視頻防抖技術在青藏鐵路視頻監控系統中的應用

韓振方，陳 梅

（1．通號通信信息集團有限公司，北京 100070；2．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

青藏鐵路格拉段（格爾木—拉薩）視頻監控系統實現了網絡化視頻、多級控制、視頻多用戶共享、相對集中存儲、視頻內容分析、采用多廠家編解碼設備等多項應用。2007 年正式開通運行后，經歷了低壓、高寒、雨雪、大風等各種嚴酷環境的考驗。

青藏鐵路是世界上第一條在高寒高原鐵路建設線路視頻監控系統的鐵路線路、是第一條在GSM-R 基站鐵塔上架設長大鏡頭攝像機進行線路監視的鐵路線路，該系統是第一次應用熱成像攝像機進行重點區域全天候監視、第一個大面積使用視頻分析的系統。它的成功建設和應用，對保證青藏鐵路線路、運輸安全，改善鐵路公安、運輸、工務等部門工作條件，保障各級指揮機關高效工作發揮了重要作用。同時為此后的大面積綜合視頻系統的建設提供了成功案例，更重要的是使鐵路綜合視頻監視系統的建設思路得到初步體現，為鐵路綜合視頻系統的相關標準制定提供的依據。

在經歷了標準類技術文件《鐵路綜合視頻監控系統技術規范（試行）》（運基通信[2008]630 號）、《鐵路綜合視頻監控系統技術規范（v1.0）》（鐵總運[2013]71 號）演進后，按照原中國鐵路總公司的企業標準《鐵路綜合視頻監控系統技術規范》（Q/CR 575-2017）的技術規定要求，青藏鐵路格拉段（格爾木—拉薩）視頻監控系統于2019 年開始全面更新改造，引入1080P 高清視頻、云存儲、視頻防抖等先進技術，進一步發揮該系統在青藏鐵路的運輸生產和安全防恐等工作中的特殊作用。本文重點分析研究視頻防抖的解決方案。

2 圖像抖動產生的原因及影響

青藏鐵路格拉段線路監視攝像機布設在GSM-R鐵塔上，高度在15 ～25 m 之間。大風天氣的鐵塔晃動造成不同程度的圖像抖動；重載云臺在長期使用過程中渦輪蝸桿間隙會變大，云臺也會抖動。當云臺護罩發生0.1°的抖動時，鐵塔底部沒有任何感覺，但會對圖像產生很大影響。青藏鐵路沿線使用的長焦鏡頭為750 mm，日常使用中產生的圖像抖動，在長焦端特別明顯，如圖1 所示。

圖1 青藏鐵路格拉段有風圖像效果 Fig.1 Image effect in Golmud-Lhasa section of Qinghai-Tibet railway when it is windy

在廣角端（短焦）時視場角為25°，設備水平抖動0.1°時，畫面抖動0.4%，抖動不明顯，如圖2所示。

圖2 廣角抖動圖 Fig.2 Wide-angle lens shaking graph

在長焦時視場角為0.45°，設備水平抖動0.1°時，畫面抖動22%，抖動明顯；當畫面抖動超過屏幕1/5 時，圖像就會無法正常監控。同時在連續發生抖動時，傳統鏡頭的自動聚焦鏡組（前方大鏡組）不能夠完全捕捉與停留在清晰位置（自動聚焦參照CCD 成像面上的成像效果）,就會出現圖像清晰度下降，圖像抖動，自動聚焦效果差。如圖3 所示。

圖3 長焦抖動圖 Fig.3 Telephoto lens shaking graph

圖像抖動不僅導致視頻質量下降，影響監視效果，更重要的是對視頻分析產生極大影響，導致無法分析或者分析的結果誤報增多。因此，解決圖像抖動，成為保證視頻系統質量和應用的一個重點問題。

3 防抖技術的分析比較

目前，應用于視頻監控的防抖技術分為電子防抖與光學防抖兩種。電子防抖技術也稱為電子穩像，其技術性能主要取決于軟件算法，效果差異較大；光學防抖技術較成熟，在廣電行業應用較多，效果良好。

