船用视频图像增强装置的模块化设计

彭晓钧，谢仁富，刘 畅，朱 俊

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064)

0 引 言

获取高质量的视频图像是船用视频监控系统需要实现的最重要功能。在很多情况下，由于船用环境的复杂性，视频图像更容易遭受外部因素的干扰，如天气恶化、环境照度不足以及成像介质的影响等，仅依靠视频监控设备自身的能力难以取得理想效果。因此，有必要辅助一定的图像增强手段来提高终端视频图像的清晰度［1］。

目前，图像增强技术在船用视频监控系统中也有一定的应用，其应用形式多为在前端摄像设备或后端控制存储设备(如硬盘录像机)中以芯片或处理板的方式植入图像增强功能。上述应用形式在实际工程中存在如下问题:

1)系统设备选型受限。由于图像增强功能固化在前端或后端设备中，在系统设计时，只能在现有的有限几种型号中选型，同时对现有系统升级改造需要大量更换现有设备。

2)图像增强功能单一。由于设备在出厂时图像增强功能已被固化，但监控现场的需求往往多种多样，难以满足多样化的工程实际应用需求。

3)增强算法鲁棒性较差。同一套算法实现的图像增强功能往往需要根据不同的场景对算法参数进行优化调整，而设备图像增强功能的固化，使得用户无法针对实际的监控场景调整增强参数，难以达到最佳增强效果。这就要求必须采用一种更加新颖且比较经济的手段来解决日益紧迫且普遍存在的这种问题。

1 视频图像增强系统组成

现有的视频监控系统主要包括前端视频采集设备(如摄像机等)、传输网络(如以太网、光缆、同轴视频传输线等)、终端显示设备(如监视器、电视墙等)和终端存储设备 (如DVR (Digital Video Recorder，硬盘录像机)、NVR (Network Video Recorder，网络硬盘录像机)、IP- SAN (IP Storage Area Network，存储局域网络)等［2］。

“模块化视频图像增强装置”作为一个独立的设备，提供标准的视频输入、输出接口，可无缝集成到现有的船用视频监控体系结构中。其在船用视频监控架构中的位置如图1所示。

图1 视频图像增强系统组成框图Fig.1 The diagram of image enhancement system

2 视频图像增强装置的硬件结构设计

视频图像增强装置主要包括“供电电源模块”、“视频图像增强模块”和“参数调节模块”，其前视图和后视图如图2所示。

“供电电源模块”安装在本装置底部的绝缘安装板上，电源输入为220 VAC，通过电缆接头与外部连接，电源模块主要实现AC/DC、DC/DC 功能，能稳定可靠地给各个“视频图像增强模块”和“参数调节模块”供电。

图2 模块化视频图像增强装置结构图Fig.2 The structure outline of modular image enhancement equipment

“视频图像增强模块”安装在插板上，通过导槽板上的导轨，插板可方便快捷地安装在本装置的后面板上。一个“视频图像增强模块”带有多路一对一的视频输入、输出端口，根据需要可提供诸如BNC、色差、S 端子、RJ45 等不同类型的视频接口。“视频图像增强模块”基于功能强大的ARM+DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)嵌入式硬件平台(如TI DVM6467T)开发，确保能实时对输入的多路PAL 或NTSC 制式视频信号进行处理，并将增强后的视频图像传输至输出端口。每个“视频图像增强模块”具有特定的功能，船用“视频图像增强装置”可以根据实际需要在导槽板内安装各种功能的“视频图像增强模块”，从而获得不同组合的视频图像增强功能，进而实现对前端视频采集设备所获取的复杂多样的视频图像实现图像增强功能［3］。

“参数调节模块”安装在本装置的前面板上，它提供人机交互接口:键盘单元和显示单元，同时还带有一个旁路单元。“参数调节模块”通过总线方式(比如RS-485)与各个“视频图像增强模块”连接。用户通过显示模块可以查阅当前某个“视频图像增强模块”内各种算法的参数，如有必要，用户可通过键盘来修改任一种算法的参数。同时，“参数调节模块”还具有旁路“视频图像增强模块”的功能，也就是说，若视频监控现场临时不需要对连接至某个“视频图像增强模块”中的几路视频信号进行增强处理，按下该“视频图像增强模块”对应的“旁路”按钮，即可“旁路”掉对应的“视频图像增强模块”，这样就可将这几路视频信号从“视频图像增强模块”的视频输入端口“直通”到视频输出端口，从而直接传输至下一级设备。

