視頻采集解決方案

陳 梅

（北京全路通信信號研究設計院，北京 100073）

在視頻監控系統中,原始圖像的好壞是影響系統圖像質量優劣的關鍵因素之一,視頻采集是決定系統可用性的關鍵一環。因此，在鐵路綜合視頻監控系統建設中，應重視視頻采集設備的合理選用和搭配，采用合理優化的解決方案，在確保質量的前提下，可降低成本，便于系統的后期維護。

表1 CCD尺寸與攝像機靶面尺寸對照表

1 攝像機

攝像機是攝像頭和鏡頭的總稱。在監控系統中，通常把攝像頭稱作攝像機。多數情況下，攝像機和鏡頭根據需求搭配組裝。

（1）CCD

攝像機一般都采用電荷耦合器件（CCD）作為成像器件，它能夠將光線變為電荷并可將電荷儲存及轉移，也可將儲存的電荷取出使電壓發生變化，因此是理想的攝像元件，也是代替攝像管傳感器的新型器件。攝像機靶面尺寸（CCD尺寸）大小和像素數量是兩個重要的參數。

1）CCD尺寸

目前采用的芯片大多數為1/4 in以上，鐵路視頻監控系統的工程應用，除室內球機外，大部分要求采用1/3 in以上。CCD尺寸與攝像機靶面尺寸對照如表1所示。

2）CCD像素

CCD由面陣感光元素組成，每一個元素稱為像素，像素越多，圖像越清晰。CCD像素多少，決定了顯示圖像的清晰程度，直接影響到攝像機的分辨率，分辨率越高，圖像細節表現得越好。監控用攝像機的CCD像素在40萬左右。

（2）分辨率

分辨率是用電視線（TVL）來表示的，分為水平分辨率和垂直分辨率。垂直分辨率由水平掃描的線數決定，最大為430線（PAL制）；水平分辨率是指垂直掃描線數，與CCD像素數量和鏡頭有關，還與攝像機電路通道的頻帶寬度直接相關， 1 MHz的頻帶寬度相當于80 TVL， 頻帶越寬，圖像越清晰，線數值相對越大。

（3）靈敏度/最低照度

靈敏度，也稱為最低照度。是CCD對環境光線的敏感程度，即CCD正常成像時所需要的最暗光線。照度的單位是勒克斯（LUX），數值越小，表示需要的光線越少，攝像機也越靈敏。

在應用中，在關注標注最低照度的同時，也要關注標注反射率、光圈（F Stop）、可用的視頻幅度（IRE單位）、自動增益控制 （AGC）等參數。如 最 低 照 度 ：0.8lx，F1.2，40IRE，AGC開，75%反射。

（4）快門速度

快門速度就是指曝光時間，通常為1/50 s（PAL制）。攝像機必須有足夠高的快門速度，以利于拍攝高速運動物體或有效控制景深。實際應用中，一般要求快門速度范圍為1/50～1/100000 s。

（5）信噪比

典型值為46 dB。若為50 dB，則圖像有少量噪聲，但圖像質量良好；若為60 dB，則圖像質量優良，不出現噪聲。

（6）背光補償

背光補償可以提供在非常強的背景光線前面目標的理想曝光。線路監視有火車車燈的影響、城市背景強光影響及太陽光直射影響等因素時，需考慮背光補償功能的使用。

（7）寬動態

寬動態是保證場景中特別亮和特別暗的部位同時能看清楚。寬動態范圍是指圖像能分辨的最亮信號值和最暗信號值的比值。在室內環境下受不同時段陽光影響的場景，要求攝像機具有寬動態功能。

（8）白平衡

白平衡用于彩色攝像機，直接影響重現圖像的彩色效果。當攝像機的白平衡設置不當時,重現圖像就會出現偏色現象,特別是使不帶色彩的景物(如白色墻壁)也出現了顏色。

2 鏡頭

2.1 鏡頭選擇

在選擇鏡頭時，有以下5個因素確定鏡頭標準。

監控現場的范圍、被監視目標物體的大小、物距、焦距和CCD靶面尺寸 。

2.1.1 鏡頭尺寸

鏡頭的成像尺寸應與攝像機CCD靶面尺寸相一致，有1、2/3、1/2、1/3、1/4 in等規格。

2.1.2 鏡頭光圈

光圈或通光量以鏡頭的焦距和通光孔徑的比值來衡量，用F表示。通光量與F值的平方成反比關系，F值越小，則光圈越大。所以應根據被監控部分的光線變化程度，來選擇用手動光圈還是用自動光圈鏡頭。F值與光圈大小對應關系參見圖1。

