雜多樣的視頻圖像實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)功能［3］。

“參數(shù)調(diào)節(jié)模塊”安裝在本裝置的前面板上，它提供人機(jī)交互接口:鍵盤單元和顯示單元，同時(shí)還帶有一個(gè)旁路單元?！皡?shù)調(diào)節(jié)模塊”通過(guò)總線方式(比如RS-485)與各個(gè)“視頻圖像增強(qiáng)模塊”連接。用戶通過(guò)顯示模塊可以查閱當(dāng)前某個(gè)“視頻圖像增強(qiáng)模塊”內(nèi)各種算法的參數(shù)，如有必要，用戶可通過(guò)鍵盤來(lái)修改任一種算法的參數(shù)。同時(shí)，“參數(shù)調(diào)節(jié)模塊”還具有旁路“視頻圖像增強(qiáng)模塊”的功能，也就是說(shuō)，若視頻監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)不需要對(duì)連接至某個(gè)“視頻圖像增強(qiáng)模塊”中的幾路視頻信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理，按下該“視頻圖像增強(qiáng)模塊”對(duì)應(yīng)的“旁路”按鈕，即可“旁路”掉對(duì)應(yīng)的“視頻圖像增強(qiáng)模塊”，這樣就可將這幾路視頻信號(hào)從“視頻圖像增強(qiáng)模塊”的視頻輸入端口“直通”到視頻輸出端口，從而直接傳輸至下一級(jí)設(shè)備。

視頻圖像增強(qiáng)裝置采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，每個(gè)“視頻圖像增強(qiáng)模塊”均采用導(dǎo)軌插板安裝方式，因此具有快拆功能。

3 視頻圖像增強(qiáng)裝置的軟件功能設(shè)計(jì)

“視頻圖像增強(qiáng)模塊”采用開源的LINUX 操作系統(tǒng)開發(fā)并定義了標(biāo)準(zhǔn)化的軟件協(xié)議接口，因此具有良好的兼容性和開放性。“視頻圖像增強(qiáng)模塊”的功能由該模塊內(nèi)固化的圖像增強(qiáng)算法決定，因此可以方便地為每個(gè)“視頻圖像增強(qiáng)模塊”設(shè)定不同的功能［4］。比如可定義第1個(gè)“視頻圖像增強(qiáng)模塊”具有直方圖修正功能、第2個(gè)具有對(duì)比度增強(qiáng)功能、第3個(gè)具有動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整功能、第4個(gè)具有色彩恢復(fù)功能、第5個(gè)具有霧霾去除功能……。因此，視頻圖像增強(qiáng)裝置具有“模塊化”的軟件功能［5］。

同時(shí)，“視頻圖像增強(qiáng)模塊”具有“圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)”的功能。可根據(jù)用戶的要求， “自動(dòng)”或“手動(dòng)”使用本模塊內(nèi)部集成的算法逐一對(duì)本模塊所輸入每一路視頻圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，然后基于圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［6］(比如對(duì)比度熵信息)對(duì)每種增強(qiáng)效果做出客觀評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果為每路輸入視頻選擇最佳的圖像增強(qiáng)算法。

另外，可通過(guò)前面板的“參數(shù)調(diào)節(jié)模塊”隨時(shí)優(yōu)化調(diào)整任意一個(gè)“視頻圖像增強(qiáng)模塊”內(nèi)置算法的重要參數(shù)，以達(dá)到最佳增強(qiáng)效果。

這樣，在對(duì)船用視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備選型或升級(jí)改造時(shí)，就可根據(jù)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求選用具有不同“視頻圖像增強(qiáng)模塊”組合的視頻圖像增強(qiáng)裝置，從而滿足監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)需求的多樣性。

4 試驗(yàn)結(jié)果

在本試驗(yàn)中，選取視頻圖像增強(qiáng)裝置中具有霧霾去除功能的“視頻圖像增強(qiáng)模塊”，然后抽取前端攝像機(jī)采集的7 組視頻樣本和3 組圖片樣本進(jìn)行增強(qiáng)處理，最后采用主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法來(lái)對(duì)圖像增強(qiáng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

主觀評(píng)價(jià)采用國(guó)際上通行的5 級(jí)評(píng)分的質(zhì)量尺度和妨礙尺度。選取10 位非圖像處理領(lǐng)域的人員作為評(píng)價(jià)人員，對(duì)樣本處理結(jié)果分別進(jìn)行亮度評(píng)價(jià)、清晰度評(píng)價(jià)和去霧效果評(píng)價(jià)，最后對(duì)試驗(yàn)者的打分進(jìn)行歸一化平均［7］。

