■ 劉寶金 費(fèi)冬 郝文佳

1 概述

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)是鐵路安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)以直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)和信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以及圖像處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，鐵路綜合視頻監(jiān)控技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括前端采集設(shè)備、傳輸設(shè)備、處理/控制設(shè)備和記錄/顯示設(shè)備4部分，采用PAL電視制式。根據(jù)《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（試行）》，前端采集設(shè)備的定義為“設(shè)置在視頻采集點(diǎn)的攝像機(jī)及與之配套的附屬設(shè)備等，用于對(duì)視頻圖像信息進(jìn)行采集”。

視頻圖像采集技術(shù)按照成像原理可分為可見(jiàn)光視頻圖像采集技術(shù)和夜視條件下視頻圖像采集技術(shù)兩大類。夜視技術(shù)又可以細(xì)分為微光夜視技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)及紅外成像技術(shù)。幾種主要技術(shù)的成像光譜對(duì)比見(jiàn)圖1。

2 可見(jiàn)光視頻圖像采集技術(shù)

可見(jiàn)光成像技術(shù)是建立在光學(xué)技術(shù)與半導(dǎo)體、微電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等基礎(chǔ)上的成像技術(shù)，其性能受光學(xué)鏡頭、成像器件和信號(hào)處理的制約?？梢?jiàn)光視頻圖像采集設(shè)備主要包含光學(xué)鏡頭和攝像機(jī)兩部分。

2.1 光學(xué)鏡頭

光學(xué)鏡頭主要用來(lái)采集監(jiān)控目標(biāo)反射回來(lái)的可見(jiàn)光，并將此傳送至攝像機(jī)的光電傳感器上。其主要技術(shù)指標(biāo)包括：鏡頭尺寸、焦距、變倍、光圈。

鏡頭尺寸：需與攝像機(jī)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(chǎng)角的大小。焦距數(shù)值小，視場(chǎng)角大，所觀察的范圍也大，但距離遠(yuǎn)的物體分辨不很清楚；焦距數(shù)值大，視場(chǎng)角小，觀察范圍小，只要焦距選擇合適，即便距離很遠(yuǎn)的物體也可以看得清清楚楚。由于焦距和視場(chǎng)角是一一對(duì)應(yīng)的，一個(gè)確定的焦距就意味著一個(gè)確定的視場(chǎng)角，所以在選擇鏡頭焦距時(shí)，需同時(shí)考慮觀測(cè)細(xì)節(jié)和觀測(cè)范圍兩個(gè)因素。如果要看細(xì)節(jié)，則選擇長(zhǎng)焦距鏡頭；如果看近距離大場(chǎng)面，則選擇小焦距的廣角鏡頭。根據(jù)監(jiān)控目標(biāo)的遠(yuǎn)近可選用不同焦距的鏡頭，在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中一般分為短距鏡頭（監(jiān)控目標(biāo)在200～300 m以內(nèi)）、中距鏡頭（監(jiān)控目標(biāo)在500～800 m以內(nèi)）和長(zhǎng)距鏡頭（監(jiān)控目標(biāo)在1 000 m以上）。

變倍：變倍鏡頭分為手動(dòng)和電動(dòng)兩種，手動(dòng)變倍鏡頭一般用于監(jiān)控目標(biāo)距離較近的場(chǎng)景，如公跨鐵橋梁監(jiān)控點(diǎn)等。在監(jiān)控很大的場(chǎng)面時(shí)，攝像機(jī)通常要配合電動(dòng)鏡頭和云臺(tái)使用。電動(dòng)鏡頭的優(yōu)勢(shì)是變焦范圍大，既可以看大范圍的情況，也可以聚焦某個(gè)細(xì)節(jié)，再加上云臺(tái)可以上下左右的轉(zhuǎn)動(dòng)，可視范圍非常大。根據(jù)監(jiān)控范圍的大小，電動(dòng)鏡頭一般分為6倍、10倍、20倍等多種倍率。

