CN103905691B - 透雨雪雾获取清晰图像的方法和摄像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了透雨雪雾获取清晰图像的方法和摄像系统，其方法由DSP处理模块控制激光脉冲发生模块输出预设脉冲宽度的激光脉冲信号，并在第一预设时间到达时关闭激光脉冲发生模块；之后、当激光脉冲发生模块输出激光脉冲信号时，DSP处理模块控制摄像装置的电子快门延迟第二预设时间开启，并在第三预设时间到达时关闭所述电子快门；其中，所述第三预设时间为所述激光脉冲信号的预设脉冲宽度的持续时间；之后、由FPGA模块对摄像装置获取的视频图像进行处理，使输出图像更清晰或者使可视距离更远，得到清晰的视频图像，本发明即能穿透雨雪雾获取清晰的图像，又能扩展透视范围，能够广泛到应用到实际的民用、军事等各个领域中。

Description

透雨雪雾获取清晰图像的方法和摄像系统
技术领域
本发明涉及安防监控技术领域，特别涉及一种透雨雪雾获取清晰图像的方法和摄像系统。
背景技术
摄像系统一般没有激光脉冲发送装置，部分带脉冲激光照明的摄像系统，它强调以脉冲激光作为光源的摄像技术，实现对具有外触发功能的视频输出CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）进行触发拍摄，现有基于FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）的CCD控制技术，利用FPGA产生CCD驱动时序并控制CCD进行拍摄。
不带激光脉冲发送装置的摄像系统，由于雨雪雾天气可见度低，无法清晰看到远方景物。即使带脉冲激光照明的摄像系统，激光脉冲发出后遇雨雪雾就会反射回来，和远方景物反射回来的光混在一起，无法分辨成像，而且由于雨雪雾离摄像系统更近，其返回的光信号会更强，经图像感应器(如CCD、CMOS等)成像后，视频图像中主要就是雨雪雾，因此不能透雨雪雾清晰看到远方景物。由于现有的带脉冲激光照明的摄像系统强调以脉冲激光为照明进行摄像，也没有对摄像系统的后端进行处理，因此现有基于上述摄像系统FPGA的CCD控制技术强调驱动CCD，均无清晰透视雨雪雾功能。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种透雨雪雾获取清晰图像的方法和摄像系统，能透过雨雪雾获取清晰的图像。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种透雨雪雾获取清晰图像的方法，其包括：
A、由DSP处理模块控制激光脉冲发生模块输出预设脉冲宽度的激光脉冲信号，并在第一预设时间到达时关闭激光脉冲发生模块；
B、当激光脉冲发生模块输出激光脉冲信号时，DSP处理模块控制摄像装置的电子快门延迟第二预设时间开启，并在第三预设时间到达时关闭所述电子快门；其中，所述第三预设时间为所述激光脉冲信号的预设脉冲宽度的持续时间；
C、由FPGA模块对摄像装置获取的视频图像进行处理，使输出图像更清晰，或者使可视距离更远得到清晰的视频图像；并返回步骤A；其中，由FPGA模块对摄像装置获取的视频图像进行处理，使输出图像更清晰的步骤具体包括：
C11、将摄像装置获取的预设帧视频图像进行加权处理，获取预设帧视频图像的图像像素的平均值；
C12、对所述视频图像进行滤波处理；
C13、提取每帧视频图像的像素信息，将所述预设帧图像合成一张视频图像输出；
所述步骤C中，FPGA模块输出的是25帧/秒的视频图像，也就是说，高速图像感应器以1万帧/秒的速度采集图像，而FPGA模块输出视频图像的频率为25帧/秒，即FPGA模块每100us输出一次图像，也即图像感应器每获取400帧图像，FPGA模块输出一帧图像。