客觀評(píng)價(jià)選用拉普拉斯評(píng)價(jià)因子對(duì)圖像清晰度進(jìn)行評(píng)價(jià)。要計(jì)算一整幅圖像的拉普拉斯評(píng)價(jià)因子，需要進(jìn)行如下計(jì)算:

1)計(jì)算某點(diǎn)的拉普拉斯算子，它用點(diǎn)(x，y)及其周圍4個(gè)像素點(diǎn)的灰度信息來(lái)表示，方法如式(1)所示:

式中f(x，y)為某點(diǎn)(x，y)的灰度值。

2)計(jì)算整幅圖像中各點(diǎn)拉普拉斯梯度的平方和，方法如式(2)所示:

圖像尺寸為M×N。

3)開方并求均值，得到的就是表征圖像清晰度的拉普拉斯評(píng)價(jià)因子:

一幅圖像越清晰，輪廓越鮮明，則每個(gè)像素點(diǎn)附近的灰度值變化越大，G 值就越大。通過(guò)計(jì)算10組樣本原始圖像和圖像增強(qiáng)后圖像的G 值，對(duì)圖像增強(qiáng)效果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)［8］。

增強(qiáng)處理前后的樣本截圖如圖3所示。

圖3 具有霧霾去除功能的“視頻圖像增強(qiáng)模塊”處理效果Fig.3 The original and processed screenshots by using image enhancement module with defogging algorithm

7 組視頻樣本和3 組圖片樣本增強(qiáng)處理前后綜合主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示，增強(qiáng)處理前后綜合客觀評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

表1 全部樣本綜合主觀評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The statistics of objective quality assessment

表2 全部樣本綜合客觀評(píng)價(jià)結(jié)果記錄表Tab.2 The statistics of subjective quality assessment

不難看出，具有霧霾去除功能的“視頻圖像增強(qiáng)模塊”對(duì)霧霾視頻及圖片的處理效果顯著，取得了令人滿意的效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

船用視頻圖像增強(qiáng)裝置在硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能設(shè)計(jì)時(shí)均采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)思想，因此具有擴(kuò)展能力強(qiáng)，后期維護(hù)、升級(jí)便捷等優(yōu)點(diǎn)。本裝置已成功應(yīng)用到其型船的安全防范系統(tǒng)中。船用環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果表明:該裝置工作穩(wěn)定可靠，可對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境下所采集的視頻圖像進(jìn)行有效的增強(qiáng)處理，在終端獲得清晰度較高的視頻圖像。

另外，船用視頻圖像增強(qiáng)裝置還具有良好的經(jīng)濟(jì)前景，其模塊化的設(shè)計(jì)思想令其可廣泛應(yīng)用于其它工業(yè)視頻監(jiān)控領(lǐng)域。

［1］彭曉鈞.基于CPLD的船用視頻切換及基帶傳輸系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(9):50-53.PENG Xiao-jun.Marine video switchers and baseband video transmission system based on CPLD［J］.Application of Electronic Technique，2012，38(9):50-53.

［2］ARJESH K，SRIDHARAN K，SRINIVASAN K.The design and development of a web-based data acquisition system［J］.IEEE Instruction and Measurement，2002，51(3):427-432.

［3］彭曉鈞.基于LAN的船用綜合數(shù)據(jù)采集與視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.船舶工程，2012，34(2):117-120.PENG Xiao-jun.Marine comprehensive data acquisition and video monitoring system based on LAN ［J］.Ship Engineering，2012，34(2):117-120.

［4］DARKO S，JADRANKA M.Networked embedded greenhouse monitoring and control［J］.Control Applications，Istanbul，2003 :1350-1355.

［5］彭曉鈞，李文甫.船用OSD和雙絞線傳輸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2012，36(21):139-141.PENG Xiao-jun，LI Wen-fu.Modular design of marine OSD and twisted- pair transmission system ［J］.Video Engineering，2012，36(21):139-141.

［6］AUER C，KLIMBACHER A P.Embedded web server technology of romote online labs［J］.ISIE Dubrovnik，2004:1673-1676.

［7］彭曉鈞，馮學(xué)超.海水深度測(cè)量系統(tǒng)研究［J］.壓電與聲光，2013，35(2):293-296.PENG Xiao-jun，F(xiàn)ENG Xue-chao.Study on a measurement system of ocean depth［J］.Piezoelectrics ＆ Acoustooptics，2013，35(2):293-296.

［8］ARJESH K，SRIDHARAN K，SRINIVASAN K.The design and development of a web-based data acquisition system［J］.IEEE Instruction and Measurement，2002，51(3):427-432.