陳 梅

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院，北京 100073）

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,原始圖像的好壞是影響系統(tǒng)圖像質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵因素之一,視頻采集是決定系統(tǒng)可用性的關(guān)鍵一環(huán)。因此，在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中，應(yīng)重視視頻采集設(shè)備的合理選用和搭配，采用合理優(yōu)化的解決方案，在確保質(zhì)量的前提下，可降低成本，便于系統(tǒng)的后期維護(hù)。

表1 CCD尺寸與攝像機(jī)靶面尺寸對(duì)照表

1 攝像機(jī)

攝像機(jī)是攝像頭和鏡頭的總稱(chēng)。在監(jiān)控系統(tǒng)中，通常把攝像頭稱(chēng)作攝像機(jī)。多數(shù)情況下，攝像機(jī)和鏡頭根據(jù)需求搭配組裝。

（1）CCD

攝像機(jī)一般都采用電荷耦合器件（CCD）作為成像器件，它能夠?qū)⒐饩€(xiàn)變?yōu)殡姾刹⒖蓪㈦姾蓛?chǔ)存及轉(zhuǎn)移，也可將儲(chǔ)存的電荷取出使電壓發(fā)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(jī)靶面尺寸（CCD尺寸）大小和像素?cái)?shù)量是兩個(gè)重要的參數(shù)。

1）CCD尺寸

目前采用的芯片大多數(shù)為1/4 in以上，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工程應(yīng)用，除室內(nèi)球機(jī)外，大部分要求采用1/3 in以上。CCD尺寸與攝像機(jī)靶面尺寸對(duì)照如表1所示。

2）CCD像素

CCD由面陣感光元素組成，每一個(gè)元素稱(chēng)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(jī)的分辨率，分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)得越好。監(jiān)控用攝像機(jī)的CCD像素在40萬(wàn)左右。

（2）分辨率

分辨率是用電視線(xiàn)（TVL）來(lái)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(xiàn)數(shù)決定，最大為430線(xiàn)（PAL制）；水平分辨率是指垂直掃描線(xiàn)數(shù)，與CCD像素?cái)?shù)量和鏡頭有關(guān)，還與攝像機(jī)電路通道的頻帶寬度直接相關(guān)， 1 MHz的頻帶寬度相當(dāng)于80 TVL， 頻帶越寬，圖像越清晰，線(xiàn)數(shù)值相對(duì)越大。

（3）靈敏度/最低照度

靈敏度，也稱(chēng)為最低照度。是CCD對(duì)環(huán)境光線(xiàn)的敏感程度，即CCD正常成像時(shí)所需要的最暗光線(xiàn)。照度的單位是勒克斯（LUX），數(shù)值越小，表示需要的光線(xiàn)越少，攝像機(jī)也越靈敏。

在應(yīng)用中，在關(guān)注標(biāo)注最低照度的同時(shí)，也要關(guān)注標(biāo)注反射率、光圈（F Stop）、可用的視頻幅度（IRE單位）、自動(dòng)增益控制 （AGC）等參數(shù)。如 最 低 照 度 ：0.8lx，F(xiàn)1.2，40IRE，AGC開(kāi)，75%反射。

（4）快門(mén)速度

快門(mén)速度就是指曝光時(shí)間，通常為1/50 s（PAL制）。攝像機(jī)必須有足夠高的快門(mén)速度，以利于拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體或有效控制景深。實(shí)際應(yīng)用中，一般要求快門(mén)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(zhì)量良好；若為60 dB，則圖像質(zhì)量?jī)?yōu)良，不出現(xiàn)噪聲。

（6）背光補(bǔ)償

背光補(bǔ)償可以提供在非常強(qiáng)的背景光線(xiàn)前面目標(biāo)的理想曝光。線(xiàn)路監(jiān)視有火車(chē)車(chē)燈的影響、城市背景強(qiáng)光影響及太陽(yáng)光直射影響等因素時(shí)，需考慮背光補(bǔ)償功能的使用。

（7）寬動(dòng)態(tài)

寬動(dòng)態(tài)是保證場(chǎng)景中特別亮和特別暗的部位同時(shí)能看清楚。寬動(dòng)態(tài)范圍是指圖像能分辨的最亮信號(hào)值和最暗信號(hào)值的比值。在室內(nèi)環(huán)境下受不同時(shí)段陽(yáng)光影響的場(chǎng)景，要求攝像機(jī)具有寬動(dòng)態(tài)功能。

