視頻圖像采集技術(shù)

■ 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，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)比見圖1。

2 可見光視頻圖像采集技術(shù)

可見光成像技術(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。可見光視頻圖像采集設(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)鏡頭主要用來采集監(jiān)控目標(biāo)反射回來的可見光，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，需通過預(yù)放電路進(jìn)行放大，再經(jīng)過各種電路進(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、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44萬像素左右，水平分辨率達(dá)到480 TVL，540 TVL及620 TVL。

電子快門：快門是控制曝光時(shí)間的指標(biāo)，一般而言快門的時(shí)間范圍越大越好。秒數(shù)高，曝光時(shí)間長，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(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)換過程中，通過對(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倍的增強(qiáng)了；最后，經(jīng)過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的尺寸量級(jí)，波長越長，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有關(guān)，工作波長越長，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)換為人眼可見圖像的裝置就是紅外熱成像系統(tǒng)（簡稱熱像儀）。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，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(yīng)用，夜視技術(shù)主要在夜間微弱可見光或無可見光條件下應(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