0 引言

　　監(jiān)控攝像機成像依靠的光學成像傳感器主要是感應外界光線并轉(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，但是攝像機的光學成像傳感器是能感應紅外光的[1-3],，通過人為加紅外光相當于增強外界光線,，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)熱嚴重，長時間工作會導致紅外燈壽命下降,，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)生模塊設計

　　PWM調(diào)光是一種利用簡單的數(shù)字脈沖,，反復開關LED驅(qū)動器的調(diào)光技術(shù),。本系統(tǒng)采用了意法半導體公司基于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,，采用高端電流采樣設置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,。

　　當脈沖電平在2.5 V～5 V之間時：

　　當脈沖電平小于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,，當被拍攝物體距離越遠則鏡頭相應變焦倍數(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,，相應的標志位進行置位,。通過判斷該標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)手冊中焦距表對應的放大倍數(shù)進行比較,，從而獲得當前鏡頭放大倍數(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物理量的強度成正比,，而是與對應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，在本設計中由于所選取的鏡頭型號為SONY FCB-EX480B,，它的光學變倍為18倍,，因此分成18級亮度，即S=18,， PWM分辨率設為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,，對應每一亮度即鏡頭放大倍數(shù)等級S,，應用公式計算出對應的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)相對應的PWM值后,，若出現(xiàn)鏡頭變倍信號則更新相應的捕獲比較寄存器TIM3_CCR2，至此整個PWM更新占空比過程結(jié)束,。當計數(shù)器復位時,，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,，因此該設計不僅較明顯地改善了紅外球機的發(fā)熱嚴重問題，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)相匹配而設計的，在采集圖像時根據(jù)當前放大倍數(shù),，通過改變相應的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,，可應用于多種安防夜視監(jiān)控產(chǎn)品中,。

參考文獻

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