視頻圖像采集技術

■ 劉寶金 費冬 郝文佳

1 概述

鐵路綜合視頻監控系統是鐵路安全防范系統的重要組成部分，系統以直觀、準確、及時和信息內容豐富而廣泛應用于許多場合。近年來，隨著計算機、網絡以及圖像處理、傳輸技術的飛速發展，鐵路綜合視頻監控技術也有了長足的發展。

鐵路綜合視頻監控系統包括前端采集設備、傳輸設備、處理/控制設備和記錄/顯示設備4部分，采用PAL電視制式。根據《鐵路綜合視頻監控系統技術規范（試行）》，前端采集設備的定義為“設置在視頻采集點的攝像機及與之配套的附屬設備等，用于對視頻圖像信息進行采集”。

視頻圖像采集技術按照成像原理可分為可見光視頻圖像采集技術和夜視條件下視頻圖像采集技術兩大類。夜視技術又可以細分為微光夜視技術、雷達技術及紅外成像技術。幾種主要技術的成像光譜對比見圖1。

2 可見光視頻圖像采集技術

可見光成像技術是建立在光學技術與半導體、微電子技術、信號處理技術等基礎上的成像技術，其性能受光學鏡頭、成像器件和信號處理的制約。可見光視頻圖像采集設備主要包含光學鏡頭和攝像機兩部分。

2.1 光學鏡頭

光學鏡頭主要用來采集監控目標反射回來的可見光，并將此傳送至攝像機的光電傳感器上。其主要技術指標包括：鏡頭尺寸、焦距、變倍、光圈。

鏡頭尺寸：需與攝像機的成像靶面尺寸相匹配，一般分為1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等幾種。

焦距：焦距的大小決定視場角的大小。焦距數值小，視場角大，所觀察的范圍也大，但距離遠的物體分辨不很清楚；焦距數值大，視場角小，觀察范圍小，只要焦距選擇合適，即便距離很遠的物體也可以看得清清楚楚。由于焦距和視場角是一一對應的，一個確定的焦距就意味著一個確定的視場角，所以在選擇鏡頭焦距時，需同時考慮觀測細節和觀測范圍兩個因素。如果要看細節，則選擇長焦距鏡頭；如果看近距離大場面，則選擇小焦距的廣角鏡頭。根據監控目標的遠近可選用不同焦距的鏡頭，在鐵路綜合視頻監控系統中一般分為短距鏡頭（監控目標在200～300 m以內）、中距鏡頭（監控目標在500～800 m以內）和長距鏡頭（監控目標在1 000 m以上）。

變倍：變倍鏡頭分為手動和電動兩種，手動變倍鏡頭一般用于監控目標距離較近的場景，如公跨鐵橋梁監控點等。在監控很大的場面時，攝像機通常要配合電動鏡頭和云臺使用。電動鏡頭的優勢是變焦范圍大，既可以看大范圍的情況，也可以聚焦某個細節，再加上云臺可以上下左右的轉動，可視范圍非常大。根據監控范圍的大小，電動鏡頭一般分為6倍、10倍、20倍等多種倍率。

光圈：光圈指數一般用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來衡量。光通量與F值的平方成反比關系，F值越小，光通量越大，成像靶面上的照度也就越大。鏡頭按光圈分為手動光圈鏡頭和自動光圈鏡頭。手動光圈鏡頭適合亮度變化不大的場合，它的進光量通過鏡頭上的光圈環調節，一次性調整合適為止。自動光圈鏡頭會隨著光線的變化而自動調整，用于室外、入口等光線變化大且頻繁的場合。在鐵路綜合視頻監控系統中均使用自動光圈鏡頭。自動光圈鏡頭目前分為兩類：一類稱為視頻驅動型，鏡頭本身包含放大器電路，用以將攝像機傳來的視頻幅度信號轉換成對光圈馬達的控制；另一類稱為直流驅動型，利用攝像機上的直流電壓來直接控制光圈。

2.2 攝像機

攝像機基本原理：把光學圖像信號轉變為電信號，以便于存儲或傳輸。監控目標反射的光被攝像機鏡頭收集，使其聚焦在攝像管的成像靶面上，再通過攝像器件把光轉變為電能，即得到了“視頻信號”。光電信號很微弱，需通過預放電路進行放大，再經過各種電路進行處理和調整，最后得到的標準信號可以輸出至傳輸設備或顯示設備。

攝像機由兩部分組成：光電傳感器及數字電路。其中光電傳感器是攝像機的核心部件，把光圖像轉變成視頻電信號，一般分為兩種，即CCD（電荷耦合器件，Charge Coup led Device）和CMOS（互補性氧化金屬半導體，Com p lem entary M etal Oxide Sem iconductor）。在鐵路綜合視頻監控系統中，目前采用的攝像機均為CCD攝像機，其主要技術指標包括：CCD尺寸、水平分辨率、電子快門、感光度。

CCD尺寸：一般分為1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等幾種。

水平分辨率：主要由CCD的分辨率決定，目前在鐵路綜合視頻監控系統中應用的主流攝像機的分辨率在44萬像素左右，水平分辨率達到480 TVL，540 TVL及620 TVL。

電子快門：快門是控制曝光時間的指標，一般而言快門的時間范圍越大越好。秒數高，曝光時間長，適合在光照不足的條件下應用；秒數低，曝光時間短，適合拍運動中的物體，在鐵路綜合視頻監控系統中，快門速度達到1/100 000 s的攝像機已廣泛應用。

