線陣高清技術(shù)在貨車裝載視頻監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

趙 耀

鐵路貨車裝載視頻監(jiān)視系統(tǒng)作為貨安系統(tǒng)的一部分，可自動收集貨物裝載狀態(tài)的視頻和圖像，可為各級貨運管理部門和作業(yè)部門提供清晰、直觀的貨車裝載信息。目前鐵路貨車裝載視頻監(jiān)視系統(tǒng)有面陣高清和線陣高清2種方式。

面陣高清適用于交接作業(yè)點、貨場等需要連續(xù)場景記錄的場合，線陣高清則適用于貨檢站等對運動列車進行記錄。與面陣高清相比，線陣高清可以提供更高分辨率的細部圖像，滿足遠程對貨車裝載加固狀態(tài)、篷布、門窗蓋閥的觀察需求。

為此，分析線陣高清技術(shù)的原理，研究關(guān)鍵技術(shù)，以滿足鐵路貨車裝載對視頻監(jiān)視系統(tǒng)的要求。

1 線陣高清技術(shù)

1．1 電荷耦合器件 （CCD）

電荷耦合器件 （CCD）是數(shù)字相機、數(shù)字攝像機的重要組成部分，通過驅(qū)動電路控制，可以實現(xiàn)光電信號、模擬和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變。按照應(yīng)用方式，可分為面陣CCD和線陣CCD 2種。

面陣CCD可以直接獲取二維圖像，常規(guī)的數(shù)字相機、數(shù)字攝像機通常采用面陣CCD作為感光元件。由于面陣CCD的像素總數(shù)大，單幅圖像采集所需的時間較長，在現(xiàn)有技術(shù)水平下面陣CCD單列像素數(shù)量小，輸出圖像的畫幅也會受到制約。

線陣CCD保留少量寬度方向的像素，單列的像素數(shù)量很高，單次拍攝只能獲取條形圖像，可以認為它直接獲取的是一維圖像。由于單塊線型CCD的像素總數(shù)較少，這種CCD圖像采集的速度快，輸出圖像的總像素可以大于面陣CCD。

1．2 技術(shù)原理

線陣高清技術(shù)是采用線陣CCD作為感光元件獲取數(shù)字圖片的高清拍攝技術(shù)。由于線陣CCD只能直接獲取一維圖像，為了獲取二維數(shù)字圖片，被拍攝對象與線陣相機之間必須存在相對運動，需要對相機采集圖像的頻率進行適當(dāng)控制并進行后臺圖像處理，該過程類似于掃描，也稱為掃描成像技術(shù)。線陣高清技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 線陣高清技術(shù)原理

線陣相機拍攝的寬度非常小，即圖1中示意的單次拍攝范圍，相機以時間間隔dT進行拍攝，即相機的采集頻率f＝1／dT。在T1時刻，線陣相機拍攝到圖片1；由于被拍攝對象和線陣相機之間存在相對速度v，在T2＝T1＋dT時刻線陣相機拍攝到圖片2；直到被拍攝對象離開了拍攝范圍，線陣相機共拍了N張圖片。通過后臺將以上拍到的N張圖片按照順序拼合在一起得到被拍攝對象的二維圖像。

1．3 適用場合

線陣高清技術(shù)有一定的適用場合。首先，線陣CCD的列像素值非常高，寬度方向上像素數(shù)非常少，單塊CCD的像素總數(shù)要少于面陣CCD，因此單次拍攝的圖像采集速度快，適用于對拍攝速度要求較高的場合。同時，由于單列的像素值遠高于面陣CCD，通過拼合而成的二維圖像可以具備超高分辨率。

其次，線陣高清拍攝二維圖片必須要求拍攝對象與線陣相機之間存在相對速度，并且要根據(jù)相對速度v調(diào)整線陣相機的采集頻率f，因此線陣高清的控制系統(tǒng)應(yīng)準確測量相對速度v，否則會造成嚴重的圖像失真。

最后，線陣高清技術(shù)通過拍攝對象的相對運動獲取拍攝對象的圖片，拍攝對象的運動不會導(dǎo)致圖片不清晰，并且不變的背景很容易被濾除，可以更好的突出主體，比面陣高清技術(shù)更適合監(jiān)視規(guī)律運動的物體。

