高速公路視頻監控技術研究

朱鳳杰

(河北交投沿海高速公路有限公司，河北 秦皇島 066000)

1 引言

近年來，隨著社會經濟水平的提高，高速公路通行車輛也越來越多，交通問題日益嚴峻[1]。高速公路監控系統有助于人們防范事故，判斷事故責任[2-3]。最近幾年，研究高速公路監控系統的學者越來越多，出現了一系列的新技術和算法，而高速公路監控系統在防范交通危險，提高交通運輸能力上大有裨益[4-5]。本文深入剖析目前高速公路典型監控攝像機的種類與特點，并結合目前京秦高速公路的監控系統現狀，研究和探討現今高速公路監控系統問題。

2 外場視頻監控攝像機的種類與特點

2.1 按產品外形、性能分類

按高速公路監控攝像機外形及性能分，有槍形攝像機、球形攝像機、高速球攝像機等，目前高速公路外場監控系統多采用槍形攝像機，球形攝像機、高速球攝像機多用于收費站廣場監控和室內監控等領域。像素數、分辨率、最低照度、信噪比是槍形攝像機的幾個重要指標。

2.2 按成像效果進行分類

“標清攝像機”是目前我國高速公路全程監控系統前端設備的主要構成方式，其最大圖像分辨率可達到D1(704×576）標準。信號傳輸采用視頻光端機，后端設備包括視頻分配器、視頻矩陣、硬盤錄像機和監視器等。

“高清攝像機”是我國目前高速公路監控系統前端設備構成的主要發展趨勢。高清攝像機圖像不僅分辨率高，而且分辨率動態可變。因此，它采用以太網接口直接輸出數字圖像。高清攝像機在高速公路上的應用是一個完全IP 數字高清視頻監控系統，采用分布存儲集中管理方案，主要特點為全數字、全IP 尋址、分布式存儲架構、兩可變圖像監控，是真正的全數字系統。

2.3 按成像色彩進行分類

在閉路監控系統發展的初期，由于成本和技術條件等的限制，大部分都使用的是黑白攝像機，而且主要應用都是在一些相對重要和敏感的重要部門和區域。隨著生活水平的提高和社會環境的復雜性變化，各種監控系統在日常生活中成為人們安全防護的重要手段。同時，作為安全防范技術最前沿的視頻監控系統獲得了快速的發展。加上彩色成像技術的成熟，大規模集成電路技術的發展，彩色攝像機的成本已經降到比原來的黑白攝像機成本還低，所以彩色攝像機從20世紀90年代開始就隨著視頻監控市場的迅猛發展而迅速發展，并成為監控系統前端的首要設備。

3 監控攝像機聚焦性能與有效監控范圍的研究

3.1 監控攝像機有效監控范圍的研究

監控范圍是監控攝像機的一個重要參數。合適的監控范圍能大大提高視頻監控的效果，提高視頻監控的效率，如圖1所示，攝像機的有效監控范圍與如下幾個參數相關。

式中，R 為觀測范圍，m；H 為攝像機高度，m；θ 為攝像機視軸俯角，(°）；ω 為攝像機全視場角，(°）；d 為靶面高度，mm；f 為攝像機鏡頭焦距，mm；L 為觀測距離，m。

3.1.1 視場角

攝像機鏡頭視場角越大，其監控范圍越廣。目前，市場上有廣角鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭、變焦鏡頭等多種鏡頭，就是依據監控范圍的需求而采取的多種設計形式。

3.1.2 焦距

除了攝像機監控范圍，畫面細節清晰程度也是人們關注的一個重要問題。目前，高速公路一般采用變倍、變焦攝像機，以達到在滿足監控范圍要求的前提下，通過適當調整攝像機焦距來獲取更多的監控細節。

在鏡頭規格一定的情況下，鏡頭的焦距越長，其視場角就越小；在鏡頭焦距一定的情況下，鏡頭規格越大，其視場角也越大。

鏡頭焦距的理論計算公式(4）如下：式中，U 為景物實際高度；D 為鏡頭至景物實測距離；u 為圖像高度。

3.2 京秦高速公路監控現狀分析

目前，京秦高速公路全線按平均2 km 的間距設置1 對攝像機(云臺式攝像機和固定式攝像機），全線外場沿線共設置226 臺攝像機。固定式攝像機完成近距離全景監控，云臺攝像機除一般時候擔任上述功能外，在交通事故發生等特殊情況下完成細節性監控。

3.2.1 固定式監控

固定式監控選用COMPUTAR H6Z0812AMS 型鏡頭，如圖2所示。

已知京秦高速公路監控攝像機安裝高度為13 m，則監控范圍R 如表1所示。

表1 固定式攝像機監控情況表

如表1所示，在攝像機監控過程中，當焦距拉到最短，視場角范圍最大時，隨著視軸俯角的增大，觀測范圍逐步變大，當視軸俯角達到67°時，觀測范圍達到1 047 m，對于1 km 的監控范圍要求來說，該角度是視軸俯角較為理想的選擇，但隨著視軸俯角的增大，觀測距離有所增加，即監控攝像機附近的監控盲區有所增加。

3.2.2 云臺式監控

如圖3所示，云臺監控是一種比較靈活的監控模式，在日常監控情況下，可將焦距拉到最短，完成宏觀狀態的監控，在特殊情況下，可以通過調整焦距大小，進行細節性的監控與觀測。