（8）白平衡

白平衡用于彩色攝像機(jī)，直接影響重現(xiàn)圖像的彩色效果。當(dāng)攝像機(jī)的白平衡設(shè)置不當(dāng)時(shí),重現(xiàn)圖像就會(huì)出現(xiàn)偏色現(xiàn)象,特別是使不帶色彩的景物(如白色墻壁)也出現(xiàn)了顏色。

2 鏡頭

2.1 鏡頭選擇

在選擇鏡頭時(shí)，有以下5個(gè)因素確定鏡頭標(biāo)準(zhǔn)。

監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的范圍、被監(jiān)視目標(biāo)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(yīng)與攝像機(jī)CCD靶面尺寸相一致，有1、2/3、1/2、1/3、1/4 in等規(guī)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(lái)衡量，用F表示。通光量與F值的平方成反比關(guān)系，F(xiàn)值越小，則光圈越大。所以應(yīng)根據(jù)被監(jiān)控部分的光線(xiàn)變化程度，來(lái)選擇用手動(dòng)光圈還是用自動(dòng)光圈鏡頭。F值與光圈大小對(duì)應(yīng)關(guān)系參見(jiàn)圖1。

2.1.3 鏡頭焦距

鏡頭焦距應(yīng)參照?qǐng)D2進(jìn)行計(jì)算。

其中：

f：鏡頭焦距；

D：監(jiān)視目標(biāo)距鏡頭的距離；

W：監(jiān)視目標(biāo)的水平寬度；

H：監(jiān)視目標(biāo)的垂直高度；

w：CCD的水平寬度；

h：CCD的垂直高度。

2.1.4 視場(chǎng)角

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

根據(jù)以上兩式，鏡頭的焦距f越短，其視場(chǎng)角越大，攝像機(jī)靶面尺寸h或w越大，其視場(chǎng)角也越大。如果所選擇鏡頭視場(chǎng)角太小，可能出現(xiàn)監(jiān)視死角；若選擇鏡頭視場(chǎng)角太大，可能造成監(jiān)視主體畫(huà)面尺寸太小，難以辨認(rèn)，畫(huà)面邊緣出現(xiàn)畸變。因此，要根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境選擇視場(chǎng)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(jiān)控系統(tǒng)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(zhǔn)面到焦點(diǎn)距離是17.526 mm。大多數(shù)攝像機(jī)的鏡頭接口為CS型，將C型鏡頭安裝到CS型接口攝像機(jī)時(shí)，需增配一個(gè)5 mm厚的接圈。如果對(duì)C型鏡頭不加接圈而直接接到CS型接口攝像機(jī)上，可能使鏡頭后鏡面碰到CCD靶面的保護(hù)玻璃，造成攝像機(jī)損壞。

2.2 鏡頭與攝像機(jī)靶面的關(guān)系

鏡頭尺寸必須與攝像機(jī)靶面尺寸相匹配。

當(dāng)鏡頭的成像尺寸比攝像機(jī)靶面的尺寸大時(shí)，不會(huì)影響成像，但實(shí)際成像的視場(chǎng)角要比該鏡頭的標(biāo)稱(chēng)視場(chǎng)角小。當(dāng)鏡頭的成像尺寸比攝像機(jī)靶面的尺寸小時(shí)，會(huì)影響成像，表現(xiàn)為成像的畫(huà)面四周被鏡筒遮擋，在畫(huà)面的4個(gè)角上出現(xiàn)黑角。

比如， 1/2 in鏡頭，既可用于1/2 in攝像機(jī)，也可用于1/3 in攝像機(jī)，但視場(chǎng)角會(huì)減少25%左右。1/3 in鏡頭不能用于1/2 in攝像機(jī)，只能用于1/3 in攝像機(jī)。

3 攝像機(jī)云臺(tái)

選擇云臺(tái)時(shí)，除要考慮安裝環(huán)境、安裝方式、工作電壓、負(fù)載大小、性能價(jià)格比及外型是否美觀等因素外，還要注重以下性能指標(biāo)。

