一種多通道調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計

一種多通道調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計

1圖像顯示和控制現(xiàn)代高速電視通常采用高靈敏度的cc攝像頭。在目標亮度和背景變化較大的環(huán)境下，圖像尤其容易飽和。另外跟蹤測量電視的調(diào)光系統(tǒng),不僅要求調(diào)光范圍寬,而且要求調(diào)光速度快,適應(yīng)性強。通常使用3種方法用來對CCD相機進行調(diào)光:光圈機械控制或變密度盤,電子快門設(shè)置和增益調(diào)節(jié)。根據(jù)相機的工作機理,可以稱前兩種方式為自動曝光控制(AEC),后一種方式為自動增益控制(AGC)。曝光控制主要集中于圖像亮度和光學系統(tǒng)通光量、CCD曝光和積分時間關(guān)系的調(diào)節(jié);增益控制則是輔助曝光控制,確保圖像有一定灰度級的對比度。文獻中有很多好的調(diào)光方法值得借鑒。一般的控制方法是通過捕獲圖像特性參數(shù)和參考值的比較,將映射的調(diào)整值送至調(diào)光控制系統(tǒng)以彌補二者差異。就實時處理而言,控制需要與計算出的參數(shù)同步,從而可以對下一幀圖像及時調(diào)整。因此,快門時間和增益控制優(yōu)于光圈機械控制。深入研究后,發(fā)現(xiàn)由于各種因素的影響,調(diào)整后CCD接收的照度時常欠飽和或過飽和,因此映射需要具有很好的收斂性以使圖像灰度快速收斂至一個固定的灰度期望值。另外,盡管快門時間和增益調(diào)整有不同的機理(前者基于曝光積分時間后者基于增益放大電路),但是他們的目的都是將圖像調(diào)整至期望灰度值。因此,為了實現(xiàn)有效控制,有必要建立起快門時間值和增益的關(guān)系。本文主要研究利用DSP實現(xiàn)自動調(diào)光算法,解決CCD數(shù)字相機在不同環(huán)境和影響下能夠自動調(diào)整采集高質(zhì)量圖像的問題。為了實時調(diào)整高幀頻CCD相機的圖像亮度,本文提出了一種復(fù)合算法,該算法主要由3部分構(gòu)成:二次均值灰度的權(quán)值累加,基于分段二次函數(shù)的自動曝光控制和基于數(shù)據(jù)分析的自動增益控制。平臺采用了一種共享的乒乓緩存使用策略,從而保證算法在自行設(shè)計的硬件平臺得到有效驗證并連續(xù)顯示。實驗結(jié)果顯示出了良好的圖像質(zhì)量,在各種條件下捕獲的視頻圖像均具有快速的收斂性和適應(yīng)性。2種自動增益控制的復(fù)合方法常用調(diào)光算法有兩種:均值調(diào)光和峰值調(diào)光,前者針對暗背景時局部亮點飽和的場合,后者針對局部亮時背景圖像不清的情形。本文充分考慮到了兩種算法的特點提出一種基于自動快門控制和自動增益控制的復(fù)合方法,該方法很好地解決了由于局部亮而導(dǎo)致背景不清和暗背景而導(dǎo)致局部亮點飽和的問題,主要分為四步。首先通過二次平均,求出期望的權(quán)值灰度和,很好地避免了局部亮點干擾;其次可調(diào)動態(tài)分段二次函數(shù)將此期望權(quán)值灰度映射為合適的快門時間值;再次由實驗數(shù)據(jù)建立快門時間值和增益值關(guān)系表,參照此表中的每檔快門時間值調(diào)整相對應(yīng)的增益;最后引入3個規(guī)則以適時將圖像快速收斂到固定的灰度級。2.1ral和rah權(quán)值的估計,其符合以下步驟圖像平均灰度值rA可由下式獲得,rA=k∑j=0nj×rjk∑j=0nj∑j=0knj×rj∑j=0knj(k=0,1,2,…,255),(1)其中,rj代表圖像第j級灰度,nj是rj的數(shù)量。許多因素影響圖像質(zhì)量,如噪音、天氣、未知移動物體等。為了真實反映圖像原貌,以rA為圖像高低灰度值分界點,分別求出低于rA的平均灰度值rAL和高于rA的平均灰度值rAH,A是rAL和rAH的分界點。