所述的透雨雪雾获取清晰图像的方法中，所述步骤C13具体包括：
C131、获取每帧图像的像素点，提取每帧图像中较好的像素信息、舍弃较差的像素信息；
C132、将所述预设帧图像合成一张视频图像输出；并返回步骤A。
所述的透雨雪雾获取清晰图像的方法中，所述步骤C具体包括：
C21、根据摄像装置采集视频图像的速率和FPGA模块输出视频图像的速率，确定FPGA模块的图像处理周期；
C22、在每个图像处理周期内，由DSP处理模块以10米为变化单位逐渐增加透视距离；
C23、在一个图像处理周期完成后，将该图像处理周期内的图像进行叠加和滤波处理后合成一帧图像输出；并返回步骤A。
所述的透雨雪雾获取清晰图像的方法中，在步骤A之前，还包括：设置摄像装置的透视距离、透视范围和FPGA模块的处理模式。
所述的透雨雪雾获取清晰图像的方法中，所述第二预设时间由以下公式计算获得：
t=2×H×r/c
其中，H为DSP处理模块的频率，r为透视距离、且r以10米为单位变化，c为光传播速度。
所述的透雨雪雾获取清晰图像的方法中，所述预设脉冲宽度由以下公式计算获得：
t1=2×S/c
其中，S为透视范围，c为光传播速度。
一种用于实现上述透雨雪雾获取清晰图像的方法的摄像系统，其包括：
DSP处理模块，用于控制激光脉冲发生模块输出预设脉冲宽度的激光脉冲信号，并在第一预设时间到达时关闭激光脉冲发生模块；以及，当激光脉冲发生模块输出激光脉冲信号时，DSP处理模块控制摄像装置的电子快门延迟第二预设时间开启，并在第三预设时间到达时关闭所述电子快门；其中，所述第三预设时间为所述激光脉冲信号的预设脉冲宽度的持续时间；
FPGA模块，用于对摄像装置获取的视频图像进行处理，使输出图像更清晰，或者使可视距离更远得到清晰的视频图像；
所述FPGA模块包括：
加权处理单元，用于将摄像装置获取的预设帧视频图像进行加权处理，获取预设帧视频图像的图像像素的平均值；
滤波单元，用于对所述视频图像进行滤波处理；
图像合成单元，用于提取每帧视频图像的像素信息，将所述预设帧图像合成一张视频图像输出；
FPGA模块输出的是25帧/秒的视频图像，也就是说，高速图像感应器以1万帧/秒的速度采集图像，而FPGA模块输出视频图像的频率为25帧/秒，即FPGA模块每100us输出一次图像，也即图像感应器每获取400帧图像，FPGA模块输出一帧图像。
所述的摄像系统中，所述FPGA模块还包括：
图像处理周期获取单元，用于根据摄像装置采集视频图像的速率和FPGA模块输出视频图像的速率，确定FPGA模块的图像处理周期；
自动调节单元，用于在每个图像处理周期内，由DSP处理模块以10米为变化单位逐渐增加透视距离；
图像处理单元，用于在一个图像处理周期完成后，将该图像处理周期内的图像进行叠加和滤波处理后合成一帧图像输出。
相较于现有技术，本发明提供的透雨雪雾获取清晰图像的方法和摄像系统，由DSP处理模块控制激光脉冲发生模块输出预设脉冲宽度的激光脉冲信号，并在第一预设时间到达时关闭激光脉冲发生模块；之后、当激光脉冲发生模块输出激光脉冲信号时，DSP处理模块控制摄像装置的电子快门延迟第二预设时间开启，并在第三预设时间到达时关闭所述电子快门；其中，所述第三预设时间为所述激光脉冲信号的预设脉冲宽度的持续时间；之后、由FPGA模块对摄像装置获取的视频图像进行处理，使输出图像更清晰或者使可视距离更远，得到清晰的视频图像，本发明即能穿透雨雪雾获取清晰的图像，又能扩展透视范围，能够广泛到应用到实际的民用、军事等各个领域中。
附图说明
图1为本发明透雨雪雾获取清晰图像的方法流程图。
图2为本发明透雨雪雾获取清晰图像的方法中，透雨雪雾示意图。
图3为本发明透雨雪雾获取清晰图像的方法中，激光脉冲和电子快门控制的时序示意图。
图4为本发明透雨雪雾获取清晰图像的方法中，透视范围合成示意图。