考慮到鐵路貨車在行進過程中具有一定的行進速度，并且是在鐵軌上沿固定方向線性運行，通過將線陣相機固定在貨車的上方和側(cè)面，就可以利用線陣高清對貨車頂部、側(cè)面的裝載狀態(tài)進行監(jiān)控，相比面陣高清技術(shù)更適合工作人員對貨車裝載狀態(tài)的細節(jié)進行監(jiān)視。

2 貨車裝載視頻監(jiān)視系統(tǒng)

在進、出貨場或鐵路沿線等有監(jiān)控需求的地點布置線陣相機，利用線陣高清技術(shù)對貨車頂部、側(cè)面的裝載狀態(tài)進行拍照，并對列車車號進行識別，將各車廂照片與車次、車號、順位等信息結(jié)合后傳送至后臺并保存。由于線陣高清相機拍攝的照片具備超高分辨率且可過濾掉無關(guān)背景，工作人員可以在遠端清晰觀察車廂門、平板車端板、篷布、頂蓋及繩索等狀態(tài)。

線陣高清系統(tǒng)主要由高清線陣相機系統(tǒng)、車號識別系統(tǒng)及現(xiàn)場傳感器、傳輸設(shè)備、后臺設(shè)備等組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 線陣高清系統(tǒng)架構(gòu)

2．1 高清線陣相機系統(tǒng)

高清線陣相機系統(tǒng)由線陣相機、光源、現(xiàn)場控制器及配套的安裝門架、供電及接地設(shè)備組成。

根據(jù)對貨車頂部、側(cè)面裝載狀態(tài)的監(jiān)控需求，需要在貨車上方、左側(cè)、右側(cè)分別安裝線陣相機。還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的需求選擇合適的安裝門架，如龍門架、L型門架等，確保設(shè)備安裝的穩(wěn)定性與安全性，并滿足線路的限界要求。線陣相機的安裝位置如圖3所示。

線陣相機的安裝位置應(yīng)根據(jù)相機的焦距、可能通過列車的高度等信息確定；光源應(yīng)在線陣相機的拍攝范圍內(nèi)均勻分布，同時保證在夜晚和逆光等情況下的圖像質(zhì)量，可以選用線性高亮度光源。

現(xiàn)場控制器接受車號識別系統(tǒng)或現(xiàn)場傳感器的來車信號后，啟動線陣相機和光源，控制線陣相機以頻率f進行圖像采集，并將圖像通過傳輸設(shè)備傳送至后臺。

圖3 線陣相機安裝示意圖

2．2 車號識別系統(tǒng)及現(xiàn)場傳感器

車號識別系統(tǒng)及現(xiàn)場傳感器具備提示來車信息，實現(xiàn)車號識別、車速測量、車廂分辨等功能，并將相關(guān)信息傳給高清線陣相機系統(tǒng)及后臺設(shè)備。

車號識別系統(tǒng)通過安裝在2條鋼軌之間的地面車號識別裝置，利用RFID技術(shù)掃取安裝在貨車車輛、機車底部芯片中的車輛信息，目前通常采用成熟的車號識別設(shè)備，通過與系統(tǒng)接口實現(xiàn)對來車車號的識別。常用的現(xiàn)場傳感器為磁鋼，主要部署方式：在來車方向上相距高清線陣相機一定間隔布置一套磁鋼，實現(xiàn)對來車的判斷，并作為車號識別系統(tǒng)、高清線陣相機系統(tǒng)的啟動信號；在線陣相機安裝位置安裝一個磁鋼，可以實現(xiàn)對車廂的判斷；這2個磁鋼分別記錄貨車車輪通過的時間，通過時間差可以計算列車的車速。

因此，車號識別系統(tǒng)配合二套磁鋼，就可以從功能上滿足系統(tǒng)要求。

2．3 傳輸設(shè)備

由于現(xiàn)場設(shè)備與后臺設(shè)備距離較遠，一般采用光傳輸方案。在現(xiàn)場、后臺設(shè)置交換機，實現(xiàn)設(shè)備的接入；設(shè)置光端機，通過光纜連接現(xiàn)場交換機與后臺交換機。