（1）云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度

云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是衡量云臺(tái)檔次高低的重要指標(biāo)。云臺(tái)水平和垂直方向是由兩個(gè)不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，因此，云臺(tái)的轉(zhuǎn)速也分為水平轉(zhuǎn)速和垂直轉(zhuǎn)速。一般情況下，云臺(tái)的垂直轉(zhuǎn)速要低于水平轉(zhuǎn)速。

交流型云臺(tái)使用交流電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度固定。直流型云臺(tái)大都采用直流步進(jìn)電機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高、可變速的優(yōu)點(diǎn)，十分適合需要快速捕捉目標(biāo)的場(chǎng)合。

（2）云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度

云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度尤其是垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度與負(fù)載（含防護(hù)罩/攝像機(jī)/鏡頭）安裝方式關(guān)系很大。

云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度一般都能達(dá)到355°，但會(huì)出現(xiàn)少許的監(jiān)控死角。當(dāng)前的云臺(tái)通過(guò)改進(jìn)限位裝置使其可以達(dá)到360°，甚至365°（有5°的覆蓋角度），以消除監(jiān)控死角。使用時(shí)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行限位設(shè)置。壁裝式只需監(jiān)視水平180°的范圍，角裝式只需監(jiān)視270°的范圍，頂裝式的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度一般為+30°至-90°，側(cè)裝的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以達(dá)到±180°，正常使用時(shí)垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度在+20°至-90°即可。這樣避免云臺(tái)過(guò)多地轉(zhuǎn)動(dòng)到無(wú)需監(jiān)控的位置，也提高了云臺(tái)的使用效率。

（3）云臺(tái)載重量

云臺(tái)的載重量是選用云臺(tái)的關(guān)鍵。如果云臺(tái)載重量小于實(shí)際負(fù)載重量,不僅會(huì)使操作功能下降，而且云臺(tái)的電機(jī)、齒輪也會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷而損壞。云臺(tái)的實(shí)際載重量可從3 kg到50 kg不等，同一系列的云臺(tái)產(chǎn)品，側(cè)裝時(shí)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(tái)預(yù)置位及回位精度

選擇云臺(tái)，還應(yīng)考慮云臺(tái)的可編程預(yù)置位功能及回位精度。云臺(tái)應(yīng)可以支持多個(gè)預(yù)置位，回位精度應(yīng)不大于1°。

（5）云臺(tái)環(huán)境指標(biāo)要求

一般室外環(huán)境使用的云臺(tái)，溫度范圍為-20℃至+60℃，如果使用在更低溫度的環(huán)境下，可以在云臺(tái)內(nèi)部加裝溫控型加熱器，使溫度下限達(dá)-40℃或更低，濕度指標(biāo)一般為95%不凝結(jié)。防塵防水的IP等級(jí)應(yīng)達(dá)到IP66以上。

（6）云臺(tái)解碼器

云臺(tái)解碼器的主要作用是接收控制信號(hào)，并進(jìn)行解碼，控制攝像機(jī)及其輔助設(shè)備的各種動(dòng)作（如鏡頭的變倍、云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)等）。

4 防護(hù)罩

4.1 防護(hù)罩尺寸

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

4.2 防護(hù)罩環(huán)境指標(biāo)要求

為適應(yīng)散熱和低溫要求，防護(hù)罩要配置風(fēng)扇和加熱單元；為適應(yīng)室外的防塵防水要求，防護(hù)罩的防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于IP66。

5 視頻采集解決方案

為滿(mǎn)足用戶(hù)需求，視頻采集有不同的解決方案，主要根據(jù)視頻采集點(diǎn)主要設(shè)置地點(diǎn)、監(jiān)視目標(biāo)、圖像分辨率要求及功能實(shí)現(xiàn)上配置不同的設(shè)備。

5.1 視頻采集點(diǎn)設(shè)置

視頻采集點(diǎn)設(shè)置應(yīng)考慮設(shè)置地點(diǎn)、監(jiān)視目標(biāo)的范圍、采集設(shè)備要求、圖像分辨率要求以及存儲(chǔ)時(shí)間的因素。具體原則可參照《鐵路圖像通信設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)附錄。其中，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，機(jī)房室內(nèi)采集點(diǎn)通信分辨率不小于CIF即可。

5.2 夜視功能實(shí)現(xiàn)方案

隨著用戶(hù)需求的不斷明確，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的晝夜監(jiān)視更顯重要。夜間監(jiān)控主要有以下解決方案。

