0 引言

　　監(jiān)控攝像機成像依靠的光學(xué)成像傳感器主要是感應(yīng)外界光線并轉(zhuǎn)化為電信號，在光線比較暗甚至沒有光線情況下一般都是通過拉大曝光時間,、放大增益值來看物體,，但這時候的圖像噪點很大，不能滿足安防監(jiān)控的要求,。于是給攝像機所照環(huán)境補光就是最直接的方法了,，補光一般是用紅外光，因為紅外光人眼不易捕捉,，但是攝像機的光學(xué)成像傳感器是能感應(yīng)紅外光的[1-3],，通過人為加紅外光相當(dāng)于增強外界光線，這樣甚至能夠達到外界環(huán)境完全無光的情況下監(jiān)控,。但是目前在實際應(yīng)用中紅外球形攝像機的補光系統(tǒng)依然存在著以下兩個問題：(1)補光燈一般由多個紅外燈串聯(lián)而成,，而且普通紅外球形攝像機的紅外燈光強是按最遠距離設(shè)計的，一旦紅外燈開啟,，其工作電流就會比較大,，功耗自然就大，發(fā)熱嚴(yán)重,，長時間工作會導(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的壽命；(2)在監(jiān)控近距離物體時會因為紅外燈亮度過強,、發(fā)光角度過于集中而產(chǎn)生圖像中心過曝現(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)動器PT4115相結(jié)合的硬件平臺上設(shè)計了一種亮度可調(diào)的新型紅外球形攝像機補光系統(tǒng)，從而改善紅外球球形攝像機夜視監(jiān)控效果,。

1 系統(tǒng)設(shè)計與硬件分析

　　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)動芯片PT4115,、紅外燈板以及控制鍵盤等組成,。其中電源、晶振和STM32組成ARM單片機的最小系統(tǒng),，控制鍵盤通過RS485口實現(xiàn)對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

　　PWM調(diào)光是一種利用簡單的數(shù)字脈沖,，反復(fù)開關(guān)LED驅(qū)動器的調(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個高級控制定時器,、4個通用定時器和2個基本定時器,，除了TIM6和TIM7之外，其他的定時器都可以用來產(chǎn)生PWM輸出[5],，本設(shè)計選用通用定時器TIM3,，由APB1總線提供時鐘，向上(增)計數(shù),，不同占空比的取值存儲在每個通道的捕獲比較寄存器TIM3_CCR2中,，編程時通過改變該寄存器的值來改變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)動模塊設(shè)計

　　紅外燈驅(qū)動芯片采用了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1.2 A,，內(nèi)置功率開關(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溫,、過壓,、過流、LED開路保護等多種功能,，非常適合用于綠色照明LED燈的驅(qū)動電路[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信號時就可以實現(xiàn)很寬范圍的調(diào)光,，此時流過串聯(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信號占空比決定,。計算公式如下所示。

　　當(dāng)脈沖電平在2.5 V～5 V之間時：

　　當(dāng)脈沖電平小于2.5 V時,，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)計在LED 的兩端并聯(lián)了一個容量為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)計選擇的電感量為67 H,。

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

　　在夜晚或光線暗淡環(huán)境下，紅外球形攝像機為獲得更清晰的監(jiān)控效果,，隨著被拍攝物體距離鏡頭越遠對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為獲取圖像的最佳效果，當(dāng)被拍攝物體距離越遠則鏡頭相應(yīng)變焦倍數(shù)就會越大,，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)計一個紅外燈亮度與鏡頭倍率相匹配的紅外球形攝像機補光系統(tǒng),。軟件實現(xiàn)流程圖見圖3,。

　　其中軟件實現(xiàn)部分有兩個關(guān)鍵處：一是獲取監(jiān)控鏡頭的實時放大倍數(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鏡頭實時倍數(shù)