光圈：光圈指數(shù)一般用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來(lái)衡量。光通量與F值的平方成反比關(guān)系，F(xiàn)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(dòng)光圈鏡頭和自動(dòng)光圈鏡頭。手動(dòng)光圈鏡頭適合亮度變化不大的場(chǎng)合，它的進(jìn)光量通過(guò)鏡頭上的光圈環(huán)調(diào)節(jié)，一次性調(diào)整合適為止。自動(dòng)光圈鏡頭會(huì)隨著光線的變化而自動(dòng)調(diào)整，用于室外、入口等光線變化大且頻繁的場(chǎng)合。在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中均使用自動(dòng)光圈鏡頭。自動(dòng)光圈鏡頭目前分為兩類：一類稱為視頻驅(qū)動(dòng)型，鏡頭本身包含放大器電路，用以將攝像機(jī)傳來(lái)的視頻幅度信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)光圈馬達(dá)的控制；另一類稱為直流驅(qū)動(dòng)型，利用攝像機(jī)上的直流電壓來(lái)直接控制光圈。

2.2 攝像機(jī)

攝像機(jī)基本原理：把光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以便于存儲(chǔ)或傳輸。監(jiān)控目標(biāo)反射的光被攝像機(jī)鏡頭收集，使其聚焦在攝像管的成像靶面上，再通過(guò)攝像器件把光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，即得到了“視頻信號(hào)”。光電信號(hào)很微弱，需通過(guò)預(yù)放電路進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)各種電路進(jìn)行處理和調(diào)整，最后得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)可以輸出至傳輸設(shè)備或顯示設(shè)備。

攝像機(jī)由兩部分組成：光電傳感器及數(shù)字電路。其中光電傳感器是攝像機(jī)的核心部件，把光圖像轉(zhuǎn)變成視頻電信號(hào)，一般分為兩種，即CCD（電荷耦合器件，Charge Coup led Device）和CMOS（互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體，Com p lem entary M etal Oxide Sem iconductor）。在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，目前采用的攝像機(jī)均為CCD攝像機(jī)，其主要技術(shù)指標(biāo)包括：CCD尺寸、水平分辨率、電子快門(mén)、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(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的主流攝像機(jī)的分辨率在44萬(wàn)像素左右，水平分辨率達(dá)到480 TVL，540 TVL及620 TVL。

電子快門(mén)：快門(mén)是控制曝光時(shí)間的指標(biāo)，一般而言快門(mén)的時(shí)間范圍越大越好。秒數(shù)高，曝光時(shí)間長(zhǎng)，適合在光照不足的條件下應(yīng)用；秒數(shù)低，曝光時(shí)間短，適合拍運(yùn)動(dòng)中的物體，在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，快門(mén)速度達(dá)到1/100 000 s的攝像機(jī)已廣泛應(yīng)用。

感光度：攝像機(jī)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(shù)

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，與可見(jiàn)光條件下的視頻圖像采集相比，夜視條件（夜間增加可見(jiàn)光照明條件的視頻圖像采集可以理解為在可見(jiàn)光條件下的視頻圖像采集）下的視頻圖像采集無(wú)疑是技術(shù)難點(diǎn)。

3.1 微光夜視技術(shù)

微光夜視技術(shù)是用電真空和電子光學(xué)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光子圖像—電子圖像—光子圖像的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，通過(guò)對(duì)電子圖像的增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光子圖像的增強(qiáng)，進(jìn)而達(dá)到在有微弱光線照明下的夜間觀察的一種技術(shù)。此種技術(shù)在全黑的條件下不能應(yīng)用。其工作原理為：景物反射的微弱可見(jiàn)光和近紅外光匯聚到光電陰極上，光電陰極受激向外發(fā)射電子，實(shí)現(xiàn)把景物的光強(qiáng)分布圖像變成與之對(duì)應(yīng)的電子數(shù)密度分布圖像；在電子光學(xué)部件中，輸入一個(gè)電子，可以輸出成千上萬(wàn)個(gè)電子，因此，光電陰極的電子數(shù)密度分布圖像就被成千上萬(wàn)倍的增強(qiáng)了；最后，經(jīng)過(guò)倍增的大量電子轟擊熒光屏，實(shí)現(xiàn)電子圖像—光子圖像的轉(zhuǎn)變，得到增強(qiáng)微光圖像供人眼觀察。

3.2 雷達(dá)技術(shù)

