0 引言

　　監(jiān)控?cái)z像機(jī)成像依靠的光學(xué)成像傳感器主要是感應(yīng)外界光線并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在光線比較暗甚至沒(méi)有光線情況下一般都是通過(guò)拉大曝光時(shí)間、放大增益值來(lái)看物體，但這時(shí)候的圖像噪點(diǎn)很大，不能滿足安防監(jiān)控的要求。于是給攝像機(jī)所照環(huán)境補(bǔ)光就是最直接的方法了，補(bǔ)光一般是用紅外光，因?yàn)榧t外光人眼不易捕捉，但是攝像機(jī)的光學(xué)成像傳感器是能感應(yīng)紅外光的[1-3]，通過(guò)人為加紅外光相當(dāng)于增強(qiáng)外界光線，這樣甚至能夠達(dá)到外界環(huán)境完全無(wú)光的情況下監(jiān)控。但是目前在實(shí)際應(yīng)用中紅外球形攝像機(jī)的補(bǔ)光系統(tǒng)依然存在著以下兩個(gè)問(wèn)題：(1)補(bǔ)光燈一般由多個(gè)紅外燈串聯(lián)而成，而且普通紅外球形攝像機(jī)的紅外燈光強(qiáng)是按最遠(yuǎn)距離設(shè)計(jì)的，一旦紅外燈開(kāi)啟，其工作電流就會(huì)比較大，功耗自然就大，發(fā)熱嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)導(dǎo)致紅外燈壽命下降，而紅外燈的壽命直接決定了紅外球形攝像機(jī)的壽命；(2)在監(jiān)控近距離物體時(shí)會(huì)因?yàn)榧t外燈亮度過(guò)強(qiáng)、發(fā)光角度過(guò)于集中而產(chǎn)生圖像中心過(guò)曝現(xiàn)象[4]。

　　本文在STM32F103微控制器內(nèi)部集成的脈寬調(diào)制器以及高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)器PT4115相結(jié)合的硬件平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一種亮度可調(diào)的新型紅外球形攝像機(jī)補(bǔ)光系統(tǒng)，從而改善紅外球球形攝像機(jī)夜視監(jiān)控效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件分析

　　如圖1所示，本系統(tǒng)硬件部分主要由主控芯片STM32F103、CCD攝像頭、電源驅(qū)動(dòng)芯片PT4115、紅外燈板以及控制鍵盤(pán)等組成。其中電源、晶振和STM32組成ARM單片機(jī)的最小系統(tǒng)，控制鍵盤(pán)通過(guò)RS485口實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD攝像頭的控制，鏡頭安裝在紅外燈板中心。

　　1.1 PWM發(fā)生模塊設(shè)計(jì)

　　PWM調(diào)光是一種利用簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開(kāi)關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光技術(shù)。本系統(tǒng)采用了意法半導(dǎo)體公司基于ARM Cortex—M3內(nèi)核的STM32F103作為PWM發(fā)生器。STM32F103具有2個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器和2個(gè)基本定時(shí)器，除了TIM6和TIM7之外，其他的定時(shí)器都可以用來(lái)產(chǎn)生PWM輸出[5]，本設(shè)計(jì)選用通用定時(shí)器TIM3，由APB1總線提供時(shí)鐘，向上(增)計(jì)數(shù)，不同占空比的取值存儲(chǔ)在每個(gè)通道的捕獲比較寄存器TIM3_CCR2中，編程時(shí)通過(guò)改變?cè)摷拇嫫鞯闹祦?lái)改變PWM 波的占空比。在硬件電路上將STM32的PWM發(fā)生引腳PA7連接至PT4115芯片的DIM引腳。

　　1.2 紅外燈板驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

　　紅外燈驅(qū)動(dòng)芯片采用了PowTech公司的PT4115，該芯片是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，采用6～30 V寬電壓輸入，輸出電流可達(dá)1.2 A，內(nèi)置功率開(kāi)關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED的平均電流，可接受模擬和PWM兩種調(diào)光方式，并且該芯片還具有過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流、LED開(kāi)路保護(hù)等多種功能，非常適合用于綠色照明LED燈的驅(qū)動(dòng)電路[6]。

　　模塊原理圖如圖2所示，當(dāng)在PT4115的DIM管腳輸入可變占空比的PWM信號(hào)時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍的調(diào)光，此時(shí)流過(guò)串聯(lián)紅外LED燈的平均電流由連接在管腳VIN和CSN兩端的電阻Rs以及輸入的PWM信號(hào)占空比決定。計(jì)算公式如下所示。