图5为本发明用于实现透雨雪雾获取清晰图像的方法的摄像系统的框图。
具体实施方式
本发明提供一种透雨雪雾获取清晰图像的方法和摄像系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清晰、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过高速摄像系统获取图像，并经FPGA处理来实现透雨雪雾,与现有的脉冲激光照明摄像系统强调以脉冲激光为照明进行摄像的方式不同。请参阅图1，其为本发明透雨雪雾获取清晰图像的方法流程图。
如图1所示，本发明的透雨雪雾获取清晰图像的方法包括：
S100、由DSP处理模块控制激光脉冲发生模块输出预设脉冲宽度的激光脉冲信号，并在第一预设时间到达时关闭激光脉冲发生模块；
S200、当激光脉冲发生模块输出激光脉冲信号时，DSP处理模块控制摄像装置的电子快门延迟第二预设时间开启，并在第三预设时间到达时关闭所述电子快门；其中，所述第三预设时间为所述激光脉冲信号的预设脉冲宽度的持续时间；
S300、由FPGA模块对摄像装置获取的视频图像进行处理，使输出图像更清晰，或者使可视距离更远得到清晰的视频图像；并返回步骤S100，获取下一周期的图像。
本发明先由DSP处理模块控制发出激光脉冲，延迟时间t后，打开摄像装置的电子快门(Shutter)，并通过高速图像感应器(如CCD、CMOS等)获取图像，之后经FPGA处理，最终实现透雨雪雾成像，能够透雨雪雾获取清晰的视频图像，还扩展了透视范围，是摄像领域的极大进步。
其中，在步骤S100之前，本发明的透雨雪雾获取清晰图像的方法还包括：设置摄像装置的透视距离、透视范围和FPGA模块的处理模式。在摄像系统开启时，系统各模块和变量初始化，并开启外部中断服务程序、定时中断程序等。其中，外部中断服务程序主要用于使人机交互装置接收到人机交互控制命令，并清零中断标志位，向DSP处理模块和FPGA模块返回中断信号。定时中断程序主要实现对激光脉冲和电子快门(Shutter)的控制，并对各信息的时间点进行标记，如标记激光脉冲信号输出时间点、第一预设时间、第二预设时间、第三预设时间等。
在具体实施时，所述预设脉冲宽度t1可自行设定，并通过以下公式计算获得：
t1=2×S/c
其中，S为透视范围，c为光传播速度。从该公式可以看出，透视范围S越大，预设脉冲宽度t1就越大，即脉冲信号持续的时间就越长。
在步骤S100中，由DSP处理模块控制激光脉冲发生模块输出预设脉冲宽度的激光脉冲信号，并标记激光脉冲信号输出时间点t0，如图2和图3所示，并且在第一预设时间到达时关闭激光脉冲发生模块，停止输出激光脉冲信号，等待下一次开启该激光脉冲发生模块。其中，该激光脉冲信号的关闭时间点为t0+t1，即在激光脉冲信号发出第一预设时间后关闭激光脉冲发生模块。
在步骤S200中，所述第二预设时间的起始时间为电子快门开启的时间点，如图3所示，它与激光脉冲信号的反射光的开始时间点相同，并且该第二预设时间t由以下公式计算获得：
t=2×H×r/c
其中，H为DSP处理模块速度的频率，r为透视距离、且r以10米为单位变化，c为光传播速度（c=3 × 108米/s）。
本实施例中，所述DSP处理模块采用主频为500MHz及以上的DSP处理器，DSP主频以500MHz为例，所述第二预设时间为500× 106×[20/（3 × 108）]=33，即：DSP处理模块控制电子快门打开的时间，需在33个DSP处理模块主频周期后打开电子快门，并使高速图像感应器获取视频图像，而现有的500MHZ主频的DSP处理模块完全具备此处理能力。