　　CCD鏡頭通過RS232與電路主板進行通信，當(dāng)主板串口接收到對鏡頭進行放大或縮小的控制命令后,，相應(yīng)的標(biāo)志位進行置位,。通過判斷該標(biāo)志位就可以實時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機芯為例,，根據(jù)Sony VISCA協(xié)議,，通過串口向機芯發(fā)送查詢代碼8x 09 04 47 FF，其中x=1~7,，對應(yīng)紅外球形攝像機的地址,，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,，此處使用for循環(huán)語句進行多次重復(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,，最后把此值與機芯數(shù)據(jù)手冊中焦距表對應(yīng)的放大倍數(shù)進行比較,，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現(xiàn)

　　在實際應(yīng)用中,，如果加在紅外燈兩端的平均電流變化是線性的,，那么通過人眼觀察會發(fā)現(xiàn)此時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。這正符合韋伯－費西納(Weber-Fechnet)定律,，該定律說明人的一切感覺,，包括視覺、聽覺,、膚覺,、味覺、嗅覺,、電擊覺等,，都遵從感覺不是與對應(yīng)物理量的強度成正比，而是與對應(yīng)物理量的強度的常用對數(shù)成正比的[7],，即：

　　S=K×lgR(4)

　　式中S是感覺強度,，R是刺激強度，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)實際調(diào)光分級求出,，在本設(shè)計中由于所選取的鏡頭型號為SONY FCB-EX480B,，它的光學(xué)變倍為18倍，因此分成18級亮度,，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，對應(yīng)每一亮度即鏡頭放大倍數(shù)等級S,，應(yīng)用公式計算出對應(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)相對應(yīng)的PWM值后,，若出現(xiàn)鏡頭變倍信號則更新相應(yīng)的捕獲比較寄存器TIM3_CCR2,，至此整個PWM更新占空比過程結(jié)束,。當(dāng)計數(shù)器復(fù)位時，一個新的周期立即開始,，紅外燈亮度也隨之立刻變化,，從而實現(xiàn)了紅外燈亮度與鏡頭倍率同步匹配。

3 實驗結(jié)果與分析

　　為驗證本系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果,，分別做了兩個實驗,，實驗一是對不同控制方法下的紅外燈板發(fā)熱情況進行數(shù)據(jù)分析。本實驗采用的紅外燈板由12個42 mil 點陣式紅外LED燈組成,，在鏡頭2倍光學(xué)變倍條件下,，運行紅外球形攝像機2 h，在此過程中測量紅外燈板的溫升情況,，外界溫度為21.6 ℃,，具體數(shù)值見表1。

　　由表1可見,，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)計的補光系統(tǒng)紅外燈板在長時間運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)計不僅較明顯地改善了紅外球機的發(fā)熱嚴(yán)重問題,，也達到了對紅外球機節(jié)能的效果。

　　實驗二是測試近距離低倍數(shù)條件下采集圖像效果實驗,。本實驗采用的攝像頭型號為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,。實驗條件設(shè)置為相同低照度環(huán)境下,，運行紅外球形攝像機以相同倍數(shù)采集同一物體，攝像頭其他參數(shù)默認設(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,，安裝了新補光系統(tǒng)的紅外球形攝像機采集到的圖像,。對比可明顯看到，左側(cè)圖像出現(xiàn)中心過曝現(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,。由此可得出運用了新補光系統(tǒng)的紅外球形攝像機很好地避免了圖像出現(xiàn)中心過曝現(xiàn)象,。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計的紅外球形攝像機補光系統(tǒng)是基于紅外燈亮度與鏡頭放大倍數(shù)相匹配而設(shè)計的，在采集圖像時根據(jù)當(dāng)前放大倍數(shù),，通過改變相應(yīng)的PWM占空比從而改變流過紅外燈的電流大小,，與市面上普通紅外球形攝像機的補光系統(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)下過亮而造成的近距離采集圖像中心過曝現(xiàn)象,。最后通過實驗證明該補光系統(tǒng)效果理想,，可應(yīng)用于多種安防夜視監(jiān)控產(chǎn)品中。

參考文獻

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