　　當(dāng)脈沖電平在2.5 V～5 V之間時(shí)：

　　當(dāng)脈沖電平小于2.5 V時(shí)，則：

　　為了保證LED輸出電流精度在5%左右，采樣電阻的精度必須保證，本設(shè)計(jì)選擇了阻值為0.2 Ω、精度為1%的貼片電阻。為了減小輸出電流紋波，本設(shè)計(jì)在LED 的兩端并聯(lián)了一個(gè)容量為220 ?滋F、耐壓值為35 V的鋁電解電容。為了使恒流的效果好一些，在電流能力滿足要求的前提下，電感則需取得大一些，本設(shè)計(jì)選擇的電感量為67 H。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　在夜晚或光線暗淡環(huán)境下，紅外球形攝像機(jī)為獲得更清晰的監(jiān)控效果，隨著被拍攝物體距離鏡頭越遠(yuǎn)對(duì)紅外燈亮度的要求就越高。而由鏡頭透射的原理可知攝像機(jī)為獲取圖像的最佳效果，當(dāng)被拍攝物體距離越遠(yuǎn)則鏡頭相應(yīng)變焦倍數(shù)就會(huì)越大，即：

　　式中，f表示鏡頭的焦距，D為物距(鏡頭與被拍攝物體之間的距離)，h為CCD鏡頭成像的高度，H為被攝物體的高度。那么根據(jù)以上原理可以設(shè)計(jì)一個(gè)紅外燈亮度與鏡頭倍率相匹配的紅外球形攝像機(jī)補(bǔ)光系統(tǒng)。軟件實(shí)現(xiàn)流程圖見(jiàn)圖3。

　　其中軟件實(shí)現(xiàn)部分有兩個(gè)關(guān)鍵處：一是獲取監(jiān)控鏡頭的實(shí)時(shí)放大倍數(shù)，為紅外燈亮度的改變找到依據(jù)；二是紅外燈亮度與鏡頭倍率匹配的曲線選擇。

　　2.1 獲取CCD鏡頭實(shí)時(shí)倍數(shù)

　　CCD鏡頭通過(guò)RS232與電路主板進(jìn)行通信，當(dāng)主板串口接收到對(duì)鏡頭進(jìn)行放大或縮小的控制命令后，相應(yīng)的標(biāo)志位進(jìn)行置位。通過(guò)判斷該標(biāo)志位就可以實(shí)時(shí)查詢鏡頭的放大倍數(shù)是否已經(jīng)改變，而一旦鏡頭放大倍數(shù)改變，此時(shí)為了使紅外燈亮度與之匹配，就必須立即獲取當(dāng)前的鏡頭放大倍數(shù)。

　　具體做法：以Sony FCB-EX480B機(jī)芯為例，根據(jù)Sony VISCA協(xié)議，通過(guò)串口向機(jī)芯發(fā)送查詢代碼8x 09 04 47 FF，其中x=1~7，對(duì)應(yīng)紅外球形攝像機(jī)的地址，F(xiàn)F表示命令包的結(jié)束。為防止發(fā)送的數(shù)據(jù)丟失出錯(cuò)，此處使用for循環(huán)語(yǔ)句進(jìn)行多次重復(fù)發(fā)送。然后接收反饋代碼，命令包為y0 50 0p 0q 0r 0s FF，其中pqrs即為Zoom Position，最后把此值與機(jī)芯數(shù)據(jù)手冊(cè)中焦距表對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)進(jìn)行比較，從而獲得當(dāng)前鏡頭放大倍數(shù)。

　　2.2 紅外燈亮度與鏡頭倍率匹配曲線算法實(shí)現(xiàn)

　　在實(shí)際應(yīng)用中，如果加在紅外燈兩端的平均電流變化是線性的，那么通過(guò)人眼觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)紅外燈板亮度變化非線性非常嚴(yán)重，暗處變化非?？?，而亮處變化很難察覺(jué)。這正符合韋伯－費(fèi)西納(Weber-Fechnet)定律，該定律說(shuō)明人的一切感覺(jué)，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、膚覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、電擊覺(jué)等，都遵從感覺(jué)不是與對(duì)應(yīng)物理量的強(qiáng)度成正比，而是與對(duì)應(yīng)物理量的強(qiáng)度的常用對(duì)數(shù)成正比的[7]，即：

　　S=K×lgR(4)

　　式中S是感覺(jué)強(qiáng)度，R是刺激強(qiáng)度，K為常數(shù)。因此可根據(jù)這一定律，相應(yīng)地改變紅外燈的亮度。具體做法：常數(shù)K值根據(jù)實(shí)際調(diào)光分級(jí)求出，在本設(shè)計(jì)中由于所選取的鏡頭型號(hào)為SONY FCB-EX480B，它的光學(xué)變倍為18倍，因此分成18級(jí)亮度，即S=18， PWM分辨率設(shè)為65 535(16位)即R=65 536，套用式(4)可求出K值。然后在已知常數(shù)K的前提下，對(duì)應(yīng)每一亮度即鏡頭放大倍數(shù)等級(jí)S，應(yīng)用公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的R值(即PWM值)，如圖4所示。