视频图像增强装置采用统一标准的模块化设计结构，每个“视频图像增强模块”均采用导轨插板安装方式，因此具有快拆功能。

3 视频图像增强装置的软件功能设计

“视频图像增强模块”采用开源的LINUX 操作系统开发并定义了标准化的软件协议接口，因此具有良好的兼容性和开放性。“视频图像增强模块”的功能由该模块内固化的图像增强算法决定，因此可以方便地为每个“视频图像增强模块”设定不同的功能［4］。比如可定义第1个“视频图像增强模块”具有直方图修正功能、第2个具有对比度增强功能、第3个具有动态范围调整功能、第4个具有色彩恢复功能、第5个具有雾霾去除功能……。因此，视频图像增强装置具有“模块化”的软件功能［5］。

同时，“视频图像增强模块”具有“图像质量评价”的功能。可根据用户的要求， “自动”或“手动”使用本模块内部集成的算法逐一对本模块所输入每一路视频图像进行增强处理，然后基于图像质量客观评价标准［6］(比如对比度熵信息)对每种增强效果做出客观评价，根据评价结果为每路输入视频选择最佳的图像增强算法。

另外，可通过前面板的“参数调节模块”随时优化调整任意一个“视频图像增强模块”内置算法的重要参数，以达到最佳增强效果。

这样，在对船用视频监控系统进行设备选型或升级改造时，就可根据监控现场的实际需求选用具有不同“视频图像增强模块”组合的视频图像增强装置，从而满足监控现场需求的多样性。

4 试验结果

在本试验中，选取视频图像增强装置中具有雾霾去除功能的“视频图像增强模块”，然后抽取前端摄像机采集的7 组视频样本和3 组图片样本进行增强处理，最后采用主观评价和客观评价相结合的方法来对图像增强效果进行评价。

主观评价采用国际上通行的5 级评分的质量尺度和妨碍尺度。选取10 位非图像处理领域的人员作为评价人员，对样本处理结果分别进行亮度评价、清晰度评价和去雾效果评价，最后对试验者的打分进行归一化平均［7］。

客观评价选用拉普拉斯评价因子对图像清晰度进行评价。要计算一整幅图像的拉普拉斯评价因子，需要进行如下计算:

1)计算某点的拉普拉斯算子，它用点(x，y)及其周围4个像素点的灰度信息来表示，方法如式(1)所示:

式中f(x，y)为某点(x，y)的灰度值。

2)计算整幅图像中各点拉普拉斯梯度的平方和，方法如式(2)所示:

图像尺寸为M×N。

3)开方并求均值，得到的就是表征图像清晰度的拉普拉斯评价因子:

一幅图像越清晰，轮廓越鲜明，则每个像素点附近的灰度值变化越大，G 值就越大。通过计算10组样本原始图像和图像增强后图像的G 值，对图像增强效果进行客观评价［8］。

增强处理前后的样本截图如图3所示。

图3 具有雾霾去除功能的“视频图像增强模块”处理效果Fig.3 The original and processed screenshots by using image enhancement module with defogging algorithm

7 组视频样本和3 组图片样本增强处理前后综合主观评价结果如表1所示，增强处理前后综合客观评价结果如表2所示。

表1 全部样本综合主观评价结果统计表Tab.1 The statistics of objective quality assessment

表2 全部样本综合客观评价结果记录表Tab.2 The statistics of subjective quality assessment

不难看出，具有雾霾去除功能的“视频图像增强模块”对雾霾视频及图片的处理效果显著，取得了令人满意的效果。

5 结 语

船用视频图像增强装置在硬件结构和软件功能设计时均采用统一标准的模块化设计思想，因此具有扩展能力强，后期维护、升级便捷等优点。本装置已成功应用到其型船的安全防范系统中。船用环境下的试验结果表明:该装置工作稳定可靠，可对各种复杂环境下所采集的视频图像进行有效的增强处理，在终端获得清晰度较高的视频图像。

另外，船用视频图像增强装置还具有良好的经济前景，其模块化的设计思想令其可广泛应用于其它工业视频监控领域。

［1］彭晓钧.基于CPLD的船用视频切换及基带传输系统［J］.电子技术应用，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］彭晓钧.基于LAN的船用综合数据采集与视频监控系统［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］彭晓钧，李文甫.船用OSD和双绞线传输系统的模块化设计［J］.电视技术，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］彭晓钧，冯学超.海水深度测量系统研究［J］.压电与声光，2013，35(2):293-296.PENG Xiao-jun，FENG 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.