表2數據顯示，在一般情況下，目前京秦高速公路視頻監控系統基本能滿足監控需求。但這適用于一般的監視情況，在進行系統的升級改造時，以下幾個因素應該重點考慮：

表2 云臺式攝像機監控情況表

1）當系統后端接入視頻交通事件檢測系統時，應結合視頻事件檢測系統的實際檢測范圍進行綜合考慮；

2）考慮惡劣氣象對監控效果的影響；

3）考慮道路線形、道路遮擋對監控效果的影響。

4 道路環境與監控范圍影響的研究

4.1 大霧環境中提高攝像機監控范圍技術的研究

4.1.1 大霧環境中視頻監控技術的研究

面對大霧等惡劣氣象，嚴重影響大變倍鏡頭觀察能力的情況，采用一種“透霧”技術，能較好地解決該問題。該技術可以自動修正物體光線的縱向色差，保證物體光的RGB 信號不偏差，再利用單色(黑白）圖像表達空間的能量，使透霧能力超過能見度的數倍以上。

圖4為在山東勝利油田的監控實驗，大霧發生時，在一般監控模式中，遠區域海面幾乎完全不可見，當“透霧”模式開啟后，能比較容易發現遠方海面的勝利油田。

4.1.2 低照度對監控范圍影響的研究

如何提高夜晚低照度下的監控效果是監控領域的瓶頸技術之一。目前，普遍采用的辦法是采用主動紅外技術與被動紅外技術，如圖5所示，被動紅外攝像機技術是利用任何物質在絕對零度(-273 ℃）以上都有紅外線輻射，物的溫度越高，輻射出的紅外線越多的原理。利用此原理制成的紅外攝像機最典型的就是紅外熱像儀，但是，這種特殊的紅外攝像機造價昂貴，因此，僅限于軍事或特殊場合使用。而主動紅外攝像技術，是采用紅外燈輻射“照明”(主要是紅外光線），應用紅外攝像機，感受周圍景物和環境反射回來的紅外光實現夜視監控。

目前，國內有部分高速公路路段給彩色黑白攝像機安裝紅外補光照明燈，如圖6所示。紅外線在可見光的條件下會干擾攝像機的清晰度和色彩還原，彩色攝像機的濾光片可以很好地阻止紅外線。

目前，市場廣泛使用的紅外光源有LED 紅外燈、微陣列LED 紅外燈、鹵素濾光型紅外燈等。但這幾種紅外燈都存在一定局限性，不適用于1 km 以上的遠距離夜視監控。本文擬采用近紅外大功率半導體激光光源照明，采用半導體激光二極管LD，其波長為808 nm，功率根據所需距離有1～10 W 等，能較好地滿足高速公路夜間監控，如圖7所示。

4.2 高速公路監控設施優化布設技術的研究

4.2.1 視頻監控攝像機的安裝高度與安裝方式

視頻監控攝像機的安裝高度和安裝方式直接關系到視頻監控的范圍和監控效果，也直接關系到監控圖像的穩定性。目前，高速公路安裝高度視情況分為10 m、12 m、15 m 等多種情況，安裝高度為12 m 和15 m 的情況最為常見。

實驗證明，12～15 m 是較為理想的安裝高度，能基本保證對所需監控范圍的監控要求，當高度過高時，在大風等惡劣氣象時會帶來監控攝像機的晃動，不利于監控圖像的穩定輸出。

目前，高速公路路側監控攝像機的安裝以路側安裝為主，但也存在隔離帶中間安裝和其他的安裝方式，不過中間安裝的方式一般以車流量等參數指標檢測為主，監控視域范圍有限。

當高速公路需要跨越江河、溝壑時，此時監控攝像機一般不具備路側安裝的條件，一般采用直接安裝在橋梁混凝土防護欄上面或其他地方。

通過國內外廣泛調研和大量的實踐表明，路側安裝是一種比較值得推薦的攝像機安裝方式，能基本滿足道路管理部門對道路的監控需求，也有利于監控攝像機的后期維護及改造。

4.2.2 監控攝像機布設位置的考慮與選擇

監控攝像機布設位置是高速公路監控系統設計和實施中一個重要的考慮因素，考慮到監控攝像機本身能達到的監控范圍、道路曲線影響、道路橫縱坡影響、樹木高山遮擋物影響、道路標志等交通設施遮擋影響等，在進行監控攝像機布設時要經過詳細的研究與考慮。

1）等間距布設

等間距布設是在全程監控系統中用的較多的一種方式，一般用于遮擋少的平原高速公路。目前，京秦高速公路全程監控系統就是使用的等間距布設方式。這種布設方式一般全路段都使用統一型號的攝像機，由于道路曲線、道路橫縱坡、樹木高山遮擋物等影響較小，一般不對這些因素做過多考慮。

2）優化布設方式

山區、丘陵地帶一般不宜采用簡單的等距離布設方式，由于影響視距的因素較多，采用上述方式容易造成如下兩種后果：(1）視域嚴重遮擋，達不到理想的監控效果；(2）監控區域嚴重重疊，造成大量監控資源浪費。基于以上種種因素，一般可考慮采用優化的布設方式。

3）影響監控視域的相關因素

一是平曲線對監控視域的影響。如圖8所示，平曲線處攝像機宜安裝于平曲線外側，這樣能減少遮擋影響，擴大監控視域范圍。

二是縱坡對監控視域的影響。如圖9所示，縱坡路段攝像機宜布設于縱坡上半部分或坡頂，這樣能減少遮擋影響、增大監控范圍并有利于攝像機的操控。

三是交通安全設施對監控視域的影響等。在進行交通標志等安全設施和道路攝像機布設時，應進行綜合考慮，防止對其對監控范圍的大面積遮擋，造成大區域監控盲區。

5 結語

京秦高速公路視頻監控系統的智能化是一項比較大的系統工程，受到人力、物力、資金、技術等多方面的限制。本文結合京秦高速公路視頻監控系統的現狀，本著切實可行和可持續發展的原則，探討了攝像機的選型、攝像機在霧天、低照度等惡劣環境條件下的應用等瓶頸問題。