　　根據(jù)上述調(diào)光曲線圖取得放大倍數(shù)相對(duì)應(yīng)的PWM值后，若出現(xiàn)鏡頭變倍信號(hào)則更新相應(yīng)的捕獲比較寄存器TIM3_CCR2，至此整個(gè)PWM更新占空比過(guò)程結(jié)束。當(dāng)計(jì)數(shù)器復(fù)位時(shí)，一個(gè)新的周期立即開(kāi)始，紅外燈亮度也隨之立刻變化，從而實(shí)現(xiàn)了紅外燈亮度與鏡頭倍率同步匹配。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　為驗(yàn)證本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，分別做了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一是對(duì)不同控制方法下的紅外燈板發(fā)熱情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。本實(shí)驗(yàn)采用的紅外燈板由12個(gè)42 mil 點(diǎn)陣式紅外LED燈組成，在鏡頭2倍光學(xué)變倍條件下，運(yùn)行紅外球形攝像機(jī)2 h，在此過(guò)程中測(cè)量紅外燈板的溫升情況，外界溫度為21.6 ℃，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

　　由表1可見(jiàn)，總體而言紅外燈板在前15 min溫升比較快，之后溫升趨于平緩。而對(duì)比新舊控制算法下的紅外燈板溫升情況，可以看出本設(shè)計(jì)的補(bǔ)光系統(tǒng)紅外燈板在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后溫度明顯低于舊的，差值大約在19 ℃，而且溫度的下降也表明相同倍數(shù)下LED燈板能耗的下降，因此該設(shè)計(jì)不僅較明顯地改善了紅外球機(jī)的發(fā)熱嚴(yán)重問(wèn)題，也達(dá)到了對(duì)紅外球機(jī)節(jié)能的效果。

　　實(shí)驗(yàn)二是測(cè)試近距離低倍數(shù)條件下采集圖像效果實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)采用的攝像頭型號(hào)為Sony FCB-EX480B，具體參數(shù)如下：圖像傳感器為1/4 Inch Exview HAD CCD，18倍光學(xué)變焦，光通量F=1.4～3.0，像素為752 H×582 V（dpi），水平解析度為480 TVL。實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為相同低照度環(huán)境下，運(yùn)行紅外球形攝像機(jī)以相同倍數(shù)采集同一物體，攝像頭其他參數(shù)默認(rèn)設(shè)置一致。采集得到圖5所示兩幅圖像，其中左側(cè)圖像為原紅外球形攝像機(jī)在2倍光學(xué)變焦下采集得到圖像，右側(cè)是同樣倍數(shù)下，安裝了新補(bǔ)光系統(tǒng)的紅外球形攝像機(jī)采集到的圖像。對(duì)比可明顯看到，左側(cè)圖像出現(xiàn)中心過(guò)曝現(xiàn)象，導(dǎo)致箱子表面文字圖案完全看不清楚，而右側(cè)圖像相對(duì)左側(cè)而言可以明顯看到箱體表面的圖案，而且光線亮度適中，整幅圖中心未出現(xiàn)光暈現(xiàn)象。由此可得出運(yùn)用了新補(bǔ)光系統(tǒng)的紅外球形攝像機(jī)很好地避免了圖像出現(xiàn)中心過(guò)曝現(xiàn)象。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的紅外球形攝像機(jī)補(bǔ)光系統(tǒng)是基于紅外燈亮度與鏡頭放大倍數(shù)相匹配而設(shè)計(jì)的，在采集圖像時(shí)根據(jù)當(dāng)前放大倍數(shù)，通過(guò)改變相應(yīng)的PWM占空比從而改變流過(guò)紅外燈的電流大小，與市面上普通紅外球形攝像機(jī)的補(bǔ)光系統(tǒng)在任何倍數(shù)下紅外燈輸出的都是最大亮度相比，本設(shè)計(jì)在相同倍數(shù)下降低了紅外燈的亮度，有效地節(jié)約了能耗，特別是降低了紅外燈板的發(fā)熱，并大大改善了由于紅外燈亮度在低倍數(shù)下過(guò)亮而造成的近距離采集圖像中心過(guò)曝現(xiàn)象。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該補(bǔ)光系統(tǒng)效果理想，可應(yīng)用于多種安防夜視監(jiān)控產(chǎn)品中。

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