成像雷達(dá)又稱合成孔徑雷達(dá)，雷達(dá)天線尺寸就是其工作波長(zhǎng)的尺寸量級(jí)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，雷達(dá)天線的尺寸就越大；目標(biāo)的散射截面是決定雷達(dá)探測(cè)距離關(guān)鍵因素之一，一般情況下，目標(biāo)的散射截面與目標(biāo)的尺寸相關(guān)，尺寸越大，散射截面就越大；雷達(dá)的空間分辨力與工作波長(zhǎng)有關(guān)，工作波長(zhǎng)越長(zhǎng)，空間分辨力越差，此技術(shù)可以達(dá)到米級(jí)的分辨力。

3.3 紅外成像技術(shù)

紅外成像技術(shù)分為被動(dòng)紅外成像技術(shù)和主動(dòng)紅外成像技術(shù)兩大類，此兩種技術(shù)均已在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用。

3.3.1 被動(dòng)紅外技術(shù)

被動(dòng)紅外成像技術(shù)利用景物自身發(fā)射的熱輻射成像，又稱為熱成像技術(shù)。能夠攝取景物紅外輻射分布圖像、并將其轉(zhuǎn)換為人眼可見(jiàn)圖像的裝置就是紅外熱成像系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱熱像儀）。熱成像技術(shù)是綜合利用紅外物理和技術(shù)、半導(dǎo)體、微電子、真空、低溫制冷、精密光學(xué)機(jī)械、電子學(xué)、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)工程等獲取景物的熱輻射圖像，并將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再用處理后的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示器，產(chǎn)生可供人眼觀察熱圖像的一門(mén)技術(shù)。

紅外探測(cè)器是熱成像系統(tǒng)的核心，主要分為兩類：制冷型（基于光子探測(cè)）和非制冷型（基于熱探測(cè)）。盡管前者（或者為光電探測(cè)器，或者為光伏器件）被認(rèn)為是實(shí)際應(yīng)用中最佳的紅外熱探測(cè)技術(shù)，但其制造和使用成本較高，壽命短。與制冷紅外探測(cè)器相比，非制冷紅外探測(cè)器不需要在系統(tǒng)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(cè)器相比可提供更寬的頻譜響應(yīng)和更長(zhǎng)的工作時(shí)間。因此，在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的也是非制冷型的探測(cè)器。

目前主流產(chǎn)品的紅外探測(cè)器分辨率為320×240，配合不同焦距的紅外鏡頭，探測(cè)距離最遠(yuǎn)可達(dá)到1 000 m。但與可見(jiàn)光和主動(dòng)紅外成像技術(shù)相比，熱成像技術(shù)不能采集監(jiān)控目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息，只能顯示輪廓，因此適合與視頻內(nèi)容分析配合使用。

3.3.2 主動(dòng)紅外成像技術(shù)

主動(dòng)紅外成像技術(shù)指選用感紅外彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)及感紅外鏡頭并配置紅外光源進(jìn)行視頻圖像采集，攝像機(jī)利用紅外光源照射監(jiān)控目標(biāo)之后反射回來(lái)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(gè)波段，其中850 nm的紅外光源會(huì)產(chǎn)生紅曝，即有可見(jiàn)的紅光，因此在鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)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?zé)襞菁訛V光片：照射距離較遠(yuǎn)，功率較大，但能量損失也大，因?yàn)榧佑袨V光片，大部分可見(jiàn)光被濾掉而轉(zhuǎn)變成熱能，所以這種紅外燈壽命較短，因此應(yīng)用較少。

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

LED發(fā)光二級(jí)管：應(yīng)用比較廣泛，單管壽命長(zhǎng)，但整體功率較大且照射范圍較小，一般在100 m以內(nèi)。

4 小結(jié)

綜上所述，可見(jiàn)光視頻圖像采集主要在自然光照條件及可見(jiàn)光光源照射條件下應(yīng)用，夜視技術(shù)主要在夜間微弱可見(jiàn)光或無(wú)可見(jiàn)光條件下應(yīng)用。

目前鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的視頻圖像采集技術(shù)已包含可見(jiàn)光視頻圖像采集技術(shù)、被動(dòng)紅外成像技術(shù)及主動(dòng)紅外成像技術(shù)。在選用視頻圖像采集技術(shù)時(shí)，應(yīng)結(jié)合視頻采集點(diǎn)的光照條件、用戶對(duì)視頻圖像的觀察效果需求、投資等因素，進(jìn)行綜合考慮，合理選擇。

[1] TB 10085-2009 鐵路圖像通信設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2] GB 50395-2007 視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3] 鐵道部. 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]，2008