基于视频同步的智能补光灯系统设计

引言

摄像机广泛应用于智能交通行业，场景监控、车牌识别、事件检测等系统都需要摄像头采集实时视频。图像的质量对自动识别效果影响重大，在黑夜或雨天等照度不佳，由于图像亮度不够，导致自动识别率明显下降，因此设计一款智能补光灯系统意义重大。

当前使用的补光方案多采用小功率LED灯点阵或者大功率LED灯，LED灯工作在常亮方式。现有方案存在如下问题：①小功率LED灯点阵亮度不够，不能满足自动算法对图像亮度、质量的需要；②大功率LED补光灯处于常亮状态，耗电量大，发热量大；③LED灯亮度不易调整，只能在安装时选择固定的亮度值，不能在运行过程中根据环境亮度的变化适时改变LED灯的亮度，适应环境的变化。

本文基于视频同步大功率LED补光技术设计的智能补光灯，很好的解决了上述问题。

工作原理

摄像机每秒扫描25帧图像，每帧又分奇偶两场，即每秒扫描50场图像。摄像机每场打开快门一次进行感光，打开快门的时长定义为快门速度。拍摄对象是行驶的车辆，属于快速运动物体，快门打开时间很短暂，否则会产生严重的拖影现象。卡口车速比较慢，快门速度选择1/2000～1/500s，对道路上高速运动的车辆，快门速度选择1/2000～1/10000s，也就是，每次快门打开的时间，从0.1～2ms。

补光灯，只有在摄像机快门打开的时间段才是有效补光，其余的时间对摄像机是无效补光。视频同步补光，就是从视频中分离出场同步信号，并以此为基准，通过调整LED和此信号的时延参数和LED点亮时长参数，达到在摄像机快门打开的同时，控制LED灯同步点亮，在快门关闭时，关闭LED灯。还可以通过调整LED灯的点亮时长参数，在摄像机快门关闭前，熄灭LED灯，达到控制图像亮度的目的。原理如图1所示。

智能补光灯有4种工作方式：①常灭，LED灯始终关闭；②常亮，LED灯始终打开；③闪光灯模式，仅在下次场同步信号到来时，打开LED灯一次；④快门同步模式，在每次视频的场同步信号到来时，都按照事先设定的延时和开灯时间打开LED灯。根据实际的光照条件，采用相应的工作方式。

智能补光灯有两种工作模式：

智能补光系统由LED灯、MSP430F2272微处理器、LED控制模块、视频同步信号分离模块、光敏电阻检测模块、实时时钟、实时时钟后备电池等构成，整体框图如图2所示。

1供电

CCD摄像机的供电电压是+12V的，故选择+12V作为系统的电源。在固定卡口使用时，采用AC-DC电源供电，在车载应用时，从点烟器口取电。其余电路所需要的+5V、+3.3V电源，通过DC-DC电源芯片，从+12转换获得。

2LED灯

实验表明，光效能达到100流明/瓦，功率1～3W、色温6500～7000K的LED灯的亮度和色彩还原度较好，满足车牌识别等系统的补光要求。根据补光距离，补光范围的要求，选用不同角度的灯杯。长距离补光选择角度小的灯杯，短距离采用角度大的灯杯。LED灯，采用点阵方式均匀布放在摄像机的镜头周围，根据实际测试效果，4个1W（导通电压3～3.6V，工作电流350mA）的LED灯，就可以满足单车道的夜间车牌识别的补光需求。采用摄像机快门同步的补光方案后，LED灯的温升不明显，采用简单的铝型材背板支架散热即可。

3LED灯控制模块

LED灯需要采用恒流驱动，LED驱动芯片使用AMC7150，AMC7150是高功率LED驱动IC，属于开关模式恒流源，内建PWM（脉冲宽度调制）与功率晶体管，只需5个外部零件，电路简单。AMC7150最高驱动电流达1.5A，最多可以驱动24W的高功率LED，实际工作电流通过VCC和CS间的反馈电阻进行设定。因电源供电电压是+12V，故采用2个LED灯串联方式工作。