3.1 電子防抖技術

電子防抖技術是使用數字電路進行畫面的處理產生防抖效果。電子防抖主要在攝像機上采用強制提高CCD 感光參數，同時加快快門并針對CCD 上取得的圖像進行分析，然后利用邊緣圖像進行補償的防抖。

電子防抖是一種通過降低畫質來補償抖動的技術。該技術試圖在畫質和畫面抖動之間取得一個平衡點。當防抖電路工作時，拍攝畫面只有實際畫面90%左右，然后數字電路對攝像機抖動方向進行模糊判斷，對剩下的10%左右畫面進行抖動補償，依靠數字處理的技術實現防抖，然后利用邊緣圖像進行補償，對畫質有一定程度的破壞，效果比較差。

電子防抖實現過程，示意如圖4 所示。

圖4 電子防抖實現過程示意圖 Fig.4 Schematic diagram of electric anti-shaking realization process

3.2 光學防抖技術

光學防抖就是在鏡頭中設置專門的防抖補償裝置，裝置內的檢測裝置（陀螺儀）偵測到微小的移動時，會將信號傳至微處理器立即計算需要補償的位移量，然后通過補償鏡片組，根據鏡頭的抖動方向及位移量加以補償，從而有效的克服鏡頭抖動產生的影像模糊，根據鏡頭的抖動方向和程度，補償鏡組相應調整位置和角度，使光路保持穩定，不會對CCD 成像面上的圖像產生影響，從而就不會影響自動聚焦，設備會呈現出良好的圖像效果，如圖5、6 所示。

3.3 電子防抖技術與光學防抖技術應用比較

電子防抖技術與光學防抖技術應用差異主要體現在對圖像清晰度的影響、視場角的變化、頻率修正指標、聚集的影響程度及透霧果等，具體結果如表1 所示。

圖5 鏡頭的光學防抖處理過程 Fig.5 Optical anti-shaking processing process for lens

圖6 防抖關閉與打開圖像對比 Fig.6 Image comparison during anti-shaking turn off and turn on

表1 電子防抖技術與光學防抖技術應用對比表Tab.1 Application comparison between electronic and optical anti-shaking technology

4 系統視頻防抖解決方案

青藏鐵路格拉段視頻改造首批實施唐南段（拉薩—唐古拉南）。經過設計比選和多方論證，長焦鏡頭采用具有光學防抖功能的富士能SX800 鏡頭。

該型號鐿頭的主要規格參數：

分辨率：1920×1080P（Full HD）；

焦距：20 ～800 mm；

倍率：光學40 倍；

最大口徑：1：3.9；

最小物距：10 m；

視角：（16：9）W 19.27°～14.48°，T 0.50°～0.38°；紅外線鏡頭（IR）波長808 ～950 nm；

自動手動光圈可選；支持連續自動對焦鏡頭AF（Auto Focus）、單次AF、手動AF；支持光學防抖、光學透霧、除熱浪。

富士能SX800 鏡頭融合了富士膠片的光、機、電核心技術，使防抖矯正比傳統技術提高4 倍以上，防抖頻率2 ～10 Hz，防抖范圍可達畫面30%；同時也優化自動聚焦裝置，將傳統前置大鏡組聚焦改為后置小鏡組聚焦，直接在傳感器上獲取AF 信息，把傳統需要數秒的自動聚焦縮短至1 s 以內，小鏡組控制精度更高、速度快，在惡劣抖動環境下自動聚焦清晰度高且更耐用。SX800 鏡頭也搭載有富士膠片獨創的除熱浪技術與光學透霧技術，在實際應用中更方便，省時、省力。

5 結束語

鐵路視頻監控系統中線路視頻監視不可或缺，長距離視頻監視的大量需求導致長焦鏡頭廣泛應用，攝像機的架設高度、大風天氣等不利因素使得圖像抖動現象不可避免，青藏線的視頻防抖解決方案可以為其他線路長距離大范圍監視提供借鑒。