李成勇，應(yīng)春霞，胡晶晶

(重慶工程學(xué)院 電子信息學(xué)院，重慶 400056)

引言

毛玻璃也叫霧面玻璃、防眩玻璃等，是用金剛砂等磨過(guò)或以化學(xué)方法處理過(guò)的一種表面粗糙不平整的半透明玻璃，毛玻璃表面不平整，光線通過(guò)毛玻璃被反射后向四面八方射出去，因?yàn)槊ＡП砻娌皇枪饣钠矫?，使光產(chǎn)生了漫反射，折射到視網(wǎng)膜上已經(jīng)是不完整的像，于是就看不見(jiàn)玻璃背后的圖像。毛玻璃對(duì)于不同光波段的成像影響差別比較大，常見(jiàn)的成像光波段有可見(jiàn)光、紫外光、紅外光。紫外光波長(zhǎng)較短，吸收大，穿透深度短，常用于透射皮膚等物質(zhì)成像。毛玻璃因?yàn)橛兴壬倭侩s質(zhì)，紫外光相對(duì)于可見(jiàn)光在穿透毛玻璃時(shí)有著較高的吸收，因此穿透毛玻璃成像選擇透射率高的可見(jiàn)光，毛玻璃對(duì)可見(jiàn)光而言表面平整，吸收弱，折射率低。

穿透毛玻璃成像技術(shù)，是通過(guò)光電圖像傳感器捕捉視頻圖像，進(jìn)行圖像信息采集，可以獲取人類視覺(jué)上看不到的圖像信息，讓更多的潛在信息被捕捉到。獲取到的圖像信息可能由于采集環(huán)境影響，或多或少有部分缺失，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理軟件，后期加工處理優(yōu)化，使圖像接近于真實(shí)。因此，應(yīng)用光電成像技術(shù)可以讓攝像頭成為識(shí)別更廣的“人眼”，獲取更多的人眼無(wú)法分辨的信息，與計(jì)算機(jī)結(jié)合，把捕獲到的圖像信息快速存貯顯示[4]，彌補(bǔ)人視覺(jué)短暫的接受能力，達(dá)到“過(guò)目不忘”。

為了有效應(yīng)用光電圖像技術(shù)，針對(duì)可見(jiàn)光成像原理，本文設(shè)計(jì)了CMOS成像系統(tǒng)，在成像系統(tǒng)中加入輔助照明，在去除紅外光的影響條件下，對(duì)可見(jiàn)光成像，采集到的圖像采用快速迭代圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)透過(guò)毛玻璃對(duì)目標(biāo)物體成像。

1 系統(tǒng)方案的選擇與描述

目前，光電圖像傳感器應(yīng)用比較廣泛，主要有兩類：電荷耦合器件(即CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器(即CMOS)。CCD圖像傳感器集成度比較低，在應(yīng)用時(shí)需要加外部輔助電路，生產(chǎn)成本高，內(nèi)置圖像采集處理芯片是專用芯片，傳感器體積比較大。而CMOS圖像傳感器不需要外部輔助電路，生產(chǎn)成本相對(duì)較低，內(nèi)置圖像采集處理芯片是通用芯片，傳感器體積比較小，應(yīng)用方便。因此本系統(tǒng)選用CMOS圖像傳感器作為成像系統(tǒng)的圖像采集器件。

可見(jiàn)光成像系統(tǒng)主要有CMOS成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)圖像采集處理兩部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。毛玻璃與目標(biāo)物之間的最遠(yuǎn)距離為5 cm，兩者對(duì)齊，成像系統(tǒng)與毛玻璃之間的距離為 20 cm～25 cm。 CMOS成像系統(tǒng)把穿透毛玻璃的目標(biāo)物所成的像進(jìn)行采集，發(fā)送圖像到計(jì)算機(jī)進(jìn)行增強(qiáng)算法優(yōu)化處理。

圖1 可見(jiàn)光成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of visible light imaging system

CMOS 成像系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要有時(shí)序發(fā)生控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、圖像傳感器CMOS、A/D轉(zhuǎn)換電路、同步信號(hào)發(fā)生、A/D轉(zhuǎn)換電路。

圖2 CMOS 成像系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Circuit structure of CMOS imaging system

時(shí)序發(fā)生電路輸出CMOS工作所需要的時(shí)序；驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)CMOS工作；圖像傳感器CMOS將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后逐個(gè)像素輸出；A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)CMOS信號(hào)數(shù)字化。

同步信號(hào)產(chǎn)生控制CMOS信號(hào)采樣的時(shí)序，從而對(duì)CMOS輸出信號(hào)進(jìn)行精確采樣，減小噪聲和誤差。

CMOS信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)和由時(shí)序發(fā)生電路提供的同步信號(hào)共同組成一組并行信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)線輸出到圖像處理及顯示部分，由后續(xù)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和顯示。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 采集與控制部分分析

攝像頭主要由電腦USB端供電，當(dāng)電路板上信號(hào)燈亮起，則表示電源接通，可開始正常工作，用MATLAB編寫程序進(jìn)行控制。發(fā)出指令后，攝像頭開始拍照，并將攝取的圖片傳回電腦端，攝像頭參數(shù)如表1所示。