LED灯的亮灭控制采用N沟道MOSFET，当MOSFET导通时，LED亮；当MOSFET截止时，LED灭。LED控制电路如图3所示。

4主控芯片

主控芯片采用TI公司的MSP430F2272，它具有32KB闪存和1KRAM的16位超低功耗微控制器。具有2个16位定时器TimerA和TimerB，每个定时器具有3个捕获/比较寄存器，可以方便的实现定时、软件模拟串口等功能。P1、P2具有IO管脚外部中断能力，可以选择中断信号的有效跳变沿。MSP430F2272还集成了1个10位的AD转换模块，外部模拟信号可以通过12个输入通道。MSP430F2272具有一个USCI_A，可设置为UART、LIN、IrDA或SPI；一个USCI_B，可设置为I2C或者SPI。MSP430F2272的资源完全满足补光灯系统的需求。

5快门同步信号产生模块

摄像机输出的复合视频信号，通过LM1881视频分离芯片分离出场同步信号。场同步信号经电平转换后，通过P1.0口触发MSP430F2272中断。

实际使用中，发现不同厂家的摄像机快门打开滞后场同步信号的时间不一致，需要通过实验进行标定。在一个全黑的环境中，用一个小的时间间隔t作为亮灯时间，不断调整LED灯滞后场同步信号的时间T，直到摄像机输出视频有亮光为止。取T-t作为LED灯滞后场同步信号的时延参数。

6摄像机控制接口

MSP430F2272只有一个硬件串口，分配用于和PC进行通信。摄像机的控制接口，通过定时器的捕获比较功能，用IO口模拟实现软串口，再通过2片MAX3485进行电平转换，对摄像机进行设置和调试。

7光敏元件与实时时钟

光敏元件和实时时钟，都是用于没有PC的场合，MSP430F2272采集光敏电阻的值，从实时时钟获取当前时间，根据这两个参数判断当前光照情况，选择合适LED灯控制参数、以及摄像头的参数，对LED灯和摄像机进行设置。判定条件和控制参数通过历史经验，以及现场的光照情况，由现场调试工程师根据环境照度、摄像机距离拍摄物的距离，角度来设定，并通过串口写入到MSP430F2272中。

光敏元件采用光敏电阻，感应当前环境光照，光敏电阻和固定阻值的电阻串联接入电路，将分压值直接接入MSP430F2272的ADC输入管脚。工作时，MSP430F2272对输入电压进行AD采样，用于反映当前的环境亮度。

实时时钟采用DS1390，通过SPI接口与MSP430F2272的USCI_B相连。

1联机模式

PC端软件采集每场视频，根据图像整体亮度和局部感兴趣区域亮度，进行加权计算，采取不同的LED灯、摄像机的参数组合，对应不同的光照场景，程序中称之为动作表，表1是一组常用的参数模板。PC把对应的参数通过串口指令发送给智能补光灯的MCU，MCU完成对LED灯和摄像机的设置。

MSP430F2272主函数完成初始化后，进入while循环，查询是否收到串口命令帧，命令帧格式如表2所示。如果接收到完整的命令帧时，对接收的命令进行分析与处理。是LED灯的控制命令，按照指令要求对LED灯进行控制；是摄像机的控制指令，转发给摄像机。

串口命令帧接收、LED同步控制等均放置在中断函数中处理。

1）串口接收流程

在串口中断处理函数中，当收到0x02时，进入串口帧接收状态，同时启动一个定时器，定时时间取决于帧的长度，在本文的应用中，定时器的时间设置为500ms。接下来接收的是串口帧的长度N，继续接收其他数据，当接收第N-1个数据，判断是不是帧尾0x03，如果是帧尾，置串口帧接收完成标志位为1；否则，接收缓冲区清空，然后，关闭定时器，恢复到空闲状态。如果在串口帧接收过程中出现错误，定时器溢出时，清空接收缓冲区，清除标志位，关闭定时器。

2）LED灯同步控制流程

LED灯的频闪控制，涉及时延和时长两个参数，为了实现方便，用定时器实现50μs的定时，LED灯滞后场同步信号的时延、以及LED灯的亮灯时长均是50μs的倍数。

结语

经实际测试，采用视频同步的智能补光系统，补光效果与常亮时的效果一致，功耗仅为常亮的1/20～1/40，视频同步补光灯系统支持标清、高清摄像机，可以满足各种固定道口、车载系统的补光需求。经实际道口测试，车牌正确识别率，夜间与白天基本一致，补光灯达到设计要求。视频同步补光系统也可以应用于安防监控等其他使用摄像机的场合。