rAL=k∑j=0nj×rjk∑j=0nj∑j=0knj×rj∑j=0knj(k=0,1,2,…,A-1),(2)rAH=255∑j=knj×rj255∑j=knj∑j=k255nj×rj∑j=k255nj(k=A+1,A+2,A+3,…,255).(3)理想圖像灰度值RE可由式(4)表示:RE=tLrAL+tArA+tHrAH,(4)其中tA,tL和tH分別是圖像均值rA,rAL和rAH的權(quán)值系數(shù),其關(guān)系如下:tL+tA+tH=1.(5)由式(4)和(5)得到圖像理想的灰度值:RE=tLrAL+(1-tL-tH)rA+tHrAH.(6)tL,tA和tH由環(huán)境因素決定。4.1.1節(jié)中實驗1列出了不同天氣條件下理想的權(quán)值系數(shù)。2.2分段二次線性函數(shù)通過二次函數(shù)建立RE到快門時間值映射。Y=aX2+bX+c,(7)其中,a,b,c是未知參數(shù)。假設(shè)函數(shù)通過點(X1,Y1)(X2,Y2)和(X3,Y3),可求出系數(shù)a,b,c:a=1X1-X2(Y1-Y3X1-X3-Y2-Y3X2-X3)b=1X1-X2((Y2-Y3)(X1+X3)X2-X3-(Y1-Y3)(X2+X3)X1-X3),(8)c=Y3X3X1-X2(X1(Y2-Y3)X2-X3-X2(Y1-Y3)X1-X3)a=1X1?X2(Y1?Y3X1?X3?Y2?Y3X2?X3)b=1X1?X2((Y2?Y3)(X1+X3)X2?X3?(Y1?Y3)(X2+X3)X1?X3),(8)c=Y3X3X1?X2(X1(Y2?Y3)X2?X3?X2(Y1?Y3)X1?X3)其中,X代表RE,即X=RE,且RE∈(0,255);Y代表S,且S∈(0,Smax)。S表示快門時間值,如S=0表示快門時間為1/30s。S越小,快門時間值越慢,意味著CCD積分時間越長,從而輸出圖像灰度值越亮。通過式(7)求出Y,并將其賦給下一幀的快門時間值Snext,即Snext=Y,Snext∈(0,Smax);R0為人工輸入值,如R0=128表示捕獲圖像灰度被期望等于128。圖1中點(R0,S)則被看作是分段二次線性函數(shù)理想的分界點。令函數(shù)f1通過點(R0,S),(R0-RA,S-SA),(0,0),函數(shù)f2通過(R0+RA,S+SA),(R0,S),(255,Smax),其相應(yīng)系數(shù)a,b,c分別被下標為f1:a1,b1,c1和f2:a2,b2,c2,得式(9):f1∶a1=1RA(SR0-S-SAR0-RA)b1=1RA((S-SA)R0(R0-RA)-S(R0-RA)R0)c1=0f2∶a2=1RA(S+SA-SmaxR0+RA-255-S-SmaxR0-255)b2=1RA((R0+RA+255)(S-Smax)R0-255-(R0+255)(S+SA-Smax)R0+RA-255)c2=Smax-255RA((R0+RA)(S-Smax)R0-255-R0(S+SA-Smax)R0+RA-255).(9)f1∶a1=1RA(SR0?S?SAR0?RA)b1=1RA((S?SA)R0(R0?RA)?S(R0?RA)R0)c1=0f2∶a2=1RA(S+SA?SmaxR0+RA?255?S?SmaxR0?255)b2=1RA???(R0+RA+255)(S?Smax)R0?255?(R0+255)(S+SA?Smax)R0+RA?255???c2=Smax?255RA???(R0+RA)(S?Smax)R0?255?R0(S+SA?Smax)R0+RA?255???.(9)當X軸的R0移動到R0-RA或R0+RA,Y軸S相應(yīng)映射到S-SA或S+SA。如果R0-RA,R0和R0+RA被相應(yīng)地賦值為88,128和168,函數(shù)f1和f2隨著S上下起伏變化。每檔S由式(9)求出系數(shù)a1,b1,c1和a2,b2,c2,最終得到分段二次函數(shù)曲線族,如圖2所示。當S低于0或超過15時會被強制賦值為0或15。換而言之,當快門時間值調(diào)節(jié)超過CCD相機快門時間值范圍S∈(0,15),S會被強制賦值為邊界值。2.3附加條件算法通過3個附加條件輔助快門控制,3個參數(shù)沒有必然聯(lián)系,可由人工設(shè)定,通過數(shù)據(jù)可以獲得它們的優(yōu)化值。