本发明的一个关键改进点在于控制电子快门的开启和关闭时间点，如图3所示，在t0~t0+t时间段内，如果Shutter打开，激光脉冲信号发出后遇雨雪雾就反射回来，和远方景物反射回来的光混在一起，无法分辨成像，而且由于雨雪雾离摄像装置更近，其返回的光信号会更强，经图像感应器(CCD、CMOS等)成像，视频图像中主要就是雨雪雾，不能实现透雨雪雾清晰看到远方景物。因此本发明采用在t0~t0+ t时间段内，关闭Shutter，从发出激光脉冲的t0时刻开始计时，延迟第二预设时间t(t和t1大小互不影响)，本实施例中，Shutter的打开时间为t2，且t2=t1，因此Shutter的关闭时刻为：t0+t+t2。
本发明除了对电子快门开启和关闭的时刻进行了精确控制之外，还在后端对图像感应器成像的图像进行了处理，使输出图像更清晰，或者自动控制使可视距离更远得到清晰的视频图像，而且输出的是标准的25帧/秒的视频图像。也就是说，高速图像感应器以1万帧/秒的速度采集图像，而摄像系统（即FPGA模块）输出视频图像的标准频率仅为25帧/秒，即FPGA模块每100us输出一次图像，即图像感应器每获取400帧图像，FPGA模块输出一帧图像。
FPGA模块可采用多种方式实现对图像感应器采集的图像进行处理。其中的一种处理方式为将每400帧图像合成一张图像，透视范围S在合成前后不变，但图像清晰度更高，具体过程为：第一步、将摄像装置获取的预设帧视频图像进行加权处理，获取预设帧视频图像的图像像素的平均值；第二步、对所述视频图像进行滤波处理；第三步、提取每帧视频图像的像素信息，将所述预设帧图像合成一张视频图像输出。本实施例中，所述预设帧视频图像为每400帧图像。
其中，在提取每帧视频图像的像素信息，将所述预设帧图像合成一张视频图像输出的实现过程包括：获取每帧图像的像素点，提取每帧图像中较好的像素信息、舍弃较差的像素信息；之后、将所述预设帧图像合成一张视频图像输出；并返回步骤S100，等待DSP处理模块控制控制激光脉冲发生模块下一次输出激光脉冲信号。并且较好的像素信息为像素值超过预设阈值的像素，舍弃的是图像中剩余的像素信息。
本发明提供的另一种处理方式为FPGA模块使透雨雪雾的可视距离更远使图像更清晰，其实现过程为：第一步、根据摄像装置采集视频图像的速率和FPGA模块输出视频图像的速率，确定FPGA模块的图像处理周期；第二步、在每个图像处理周期内，由DSP处理模块以10米为变化单位逐渐增加透视距离；第三步、在一个图像处理周期完成后，将该图像处理周期内的图像进行叠加和滤波处理后合成一帧图像输出；并返回步骤S100。
请一并参阅图2至图4，假设激光脉冲宽度t1不变，则当透视距离r不变时，透视范围S也不变，即S1= S2=S3=S4……。若图像感应器以1万帧/秒的速度采集图像，而摄像系统输出视频图像所需频率为25帧/秒，因此，本发明采用以400帧为一个图像处理周期，每个图像处理周期里DSP处理模块自动控制透视距离r的值以10米为变化单位逐渐增大，而在这图像处理周期里的400帧的图像透视范围S1、S2、S3、S4……也相应逐渐向远方移动。之后，在一个图像处理周期完成后，将400帧图像经过叠加、滤波等处理后合成一张图像，使透视范围变为S使透视范围更远，如图4所示，此时的透视范围S比合成前的S1、S2、S3、S4……的可视距离增大了，从而可得到更加清晰的视频图像。
当然，本发明在FPGA模块对图像数据进行处理时，还可以采用其它方式实现，只要能实现透雨雪雾得到清晰的图像即可。
基于上述的透雨雪雾获取清晰图像的方法，本发明还相应提供一种摄像系统，请参阅图5，其为本发明用于实现透雨雪雾获取清晰图像的方法的摄像系统的框图。
如5所示，本发明的摄像系统包括：激光脉冲发生模块10、摄像装置20、人机交互装置30、显示模块40、DSP处理模块50和FPGA模块60，其中，该DSP处理模块50和FPGA模块60和集成在一块芯片中，激光脉冲发生模块10、摄像装置20、人机交互装置30、显示模块40均为现有的功能模块。所述摄像装置20包括图像感应器、镜头、电子快门等。