表1 攝像頭參數(shù)

關(guān)于采集攝像頭其他參數(shù)要求：

1) 自動(dòng)對(duì)焦鏡頭，感光器像素為800萬(wàn)。

2) 成像距離，建議是3 cm～30 cm，使用距離最佳。

3) 免驅(qū)動(dòng)，直接插上就會(huì)自動(dòng)裝驅(qū)動(dòng)， 標(biāo)準(zhǔn)UVC免驅(qū)協(xié)議。

4) USB 2.0攝像頭，建議使用1 m以內(nèi)的線，盡量不要太長(zhǎng)，以免影響傳輸信號(hào)。

2.2 迭代圖像增強(qiáng)算法

圖像采集過(guò)程中由于光照太強(qiáng)或不足都會(huì)影響獲取的圖像質(zhì)量，對(duì)顯示和分析圖像造成困難，一般對(duì)采集到的圖像進(jìn)行增強(qiáng)操作。

一副圖像S(x,y)可以分解成反射圖像R(x,y)和亮度圖像L(x,y)，其原理如圖3所示。

圖3 圖像構(gòu)成Fig.3 Image composition

由圖3可知，進(jìn)入CMOS成像系統(tǒng)中的圖像用下式表示：

S(x,y)=R(x,y)·L(x,y)

(1)

式中：L(x,y)是入射光圖像，這個(gè)參數(shù)決定圖像像素能夠達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍；R(x,y)是物體對(duì)光的反射屬性，是內(nèi)部屬性；S(x,y)是反射光圖像，即采集到人眼能夠看到的圖像。求解S(x,y)，采用近似估計(jì)方法計(jì)算，處理過(guò)程如圖4所示。

圖4 圖像處理過(guò)程Fig.4 Image processing process

由此得出圖像處理算法公式為

(2)

把公式進(jìn)行變換后得：

r(x,y)=log30S(x,y)-log30[F(x,y)*

S(x,y)]

(3)

式中：r(x,y)是輸出圖像；*表示卷積運(yùn)算；F(x,y)是中心環(huán)繞函數(shù)，其計(jì)算公式為

(4)

式中：C是中心環(huán)繞尺度系數(shù)；λ表示一個(gè)尺度系數(shù)，取值滿足以下條件：

(5)

從以上公式中可得出，卷積是計(jì)算空間中的照度圖像，表示估計(jì)出圖像像素點(diǎn)與周圍加權(quán)平均的照度變化。去掉其照度變化，只保留反射屬性，達(dá)到圖像增強(qiáng)效果。

可見(jiàn)光成像系統(tǒng)采集到的圖像由于陰影遮擋和光照不均導(dǎo)致失真較大，采用改進(jìn)迭代圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行處理，效果更好。

在(1)式中L(x,y)是亮度圖像，一般在原始輸入圖像中，按照一定路徑或規(guī)則選擇一些像素點(diǎn)，這些像素點(diǎn)就是估計(jì)的亮度圖像。由于選擇路徑不同，亮度圖像也不一樣，圖像增強(qiáng)效果會(huì)有差異，因此選擇亮度圖像的像素點(diǎn)很關(guān)鍵。為了避免某一點(diǎn)亮度變化過(guò)大，采用迭代圖像增強(qiáng)算法，公式為

(6)

(7)

式中：Δl表示單點(diǎn)的亮度差；max表示像素點(diǎn)最大值。經(jīng)過(guò)n次迭代后，rn+1(x,y)就是增強(qiáng)圖像亮度后的輸出值。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

依照光電圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)選用圖像感光器元件為CMOS成像系統(tǒng)以及后端讀取和處理電路，攝像頭主要由電腦USB端供電，當(dāng)電路板上信號(hào)燈亮起，則表示電源接通，可開始正常工作，用MATLAB編寫程序進(jìn)行控制。發(fā)出指令后，攝像頭開始拍照，并將攝取的圖片傳回電腦處理部分，由MATAB軟件編程實(shí)現(xiàn)，穿透毛玻璃的可見(jiàn)光成像系統(tǒng)電路實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 可見(jiàn)光成像系統(tǒng)電路實(shí)物圖Fig.5 Physical circuit diagram of visible light imagingsystem

3.2 程序設(shè)計(jì)

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，選用800萬(wàn)像素的感光器，連接到自行設(shè)計(jì)的電路板上，由計(jì)算機(jī)USB端口5V電壓直接供電，利用MATLAB軟件編寫程序，對(duì)電路板芯片發(fā)出拍照指令，芯片控制攝像頭攝取照片，并傳回計(jì)算機(jī)，采用迭代圖像增強(qiáng)優(yōu)化算法進(jìn)行處理，算法流程如圖6所示。

圖6 圖像增強(qiáng)優(yōu)化算法流程圖Fig.6 Flow chart of image enhancement optimizationalgorithm

MATLAB是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，也是一款可用于采集圖像和有效切割的編程可視化軟件。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試方案