2.3.1s帶寬a令SA等于某固定值,如SA=1,通過調(diào)整RA來控制收斂度。RA值越大,(R0-RA,R0+RA)占據(jù)的區(qū)域越寬,則函數(shù)曲線越平坦,即曲線將一個很寬的灰度帶寬映射到一個很窄的S帶寬。當RA減小,曲線則會尖銳。平坦和尖銳都會導(dǎo)致S震蕩至極端從而導(dǎo)致圖像值飽和,因此RA不應(yīng)太大或太小。4.2.3節(jié)實驗3給出了一組由不同RA值得到的實驗數(shù)據(jù),結(jié)果顯示出了一個獲得快速收斂的理想RA區(qū)域。2.3.2圖像re-re為減小震蕩,需將RE變化限制在區(qū)域(-RB,RB)。Snext={Sf(RE)(|RE-RE′|＜RB),(10)其中,RB是正整數(shù),RE′是上一幀的RE值。RE-RE′表示當前和上一幀圖像灰度值差異。通過設(shè)置RB,函數(shù)僅在固定的RE灰度值差異區(qū)間(-RB,RB)得到響應(yīng),其他情況則默認采用上一幀S值。2.3.3r0+rc通過RC的限制,函數(shù)對落在(R0-RC,R0+RC)區(qū)間的RE不予算法響應(yīng),從而處理速度為:Snext={S(|RE-R0|≤RC)f(RE).(11)2.4cd光譜圖像參數(shù)的估計盡管增益和快門調(diào)光控制方式不同:增益控制通過電路使圖像有一定灰度級的對比度;快門通過調(diào)整積分時間控制CCD光敏單元曝光度,但其目的都在于獲得理想的圖像灰度值。例如:當快門時間值S減小,CCD光敏單元曝光時間增加,圖像灰度得到提高;當增益G增加時,圖像灰度值通過放大電路得以提高。鑒于它們相同的作用效果,通過實驗數(shù)據(jù)分析,本文提出增益和快門時間數(shù)值映射算法,其思想為:當G=0,S由Si換檔至Si-1引起圖像灰度和變化,即ΔSUMRi表示為:WhenG=0ΔSUMRi=SUMR(Si)-SUMR(Si-1)(i=1,2,…,16),SUΜR=k∑j=0nj×rj(k=0,1,2,?,255)ΔSUMRi=SUMR(Gi).(12)S歸檔至Si而G增加至Gi,相機輸出的灰度和變化ΔSUMRi相同,而這個值是由Gi引起。WhenS=SiΔSUMRi=SUMR(Si)-SUMR(Si-1)=SUMR(Gi)i∈(0,max).(13)初始G=0和Si=15,并一檔一檔減少Si,記錄其對應(yīng)的ΔSUMRi值得到一組數(shù)值。根據(jù)這組數(shù)值G從0開始增加直至ΔSUMRi=SUMR(Gi)。Gi被認為對應(yīng)Si的最大增益值。例如:令G=0,將S15換檔至S14,將導(dǎo)致圖像灰度和發(fā)生變化:ΔSUMR15=288909。隨后令S=S15,G從0增加至ΔSUMR15=SUMR(G15)=288909,此時G15=803,這個803被看作是Si=S15時G可調(diào)整的最大增益。由于各種因素的影響,盡管實驗條件不變,每次求出的ΔSUMRi會有不同,因此采樣5次得到ΔSUMRi值,求出其平均值記為ASUMRi(參見式(13))。ΔSUMRi應(yīng)取最小值才能保證CCD相機Gi值合理,因此ASUMRi并不能被看作是S從Si換檔至Si-1,圖像灰度變化最小值。為了近似得到一個最小的灰度和,將ASUMRi乘以系數(shù)aLSUMR(如aLSUMR=0.9),其結(jié)果ALSUMRi被近似認為每次換檔后圖像灰度和變化最小值。ASUΜRi=1stΔSUΜRi+?+5thΔSUΜRi5,(14)ALSUMRi=ASUMRi×aLSUMR.(15)2.5利用“s+sa-sm優(yōu)勢”s+sa-sm優(yōu)勢+c通過2.1至2.4節(jié)的敘述,公式可綜合為:Y={a1X2+b1X+c1=X2RA(SR0-S-SAR0-RA)+XRA((S-SA)R0(R0-RA)-S(R0-RA)R0)(|X-R0|＞RC,|ΔX|＜RB)a2X2+b2X+c2=X2RA(S+SA-SmaxR0+RA-255-S-SmaxR0-255)+XRA((S-Smax)(R0+RA+255)R0-255-(S+SA-Smax)(R0+255)R0+RA-255)+15-2552RA(S+SA-SmaxR0+RA-255-S-SmaxR0-255)-255RA((S-SA)R0(R0-RA)-S(R0-RA)R0)(|X-R0|＞RC,|ΔX|＜RB)Sother,(16)其中X=RE,Snext=YSnext={0SSmaxS＜0otherS＞Smax.