本实施例中，所述DSP处理模块50连接激光脉冲发生模块10、摄像装置20和FPGA模块60，用于控制激光脉冲发生模块10输出预设脉冲宽度的激光脉冲信号，当第一预设时间到达时关闭激光脉冲发生模块10；以及，当激光脉冲发生模块10输出激光脉冲信号时，DSP处理模块50控制摄像装置20的电子快门延迟第二预设时间开启，并在第三预设时间到达时关闭所述电子快门；其中，所述第三预设时间为所述激光脉冲信号的预设脉冲宽度的持续时间。
所述FPGA模块60连接摄像装置20、人机交互装置30和显示模块40，使输出图像更清晰，或者使可视距离更远得到清晰的视频图像。
所述人机交互装置30用于设置摄像装置20的透视距离、透视范围和FPGA模块60的处理模式等。在设置FPGA模块的处理模式可以设置上文提及的两种处理模式，也可以设置其它处理模式，只要能得到清晰的图像即可。
具体实施时，所述FPGA模块60包括：加权处理单元、滤波单元和图像合成单元。其中，所述加权处理单元用于将摄像装置20获取的预设帧视频图像进行加权处理，获取预设帧视频图像的图像像素的平均值。所述滤波单元用于对所述视频图像进行滤波处理。所述图像合成单元用于提取每帧视频图像的像素信息，将所述预设帧图像合成一张视频图像输出。具体请参阅上述实施例。
由于FPGA模块60具有多种工作模式，因此所述FPGA模块60还包括：图像处理周期获取单元、自动调节单元和图像处理单元。其中，所述图像处理周期获取单元，用于根据摄像装置20采集视频图像的速率和FPGA模块60输出视频图像的速率，确定FPGA模块60的图像处理周期。所述自动调节单元，用于在每个图像处理周期内，由DSP处理模块50以10米为变化单位逐渐增加透视距离。所述图像处理单元用于在一个图像处理周期完成后，将该图像处理周期内的图像进行叠加和滤波处理后合成一帧图像输出。具体请参阅上述实施例。
综上所述，本发明即能穿透雨雪雾获取清晰的图像，又能扩展透视范围，在摄像监控领域的一大进步，能够广泛到应用到实际的民用、军事等各个领域中，而且本发明在不增加硬件成本的前提下，增强了图像的清晰度，适应推广运用。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种透雨雪雾获取清晰图像的方法，其特征在于，包括：
A0、设置摄像装置的透视距离、透视范围和FPGA模块的处理模式；在摄像系统开启时，系统各模块和变量初始化，并开启外部中断服务程序、定时中断程序；其中，外部中断服务程序用于使人机交互装置接收到人机交互控制命令，并清零中断标志位，向DSP处理模块和FPGA模块返回中断信号；定时中断程序用于实现对激光脉冲和电子快门的控制，并对各信息的时间点进行标记，包括标记激光脉冲信号输出时间点、第一预设时间、第二预设时间、第三预设时间；
A、由DSP处理模块控制激光脉冲发生模块输出预设脉冲宽度的激光脉冲信号，并在第一预设时间到达时关闭激光脉冲发生模块；
B、当激光脉冲发生模块输出激光脉冲信号时，DSP处理模块控制摄像装置的电子快门延迟第二预设时间开启，并在第三预设时间到达时关闭所述电子快门；其中，所述第三预设时间为所述激光脉冲信号的预设脉冲宽度的持续时间；
C、由FPGA模块对摄像装置获取的视频图像进行处理，使输出图像更清晰，或者使可视距离更远得到清晰的视频图像；并返回步骤A；其中，由FPGA模块对摄像装置获取的视频图像进行处理，使输出图像更清晰的步骤具体包括：
C11、将摄像装置获取的预设帧视频图像进行加权处理，获取预设帧视频图像的图像像素的平均值；
C12、对所述视频图像进行滤波处理；
C13、提取每帧视频图像的像素信息，将所述预设帧图像合成一张视频图像输出；