感光度：攝像機成像所需的最低光照度，一般分為以下3種：普通型，正常工作所需照度為1～3 Lux（勒克斯）；月光型，正常工作所需照度為0.1 Lux左右；星光型，正常工作所需照度為0.01 Lux以下。

3 夜視視頻圖像采集技術

在視頻監控系統中，與可見光條件下的視頻圖像采集相比，夜視條件（夜間增加可見光照明條件的視頻圖像采集可以理解為在可見光條件下的視頻圖像采集）下的視頻圖像采集無疑是技術難點。

3.1 微光夜視技術

微光夜視技術是用電真空和電子光學等技術，實現光子圖像—電子圖像—光子圖像的轉換，在轉換過程中，通過對電子圖像的增強實現對光子圖像的增強，進而達到在有微弱光線照明下的夜間觀察的一種技術。此種技術在全黑的條件下不能應用。其工作原理為：景物反射的微弱可見光和近紅外光匯聚到光電陰極上，光電陰極受激向外發射電子，實現把景物的光強分布圖像變成與之對應的電子數密度分布圖像；在電子光學部件中，輸入一個電子，可以輸出成千上萬個電子，因此，光電陰極的電子數密度分布圖像就被成千上萬倍的增強了；最后，經過倍增的大量電子轟擊熒光屏，實現電子圖像—光子圖像的轉變，得到增強微光圖像供人眼觀察。

3.2 雷達技術

成像雷達又稱合成孔徑雷達，雷達天線尺寸就是其工作波長的尺寸量級，波長越長，雷達天線的尺寸就越大；目標的散射截面是決定雷達探測距離關鍵因素之一，一般情況下，目標的散射截面與目標的尺寸相關，尺寸越大，散射截面就越大；雷達的空間分辨力與工作波長有關，工作波長越長，空間分辨力越差，此技術可以達到米級的分辨力。

3.3 紅外成像技術

紅外成像技術分為被動紅外成像技術和主動紅外成像技術兩大類，此兩種技術均已在鐵路綜合視頻監控系統中應用。

3.3.1 被動紅外技術

被動紅外成像技術利用景物自身發射的熱輻射成像，又稱為熱成像技術。能夠攝取景物紅外輻射分布圖像、并將其轉換為人眼可見圖像的裝置就是紅外熱成像系統（簡稱熱像儀）。熱成像技術是綜合利用紅外物理和技術、半導體、微電子、真空、低溫制冷、精密光學機械、電子學、信號處理、計算機、系統工程等獲取景物的熱輻射圖像，并將其轉變成電信號，再用處理后的電信號驅動顯示器，產生可供人眼觀察熱圖像的一門技術。

紅外探測器是熱成像系統的核心，主要分為兩類：制冷型（基于光子探測）和非制冷型（基于熱探測）。盡管前者（或者為光電探測器，或者為光伏器件）被認為是實際應用中最佳的紅外熱探測技術，但其制造和使用成本較高，壽命短。與制冷紅外探測器相比，非制冷紅外探測器不需要在系統中安裝制冷裝置，因此尺寸較小、重量較輕且功耗較低。此外，與制冷型光子探測器相比可提供更寬的頻譜響應和更長的工作時間。因此，在鐵路綜合視頻監控系統中應用的也是非制冷型的探測器。

目前主流產品的紅外探測器分辨率為320×240，配合不同焦距的紅外鏡頭，探測距離最遠可達到1 000 m。但與可見光和主動紅外成像技術相比，熱成像技術不能采集監控目標的細節信息，只能顯示輪廓，因此適合與視頻內容分析配合使用。

3.3.2 主動紅外成像技術

主動紅外成像技術指選用感紅外彩轉黑攝像機及感紅外鏡頭并配置紅外光源進行視頻圖像采集，攝像機利用紅外光源照射監控目標之后反射回來的紅外光成像。目前主流的紅外光源主要集中在850 nm和940 nm兩個波段，其中850 nm的紅外光源會產生紅曝，即有可見的紅光，因此在鐵路綜合視頻監控系統中普遍采用940 nm波段的紅外光源。此類紅外光源主要分為以下3種：

鹵素燈泡加濾光片：照射距離較遠，功率較大，但能量損失也大，因為加有濾光片，大部分可見光被濾掉而轉變成熱能，所以這種紅外燈壽命較短，因此應用較少。

激光管：功耗低但能量集中，照射距離最遠（可達到1 000 m），但角度很小，一般配合云臺及變焦感紅外鏡頭使用。

LED發光二級管：應用比較廣泛，單管壽命長，但整體功率較大且照射范圍較小，一般在100 m以內。

4 小結

綜上所述，可見光視頻圖像采集主要在自然光照條件及可見光光源照射條件下應用，夜視技術主要在夜間微弱可見光或無可見光條件下應用。

目前鐵路綜合視頻監控系統應用的視頻圖像采集技術已包含可見光視頻圖像采集技術、被動紅外成像技術及主動紅外成像技術。在選用視頻圖像采集技術時，應結合視頻采集點的光照條件、用戶對視頻圖像的觀察效果需求、投資等因素，進行綜合考慮，合理選擇。

[1] TB 10085-2009 鐵路圖像通信設計規范[S]

[2] GB 50395-2007 視頻安防監控系統工程設計規范[S]

[3] 鐵道部. 運基通信[2008]630號 鐵路綜合視頻監控系統技

術規范（試行）[S]，2008