(17)算法的4個步驟和流程如圖3。3平臺系統(tǒng)3.1視頻圖像的dm642考慮到算法的應(yīng)用要求,選擇UNIQ1830CCD數(shù)字相機作為視頻捕獲設(shè)備。其傳感器具有1024pixel×1024pixel像素單元;45MHz數(shù)據(jù)時鐘;10bitRS-644LVDS數(shù)字信號輸出,通過RS-232C接口控制相機快門時間值和增益。為了實時處理高幀頻圖像數(shù)據(jù),引入主頻上至720MHz的DSP(TMS320DM642,以下簡稱DM642)以實現(xiàn)算法。采用DM642的其他考慮是:它擁有3個可配制視頻口,可以和數(shù)字相機無縫鏈接,同時也支持多種精度和視頻標準;它具有一個64bit無縫外部存儲器接口(EMIF),能夠和同步及異步存儲器、外圍設(shè)備對接,如SDRAM,FLASH。鑒于DM642有限的雙層緩存(16kByte程序緩存L1P,16kByte數(shù)據(jù)緩存L1D,256kByte統(tǒng)一映射RAM/CacheL2)遠遠小于每幀數(shù)據(jù)實時處理容量(1024×768×8bit),因此通過DM642的EMIF的外圍空間映射兩個128Mbit同步DRAM(SDRAM)用來作為外部數(shù)據(jù)存儲器。通過異步通信單元(ACE)TL16C550A的中轉(zhuǎn),經(jīng)由RS-232C接口連接DM642芯片,將增益和快門控制參數(shù)發(fā)送至CCD相機。為便于調(diào)試,將調(diào)光后的圖像以VGA格式在電腦顯示器連續(xù)播放。把可配制編程邏輯器件(CPLD)和DM642連接,基于兩方面考慮:一方面它減輕了DM642的負擔,將1024×768×10bit轉(zhuǎn)換至1024×768×8bit圖像格式;另一方面,它制作行場同步時序,驅(qū)動視頻圖像從CCD數(shù)字相機傳至DSP視頻口,以及從DSP視頻口傳至VGA顯示器。系統(tǒng)啟動后8bitFLASH自動加載程序到DSP。3.2dsp視頻口控制系統(tǒng)按圖4標示步驟執(zhí)行。(1)系統(tǒng)啟動后,預(yù)編程序由FLASH存儲器加載到DSP中,隨后DSP初始化其內(nèi)部寄存器和外圍設(shè)備。(2)從CCD數(shù)字相機輸出的LVDS數(shù)據(jù)首先被轉(zhuǎn)換成TTL電平數(shù)據(jù),然后傳給CPLD。CPLD將1024×768×10bit圖像轉(zhuǎn)化為1024×768×8bit格式的圖像,并將圖像在其自制驅(qū)動程序下傳給DSP視頻口。(3)DSP將實時圖像存儲到SDRAM中。(4)DSP并行執(zhí)行兩項任務(wù):一方面它在高速存儲緩存L2中執(zhí)行算法,另一方面它將存儲在SDRAM中的數(shù)據(jù)回傳給CPLD,CPLD將數(shù)據(jù)以VGA格式在顯示器上連續(xù)播放。數(shù)字相機輸出圖像不能直接在電腦顯示器上播放。因為VGA顯示刷新頻率為60Hz,而CCD相機為30Hz幀頻,輸出數(shù)據(jù)時鐘是輸入的2倍,因此從CCD數(shù)字相機輸出的圖像首先被存儲在SDRAM中,而后通過DSP的乒乓緩存策略將圖像從SDRAM中輸出并連續(xù)在顯示器上播放。(5)通過ACE模塊中轉(zhuǎn)DSP發(fā)送平行控制參數(shù)給CCD相機串口。(6)通過ACE的并行轉(zhuǎn)串行數(shù)據(jù),控制參數(shù)被發(fā)送至相機。經(jīng)由RS-232C接口相機接收快門和增益的控制參數(shù),通過內(nèi)部處理后,相機輸出調(diào)整后的視頻圖像并傳給CPLD。過程將會一直重復(fù)步驟(2)至步驟(6),循環(huán)直至系統(tǒng)重啟或斷電。