2.1.3 鏡頭焦距

鏡頭焦距應參照圖2進行計算。

其中：

f：鏡頭焦距；

D：監視目標距鏡頭的距離；

W：監視目標的水平寬度；

H：監視目標的垂直高度；

w：CCD的水平寬度；

h：CCD的垂直高度。

2.1.4 視場角

鏡頭視野的高度和寬度的張角稱為視場角。視場角與鏡頭焦距f及攝像機靶面尺寸（水平w和垂直h）的大小有關，鏡頭的水平視場角αw和垂直視場角αh可分別由下式來計算，即αw=2arctan(w/2f)，αh=2arctan(h/2f)。

根據以上兩式，鏡頭的焦距f越短，其視場角越大，攝像機靶面尺寸h或w越大，其視場角也越大。如果所選擇鏡頭視場角太小，可能出現監視死角；若選擇鏡頭視場角太大，可能造成監視主體畫面尺寸太小，難以辨認，畫面邊緣出現畸變。因此，要根據具體應用環境選擇視場角合適的鏡頭。

2.1.5 鏡頭接口

鏡頭接口有C型和CS型兩種。在視頻監控系統中，常用C型鏡頭。鏡頭安裝部位口徑是25.4 mm，從鏡頭安裝基準面到焦點距離是17.526 mm。大多數攝像機的鏡頭接口為CS型，將C型鏡頭安裝到CS型接口攝像機時，需增配一個5 mm厚的接圈。如果對C型鏡頭不加接圈而直接接到CS型接口攝像機上，可能使鏡頭后鏡面碰到CCD靶面的保護玻璃，造成攝像機損壞。

2.2 鏡頭與攝像機靶面的關系

鏡頭尺寸必須與攝像機靶面尺寸相匹配。

當鏡頭的成像尺寸比攝像機靶面的尺寸大時，不會影響成像，但實際成像的視場角要比該鏡頭的標稱視場角小。當鏡頭的成像尺寸比攝像機靶面的尺寸小時，會影響成像，表現為成像的畫面四周被鏡筒遮擋，在畫面的4個角上出現黑角。

比如， 1/2 in鏡頭，既可用于1/2 in攝像機，也可用于1/3 in攝像機，但視場角會減少25%左右。1/3 in鏡頭不能用于1/2 in攝像機，只能用于1/3 in攝像機。

3 攝像機云臺

選擇云臺時，除要考慮安裝環境、安裝方式、工作電壓、負載大小、性能價格比及外型是否美觀等因素外，還要注重以下性能指標。

（1）云臺轉動速度

云臺的轉動速度是衡量云臺檔次高低的重要指標。云臺水平和垂直方向是由兩個不同的電機驅動的，因此，云臺的轉速也分為水平轉速和垂直轉速。一般情況下，云臺的垂直轉速要低于水平轉速。

交流型云臺使用交流電機，轉動速度固定。直流型云臺大都采用直流步進電機，具有轉速高、可變速的優點，十分適合需要快速捕捉目標的場合。

（2）云臺轉動角度

云臺的轉動角度尤其是垂直轉動角度與負載（含防護罩/攝像機/鏡頭）安裝方式關系很大。

云臺的水平轉動角度一般都能達到355°，但會出現少許的監控死角。當前的云臺通過改進限位裝置使其可以達到360°，甚至365°（有5°的覆蓋角度），以消除監控死角。使用時可以根據現場實際情況進行限位設置。壁裝式只需監視水平180°的范圍，角裝式只需監視270°的范圍，頂裝式的垂直轉動角度一般為+30°至-90°，側裝的垂直轉動角度可以達到±180°，正常使用時垂直轉動角度在+20°至-90°即可。這樣避免云臺過多地轉動到無需監控的位置，也提高了云臺的使用效率。

（3）云臺載重量

云臺的載重量是選用云臺的關鍵。如果云臺載重量小于實際負載重量,不僅會使操作功能下降，而且云臺的電機、齒輪也會因長時間超負荷而損壞。云臺的實際載重量可從3 kg到50 kg不等，同一系列的云臺產品，側裝時的承載能力要大于頂裝，高速型的承載能力要小于普通型。

（4）云臺預置位及回位精度

選擇云臺，還應考慮云臺的可編程預置位功能及回位精度。云臺應可以支持多個預置位，回位精度應不大于1°。

（5）云臺環境指標要求

一般室外環境使用的云臺，溫度范圍為-20℃至+60℃，如果使用在更低溫度的環境下，可以在云臺內部加裝溫控型加熱器，使溫度下限達-40℃或更低，濕度指標一般為95%不凝結。防塵防水的IP等級應達到IP66以上。