（1）采用低照度攝像機(jī)/彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)+輔助照明光源，實(shí)現(xiàn)夜視功能

在采用低照度攝像機(jī)時(shí)，要求攝像機(jī)具有幀積累功能；對(duì)于彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)，在鏡頭選擇上建議選用帶紅外校正功能。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，盡管設(shè)備的標(biāo)稱(chēng)指標(biāo)很高，但也只能在傍晚或有月光的夜晚獲取圖像，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)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(shí)，應(yīng)注意紅外燈的發(fā)射角度不大于鏡頭的視角，在狹長(zhǎng)環(huán)境應(yīng)用時(shí)，應(yīng)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(jī)和紅外燈是兩個(gè)完全獨(dú)立的設(shè)備，紅外燈的價(jià)格相對(duì)較低，但覆蓋距離一般不超過(guò)100 m。

京津客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，維修梯夜間監(jiān)控、路基地段的連續(xù)夜間監(jiān)控、區(qū)間設(shè)備機(jī)房室外的夜間監(jiān)控就是采用上述方案實(shí)現(xiàn)的，使用效果較好。

（2）采用激光攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)夜視功能

激光攝像機(jī)是利用激光束作為光源，把攝像機(jī)和激光器通過(guò)合理選配，集成一體，實(shí)現(xiàn)幾百米不等的監(jiān)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(yuǎn)等特點(diǎn)。選用激光攝像機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮激光紅曝對(duì)使用的影響，避免激光聚焦點(diǎn)對(duì)人身的傷害。激光攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦，在鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用剛剛起步。廣深線(xiàn)的線(xiàn)路夜間監(jiān)控就是采用覆蓋距離達(dá)300 m的激光攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)的。

（3）采用被動(dòng)式紅外熱像儀，實(shí)現(xiàn)夜視功能

鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，采用被動(dòng)式紅外熱像儀解決夜視問(wèn)題。被動(dòng)式紅外熱成像是借助于目標(biāo)本身發(fā)射的紅外輻射，是根據(jù)目標(biāo)與背景或目標(biāo)本身的溫差或熱輻射差異來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的。熱像儀的成像效果不受外界條件影響，監(jiān)視距離較遠(yuǎn)，可達(dá)2 km，技術(shù)較成熟，設(shè)備性能比較穩(wěn)定，在青藏線(xiàn)格拉段線(xiàn)路監(jiān)視中得到應(yīng)用。但設(shè)備造價(jià)高，成像只能觀察到目標(biāo)的輪廓，無(wú)法看到具體細(xì)節(jié)和顏色。

5.3 高清圖像的采集方案

隨著高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的大量應(yīng)用和發(fā)展，視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸資源的不斷改善，高清圖像能更好地滿(mǎn)足鐵路各業(yè)務(wù)部門(mén)的需求。

當(dāng)圖像分辨率達(dá)到720P（1280×720）、1080i（1920×1080）、1080P（1920×1080）像素時(shí)，被稱(chēng)為高清圖像。其中，i代表隔行掃描， p代表逐行掃描。

要滿(mǎn)足高清圖像分辨率要求，攝像機(jī)像素必須達(dá)到百萬(wàn)以上，同時(shí)要求必須有兩個(gè)以上視頻流輸出。大流量視頻流（8 Mbit/s以上）適合局域網(wǎng)內(nèi)的本地用戶(hù)瀏覽，小流量視頻流用于廣域網(wǎng)上傳輸，為上級(jí)用戶(hù)調(diào)用。高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在車(chē)站這類(lèi)采集點(diǎn)較集中的區(qū)域有應(yīng)用前景。

6 結(jié)束語(yǔ)

前端采集設(shè)備選用時(shí)，除對(duì)重要參數(shù)指標(biāo)嚴(yán)格把關(guān)外，還應(yīng)要求配套設(shè)備的接口類(lèi)型和設(shè)備供電電源種類(lèi)盡量統(tǒng)一，以減少故障點(diǎn)和備品備件種類(lèi)，降低系統(tǒng)維護(hù)難度。

[1] TB10085-2009 鐵路圖像通信設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[2]運(yùn)基通信[2008]630號(hào) 鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（試行）[S].

[3]鐘曉流. 多媒體視聽(tīng)與技術(shù)應(yīng)用環(huán)境[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2007.