所述步骤C中，FPGA模块输出的是25帧/秒的视频图像，也就是说，高速图像感应器以1万帧/秒的速度采集图像，而FPGA模块输出视频图像的频率为25帧/秒，即图像感应器每获取400帧图像，FPGA模块输出一帧图像。
2.根据权利要求1所述的透雨雪雾获取清晰图像的方法，其特征在于，所述步骤C13具体包括：
C131、获取每帧图像的像素点，提取每帧图像中较好的像素信息、舍弃较差的像素信息；
C132、将所述预设帧图像合成一张视频图像输出；并返回步骤A。
3.根据权利要求1所述的透雨雪雾获取清晰图像的方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
C21、根据摄像装置采集视频图像的速率和FPGA模块输出视频图像的速率，确定FPGA模块的图像处理周期；
C22、在每个图像处理周期内，由DSP处理模块以10米为变化单位逐渐增加透视距离；
C23、在一个图像处理周期完成后，将该图像处理周期内的图像进行叠加和滤波处理后合成一帧图像输出；并返回步骤A。
4.根据权利要求1所述的透雨雪雾获取清晰图像的方法，其特征在于，所述第二预设时间由以下公式计算获得：
t=2×H×r/c
其中，H为DSP处理模块的频率，r为透视距离、且r以10米为单位变化，c为光传播速度。
5.根据权利要求1所述的透雨雪雾获取清晰图像的方法，其特征在于，所述预设脉冲宽度由以下公式计算获得：
t1=2×S/c
其中，S为透视范围，c为光传播速度。
6.一种用于实现权利要求1所述透雨雪雾获取清晰图像的方法的摄像系统，其特征在于，包括：
DSP处理模块，用于控制激光脉冲发生模块输出预设脉冲宽度的激光脉冲信号，并在第一预设时间到达时关闭激光脉冲发生模块；以及，当激光脉冲发生模块输出激光脉冲信号时，DSP处理模块控制摄像装置的电子快门延迟第二预设时间开启，并在第三预设时间到达时关闭所述电子快门；其中，所述第三预设时间为所述激光脉冲信号的预设脉冲宽度的持续时间；
FPGA模块，用于对摄像装置获取的视频图像进行处理，使输出图像更清晰，或者使可视距离更远得到清晰的视频图像；
人机交互装置，用于设置摄像装置的透视距离、透视范围和FPGA模块的处理模式；在摄像系统开启时，系统各模块和变量初始化，并开启外部中断服务程序、定时中断程序；其中，外部中断服务程序用于使人机交互装置接收到人机交互控制命令，并清零中断标志位，向DSP处理模块和FPGA模块返回中断信号；定时中断程序用于实现对激光脉冲和电子快门的控制，并对各信息的时间点进行标记，包括标记激光脉冲信号输出时间点、第一预设时间、第二预设时间、第三预设时间；
所述FPGA模块包括：
加权处理单元，用于将摄像装置获取的预设帧视频图像进行加权处理，获取预设帧视频图像的图像像素的平均值；
滤波单元，用于对所述视频图像进行滤波处理；
图像合成单元，用于提取每帧视频图像的像素信息，将所述预设帧图像合成一张视频图像输出；
FPGA模块输出的是25帧/秒的视频图像，也就是说，高速图像感应器以1万帧/秒的速度采集图像，而FPGA模块输出视频图像的频率为25帧/秒，即图像感应器每获取400帧图像，FPGA模块输出一帧图像。
7.根据权利要求6所述的摄像系统，其特征在于，所述FPGA模块还包括：
图像处理周期获取单元，用于根据摄像装置采集视频图像的速率和FPGA模块输出视频图像的速率，确定FPGA模块的图像处理周期；
自动调节单元，用于在每个图像处理周期内，由DSP处理模块以10米为变化单位逐渐增加透视距离；
图像处理单元，用于在一个图像处理周期完成后，将该图像处理周期内的图像进行叠加和滤波处理后合成一帧图像输出。
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