（6）云臺解碼器

云臺解碼器的主要作用是接收控制信號，并進行解碼，控制攝像機及其輔助設備的各種動作（如鏡頭的變倍、云臺的轉動等）。

4 防護罩

4.1 防護罩尺寸

選擇防護罩時，首先要確定防護罩安裝的最大尺寸，包括攝像機+鏡頭+BNC頭，還應考慮安裝時，攝像機/鏡頭組件距離防護罩后部的面板至少要留0.5 in。

4.2 防護罩環境指標要求

為適應散熱和低溫要求，防護罩要配置風扇和加熱單元；為適應室外的防塵防水要求，防護罩的防護等級應不低于IP66。

5 視頻采集解決方案

為滿足用戶需求，視頻采集有不同的解決方案，主要根據視頻采集點主要設置地點、監視目標、圖像分辨率要求及功能實現上配置不同的設備。

5.1 視頻采集點設置

視頻采集點設置應考慮設置地點、監視目標的范圍、采集設備要求、圖像分辨率要求以及存儲時間的因素。具體原則可參照《鐵路圖像通信設計規范》相關附錄。其中，根據工程經驗，機房室內采集點通信分辨率不小于CIF即可。

5.2 夜視功能實現方案

隨著用戶需求的不斷明確，實現對目標的晝夜監視更顯重要。夜間監控主要有以下解決方案。

（1）采用低照度攝像機/彩轉黑攝像機+輔助照明光源，實現夜視功能

在采用低照度攝像機時，要求攝像機具有幀積累功能；對于彩轉黑攝像機，在鏡頭選擇上建議選用帶紅外校正功能。實際應用時，盡管設備的標稱指標很高，但也只能在傍晚或有月光的夜晚獲取圖像，無法真正實現夜視功能。因此，需要增加輔助照明光源。輔助照明光源可采用普通照明燈源和LED紅外燈（940 nm）。選擇紅外燈時，應注意紅外燈的發射角度不大于鏡頭的視角，在狹長環境應用時，應選擇角度更小甚至是鏡頭角度1/3的紅外燈。這種方案中的攝像機和紅外燈是兩個完全獨立的設備，紅外燈的價格相對較低，但覆蓋距離一般不超過100 m。

京津客運專線視頻監控系統中，維修梯夜間監控、路基地段的連續夜間監控、區間設備機房室外的夜間監控就是采用上述方案實現的，使用效果較好。

（2）采用激光攝像機，實現夜視功能

激光攝像機是利用激光束作為光源，把攝像機和激光器通過合理選配，集成一體，實現幾百米不等的監視范圍。激光器的輸出功率一般為幾瓦到十幾瓦，具有能量集中、能耗低、照射距離遠等特點。選用激光攝像機時，應考慮激光紅曝對使用的影響，避免激光聚焦點對人身的傷害。激光攝像機可以實現連續變焦，在鐵路視頻監控系統中的應用剛剛起步。廣深線的線路夜間監控就是采用覆蓋距離達300 m的激光攝像機實現的。

（3）采用被動式紅外熱像儀，實現夜視功能

鐵路視頻監控系統中，采用被動式紅外熱像儀解決夜視問題。被動式紅外熱成像是借助于目標本身發射的紅外輻射，是根據目標與背景或目標本身的溫差或熱輻射差異來發現目標的。熱像儀的成像效果不受外界條件影響，監視距離較遠，可達2 km，技術較成熟，設備性能比較穩定，在青藏線格拉段線路監視中得到應用。但設備造價高，成像只能觀察到目標的輪廓，無法看到具體細節和顏色。

5.3 高清圖像的采集方案

隨著高清網絡攝像機的大量應用和發展，視頻網絡傳輸資源的不斷改善，高清圖像能更好地滿足鐵路各業務部門的需求。

當圖像分辨率達到720P（1280×720）、1080i（1920×1080）、1080P（1920×1080）像素時，被稱為高清圖像。其中，i代表隔行掃描， p代表逐行掃描。

要滿足高清圖像分辨率要求，攝像機像素必須達到百萬以上，同時要求必須有兩個以上視頻流輸出。大流量視頻流（8 Mbit/s以上）適合局域網內的本地用戶瀏覽，小流量視頻流用于廣域網上傳輸，為上級用戶調用。高清網絡攝像機在車站這類采集點較集中的區域有應用前景。

6 結束語

前端采集設備選用時，除對重要參數指標嚴格把關外，還應要求配套設備的接口類型和設備供電電源種類盡量統一，以減少故障點和備品備件種類，降低系統維護難度。

[1] TB10085-2009 鐵路圖像通信設計規范 [S].

[2]運基通信[2008]630號 鐵路綜合視頻監控系統技術規范（試行）[S].

[3]鐘曉流. 多媒體視聽與技術應用環境[M]. 北京：清華大學出版社， 2007.