3.3fpga/sdramsds控制器DM642使用雙高速緩存架構(gòu)。層一的程序高速緩存(L1P)共128kbit是直接映射高速緩存和數(shù)據(jù)高速緩存(L1D),128kbit是雙路互聯(lián)設(shè)置高速緩存。層二的存儲器/高速緩存包括2Mbit存儲空間,由程序和數(shù)據(jù)空間共享。DSP通過高級直接存儲器訪問(EDMA)控制器和SDRAM接口。EMIF支持100MHzSDRAM操作,超過了CCD相機45MHz數(shù)據(jù)捕獲時鐘和65MHz帶寬VGA(1024×768∕60Hz)顯示的頻率要求。為了實時處理高幀頻圖像數(shù)據(jù)并將其在顯示器連續(xù)播放,提出乒乓緩存策略,可最大效率利用DM642及其外圍存儲器資源。策略包括兩個方面:數(shù)據(jù)采樣和結(jié)果連續(xù)顯示,它們在SDRAM中共享同一塊緩存,參見圖5。(1)dsp的高速緩存由于DSPL2空間有限,一次不能存儲整幅圖像,CCD每次捕獲的圖像保存在SDRAM空間中的1k緩存空間,算法用和顯示用圖像數(shù)據(jù)共享此1k緩存空間。為了加快算法處理速度,DSP每次隔點采樣數(shù)據(jù)至L2。經(jīng)過768次(行)采樣,圖像信息被完整獲得。控制參數(shù)經(jīng)由DSPUART串口被送至CCD數(shù)字相機。本系統(tǒng)中,DSP的L2高速緩存從SDRAM中采樣,并采用DSPEDMA的一維至二維傳輸模式。L2從SDRAM中地址為0x80200000處采樣,共采768行,并保存在目的地址0x00025000中,參見圖6。(2)視頻捕獲和觀看為了將CCD相機調(diào)整后的結(jié)果連續(xù)顯示,在SDRAM中創(chuàng)建兩個1kByte緩存,以乒乓模式協(xié)調(diào)工作。過程1:捕獲數(shù)據(jù)1通過DSP視頻口0被存儲在緩存1中,同時保存在緩存2中的顯示數(shù)據(jù)1被輸出至視頻口1;過程2:捕獲數(shù)據(jù)2被存儲在緩存2中,同時保存在緩存1中的顯示數(shù)據(jù)2被輸出至視頻口1。顯示往復(fù)執(zhí)行過程1和2。系統(tǒng)視頻捕獲和播放都是基于DSPEDMA幀同步的一維至二維傳輸模式。視頻捕獲時EDMA采用固定的源地址0x74000000,每當傳輸完1幀圖像(1024×768)后,目的地址由0x80200000變到0x80400000,或由0x80400000變到0x80200000;視頻播放時,每當傳輸完1幀圖像(1024×768)后,EDMA源地址由0x80400000變到0x80200000,或由0x80200000變到0x80400000。EDMA播放時采用固定的目的地址0x78000020,參見圖7。3.4系統(tǒng)邏輯函數(shù)為確保算法的實時處理,需要滿足:IN≤IM,(18)其中,IN是算法中所有指令占用的每秒指令周期數(shù)(IPS),IM是系統(tǒng)每秒指令周期數(shù)上限值。二者可由式(19)和(20)分別表示:ΙΝ=k∑i=0Ιi=k∑i=0Νi×ΙCi(i=0,1,?,k),(19)ΙΜ=ClockRate×FunctionUnitFrameRate=720ΜΗz×830Ηz=192Μ,(20)其中,Ni表示算法中第i種指令。ICi是其相應(yīng)的指令周期時間數(shù),Ii是每種指令整個指令周期數(shù),如加法、乘法等。例如:乘法(MULTIPLY)指令在算法中被使用5次,即Ni=5,而“MULTIPLY”占用4條指令周期,即Ti=4,這樣Ii=5×4=20IPS?？紤]到每種指令占用相應(yīng)的指令周期數(shù),它們求和后為IN.鑒于DSP的時鐘周期為720MHz,且有8個高級獨立功能單元,可同時并行工作。除此之外,CCD數(shù)字相機每秒輸出30frame圖像,系統(tǒng)IPS上限值通過由式(20)計算為(IM=192MIPS)。系統(tǒng)中IN≈9MIPS,遠小于IM的值,因此算法實時處理完全可行。4實驗4.1兩組針對性實驗為了優(yōu)化控制參數(shù)和驗證算法,本文做了4組針對性實驗。CCD數(shù)字相機分別工