無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還是在實(shí)驗(yàn)室外場(chǎng)地，光線亮度差異很大，由于CMOS成像且透鏡尺寸為1/32″，室外圖像采集會(huì)較差一些，因此選擇在實(shí)驗(yàn)室(室內(nèi)柔和光)進(jìn)行測(cè)試。

目標(biāo)物體為打印在透明膠片上的5種字號(hào)的黑色“E”字符，每種字號(hào)的“E”有多個(gè)隨機(jī)朝向。目標(biāo)物距離毛玻璃最遠(yuǎn)距離為5 cm，在5 cm、3 cm和1 cm等3種不同距離由遠(yuǎn)及近分別對(duì)同一目標(biāo)物成像。

1) 拍攝方向

首先采用的是平行拍攝，即攝像頭與毛玻璃、目標(biāo)物平行；其次采用側(cè)面拍攝，即攝像頭與毛玻璃呈15°、30°、45°等多方面角度進(jìn)行拍攝。

2) 有無(wú)可見(jiàn)光波段

平行拍攝時(shí)，采用紅色激光透過(guò)毛玻璃進(jìn)行輔助照明。

3) 散射程度不同的毛玻璃

使用3種散射程度不同的毛玻璃進(jìn)行測(cè)試。粗糙度：以280 目為中心，大小100 mm×100 mm，厚度5 mm；材料為K9玻璃。

4) 成像系統(tǒng)識(shí)別率比較

與由CCD圖像傳感器組成的一般成像系統(tǒng)在成像圖像的識(shí)別成功率方面進(jìn)行比較。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

目標(biāo)物距離毛玻璃距離為1 cm，選擇15°、30°、45°等多角度拍攝，目標(biāo)物成像效果如圖7(a)所示。平行拍攝時(shí)，目標(biāo)物距離毛玻璃距離分別為1 cm、3 cm、5 cm，目標(biāo)物成像效果如圖7(b)所示。選用一個(gè)紅色激光燈進(jìn)行輔助照明且自制一聚焦紙筒在室內(nèi)柔光下拍攝，目標(biāo)物與毛玻璃的距離分別為1 cm、3 cm、5 cm，目標(biāo)物成像效果如圖7(c)所示。采用散射程度不同的毛玻璃，粗糙度目數(shù)分別為300、280、90，距離1 cm拍攝效果如圖7(d)所示。經(jīng)過(guò)迭代圖像增強(qiáng)處理后，目標(biāo)物成像效果如圖7(e)所示。

圖7 不同拍攝情況下的成像效果比較Fig.7 Comparison of imaging effects under differentshooting conditions

CCD成像系統(tǒng)與本系統(tǒng)在毛玻璃粗糙度為280目數(shù)，目標(biāo)物與毛玻璃距離分別為1 cm、3 cm、5 cm，平行方向各測(cè)試100次，能夠得到目標(biāo)物清晰輪廓的次數(shù)如表2所示。

表2 測(cè)試識(shí)別次數(shù)結(jié)果(100次)

平行拍攝時(shí)，在攝取的照片中能得到一個(gè)模糊輪廓的目標(biāo)物，在進(jìn)行側(cè)面角度拍攝時(shí)，光線透過(guò)毛玻璃后從四面八方散射出去，無(wú)法看清楚毛玻璃后面的目標(biāo)物，無(wú)論是15°、30°、45°等多角度拍攝時(shí)，必須要添加一個(gè)適當(dāng)?shù)妮o助照明且合適的角度才能得到圖片，所以添加的光線一定要穿透力夠強(qiáng)。

沒(méi)有添加任何輔助照明，只有室內(nèi)柔和光線，得到了一個(gè)模糊輪廓的圖片。選用紅色激光燈進(jìn)行輔助照明，在室內(nèi)光線下，紅色激光穿透毛玻璃射到目標(biāo)物，在目標(biāo)物上形成一個(gè)紅色光圈，光圈處無(wú)法識(shí)別目標(biāo)物的輪廓，是因?yàn)檫x用的激光功率太大導(dǎo)致。

毛玻璃的粗糙度對(duì)成像效果影響很大，粗糙度越大，毛玻璃對(duì)光散射程度越強(qiáng)，目數(shù)在240以上，可以得到輪廓清晰的圖像。

與一般成像系統(tǒng)相比較，同等條件下，本系統(tǒng)識(shí)別率能夠達(dá)到95%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未作任何圖像處理的CCD成像系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用CMOS光電圖像傳感器通過(guò)穿透毛玻璃進(jìn)行目標(biāo)物圖像采集，加上使用紅外激光燈和室內(nèi)LED燈的輔助照明，完成可見(jiàn)光系統(tǒng)成像，在圖像處理過(guò)程中，采用迭代圖像增強(qiáng)優(yōu)化處理算法，讓采集到的可見(jiàn)光圖像與目標(biāo)物吻合，能夠識(shí)別不同距離的目標(biāo)物，且系統(tǒng)識(shí)別率能夠達(dá)到95%以上，達(dá)到了預(yù)期效果。