紅外球形攝像機補光系統的設計與實現

汪旭瑩，鄧衛燕，張　飛，韓　朋

（中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州310018）

紅外球形攝像機補光系統的設計與實現

汪旭瑩，鄧衛燕，張飛，韓朋

（中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州310018）

為解決目前紅外球形攝像機普遍存在的紅外燈板發熱嚴重、近距離采集圖像容易出現中心過曝等問題，搭建了以STM32F103為主控芯片、以PT4115為紅外燈調光芯片的硬件電路，設計了一種基于紅外燈亮度與鏡頭倍率匹配算法的新型紅外球形攝像機補光系統，實現了在紅外燈板上對多個串聯紅外燈的PWM智能調光。通過實驗證明，該設計可以有效節約功耗、降低發熱，提高了紅外燈板的穩定性，從而提高紅外球形攝像機的夜視監控效果。

紅外球形攝像機；STM32；PT4115；補光系統；PWM

0　引言

監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，不能滿足安防監控的要求。于是給攝像機所照環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境完全無光的情況下監控。但是目前在實際應用中紅外球形攝像機的補光系統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)在監控近距離物體時會因為紅外燈亮度過強、發光角度過于集中而產生圖像中心過曝現象[4]。

本文在 STM32F103微控制器內部集成的脈寬調制器以及高調光比LED恒流驅動器PT4115相結合的硬件平臺上設計了一種亮度可調的新型紅外球形攝像機補光系統，從而改善紅外球球形攝像機夜視監控效果。

1　系統設計與硬件分析

如圖1所示，本系統硬件部分主要由主控芯片STM32F103、CCD攝像頭、電源驅動芯片 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，控制鍵盤通過RS485口實現對CCD攝像頭的控制，鏡頭安裝在紅外燈板中心。

1.1PWM發生模塊設計

PWM調光是一種利用簡單的數字脈沖，反復開關LED驅動器的調光技術。本系統采用了意法半導體公司基于ARM Cortex—M3內核的STM32F103作為PWM發生器。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，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發生引腳PA7連接至PT4115芯片的DIM引腳。

圖1　系統硬件框圖

1.2紅外燈板驅動模塊設計

紅外燈驅動芯片采用了PowTech公司的PT4115，該芯片是一款連續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信號時就可以實現很寬范圍的調光，此時流過串聯紅外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：

圖2　LED驅動電路原理圖

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的兩端并聯了一個容量為220 μF、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 μH。

2　系統軟件實現

在夜晚或光線暗淡環境下，紅外球形攝像機為獲得更清晰的監控效果，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。軟件實現流程圖見圖3。

圖3　軟件算法實現流程圖

其中軟件實現部分有兩個關鍵處：一是獲取監控鏡頭的實時放大倍數，為紅外燈亮度的改變找到依據；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

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是否已經改變，而一旦鏡頭放大倍數改變，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。

具體做法：以 Sony FCB-EX480B機芯為例，根據Sony VISCA協議，通過串口向機芯發送查詢代碼8x 09 04 47 FF，其中 x=1～7，對應紅外球形攝像機的地址，FF表示命令包的結束。為防止發送的數據丟失出錯，此處使用for循環語句進行多次重復發送。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據手冊中焦距表對應的放大倍數進行比較，從而獲得當前鏡頭放大倍數。

2.2紅外燈亮度與鏡頭倍率匹配曲線算法實現

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現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成正比的[7]，即：

式中S是感覺強度，R是刺激強度，K為常數。因此可根據這一定律，相應地改變紅外燈的亮度。具體做法：常數K值根據實際調光分級求出，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K的前提下，對應每一亮度即鏡頭放大倍數等級S，應用公式計算出對應的R值(即PWM值)，如圖4所示。

圖4　紅外燈調光曲線圖

根據上述調光曲線圖取得放大倍數相對應的PWM值后，若出現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更新占空比過程結束。當計數器復位時，一個新的周期立即開始，紅外燈亮度也隨之立刻變化，從而實現了紅外燈亮度與鏡頭倍率同步匹配。

3　實驗結果與分析

為驗證本系統的實際應用效果，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熱情況進行數據分析。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℃，具體數值見表1。

表1　紅外燈板溫度變化對比

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熱嚴重問題，也達到了對紅外球機節能的效果。

實驗二是測試近距離低倍數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境下，運行紅外球形攝像機以相同倍數采集同一物體，攝像頭其他參數默認設置一致。采集得到圖5所示兩幅圖像，其中左側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，右側是同樣倍數下，安裝了新補光系統的紅外球形攝像機采集到的圖像。對比可明顯看到，左側圖像出現中心過曝現象，導致箱子表面文字圖案完全看不清楚，而右側圖像相對左側而言可以明顯看到箱體表面的圖案，而且光線亮度適中，整幅圖中心未出現光暈現象。由此可得出運用了新補光系統的紅外球形攝像機很好地避免了圖像出現中心過曝現象。

圖5　紅外球形攝像機采集的對比圖

4　結論

本文設計的紅外球形攝像機補光系統是基于紅外燈亮度與鏡頭放大倍數相匹配而設計的，在采集圖像時根據當前放大倍數，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在任何倍數下紅外燈輸出的都是最大亮度相比，本設計在相同倍數下降低了紅外燈的亮度，有效地節約了能耗，特別是降低了紅外燈板的發熱，并大大改善了由于紅外燈亮度在低倍數下過亮而造成的近距離采集圖像中心過曝現象。最后通過實驗證明該補光系統效果理想，可應用于多種安防夜視監控產品中。

[1]白廷柱，金偉其.光電成像原理與技術[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

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[3]董明禮，張晶，李銀柱，等.激光輔助照明主動紅外成像研究[J].紅外技術，2006，28(2)：91-94.

[4]張玉美.關于夜視數字監控系統常見問題解決方案的探討[J].數字技術與應用，2013(4)：1-3.

[5]馬志強，王建剛，孫少林，等.基于STM32的PWM音樂播放器應用設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2012(11)： 63-65.

[6]陳雷，趙艷軍.基于 PT4115的大功率 LED恒流驅動的設計[J].燈與照明，2008，32(12)：31-34.

[7]劉立波，周國民.人眼視覺特性在植物葉片圖像提取中的應用[J].計算機工程與應用，2009，45(9)：22-25.

Design and implementation of light-compensating system on IR dome camera

Wang Xuying，Deng Weiyan，Zhang Fei，Han Peng
(College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

To solve the problem which widely found in current infrared dome camera，such as serious heating of infrared lamp board,center overexposure when to collect images closely，and so on,building a hardware circuit through using an STM32F103 as master chip and PT4115 as infrared lamp dimming chip，we design a new infrared dome camera light-compensating system based on a algorithm of the infrared lamp brightness matching lens ratio,and realize the intelligent PWM dimming of several series of infrared lamp on the infrared lamp board.Through the experiment，it proves that this design can effectively save power consumption, reduce the generated heat,and improve the stability of infrared lamp board,so as to improve the night vision surveillance effect of infrared dome camera.

infrared dome camera；STM32；PT4115；light-compensating system；PWM

TP277

A

0258-7998(2015)01-0036-03

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014081903019

2014-08-19)

汪旭瑩（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式視頻監控。