2．4 后臺設(shè)備

后臺設(shè)備包含服務(wù)器、工作站、打印機、顯示器等，以及配套的機柜、工作臺。其中，服務(wù)器實現(xiàn)圖像存儲、處理等功能；工作站、顯示器、打印機為工作人員提供人機交互界面，滿足工作人員遠端監(jiān)控的需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

目前線陣高清技術(shù)在對運動中列車裝載狀態(tài)的監(jiān)視還存在圖像變形、精度不高等問題，且不能通過圖像對車輛橫向微小位移進行檢測，大量檢查工作還要依靠工作人員人工完成，影響了系統(tǒng)的應(yīng)用效果，為此需對其關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

3．1 線陣高清相機控制

不同于傳統(tǒng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的實時攝錄，線陣高清相機僅捕捉通過列車的圖像，需要一套獨立的控制方法，流程如圖4所示。

圖4 線陣高清相機控制流程圖

考慮設(shè)備的壽命和節(jié)能要求，線陣相機和光源在無車的情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，直到啟動磁鋼探測到列車經(jīng)過時，才啟動相機和光源。系統(tǒng)通過接口獲取現(xiàn)場傳感器測量的來車車速v，并依此計算線陣相機的采集頻率f，進一步控制線陣相機以頻率f進行圖像采集。當(dāng)現(xiàn)場傳感器確認列車已經(jīng)完全通過的時候，系統(tǒng)關(guān)閉相機及光源，等待下一次來車信息。至此，高清線陣相機系統(tǒng)完成了一次對通過列車的圖像采集。

由于對線陣相機及光源的控制屬于現(xiàn)場控制級別，且與車號識別系統(tǒng)、現(xiàn)場傳感器等具有眾多接口，宜采用現(xiàn)場控制器進行直接控制。同時，隨著DSP、FPGA等控制器性能的提高，采用現(xiàn)場控制器便于將車號識別、車速測量、車廂判斷與線陣相機控制、光源控制等功能集成在同一個控制器內(nèi)，有利于提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，降低圖像匹配錯誤的發(fā)生概率。

3．2 車速測量及采集頻率計算

由于線陣高清技術(shù)還原二維圖像需要將多張一維圖像拼合，獲取一維圖像時需要根據(jù)車速v對采集頻率f進行嚴格控制，才能保證圖像不發(fā)生變形。

設(shè)線陣高清相機拍攝單張照片的列方向上像素為ND，寬度像素數(shù)為dNL。將一組一維照片合成后的圖片列方向上像素依然為ND，寬度像素數(shù)則變?yōu)閚次采樣的疊加NL＝n·dNL，對應(yīng)照片中拍攝圖像的實際寬度范圍為D，列車行進距離為L，如圖5所示。

圖5 線陣高清相機圖像示意圖

為了滿足圖像橫縱比例與實際拍攝對象相符，要滿足式 （1）的關(guān)系：

列車行進距離為L時，經(jīng)歷的時間t＝L／v，對應(yīng)線陣相機的采樣次數(shù)n＝t／dT＝tf。由此可以計算采樣頻率與列車速度之間的關(guān)系，如式 （2）所示：

上式中ND、dNL為線陣相機的基本參數(shù)，D可以通過現(xiàn)場測量獲得，因此經(jīng)過現(xiàn)場安裝調(diào)試后采集頻率只隨著車速v變化。若車速測量不準確，會出現(xiàn)圖像在列車行進方向拉伸或壓縮的情況，不能滿足對依靠圖像進行距離精確測量的場合。

目前車速測量主要依靠磁鋼進行計軸判斷，這種方法的實時性、準確性不高，且容易受到現(xiàn)場其他因素的干擾，僅適用于勻速行進的列車。若設(shè)置高清線陣相機處列車速度發(fā)生變化，采用磁鋼測量車速可能會導(dǎo)致圖像比例失真。在系統(tǒng)中選用雷達測速等實時性強、測量結(jié)果準確的設(shè)備有助于提高圖像精度。

4 總結(jié)

線陣高清技術(shù)可以滿足鐵路貨車裝載視頻監(jiān)視系統(tǒng)要求全天實時監(jiān)控的需求，可以提供車輛整體圖像信息來觀察貨物裝載加固狀態(tài)，可以提供細部圖像信息觀察車輛篷布、門、窗、蓋、閥等狀態(tài)及關(guān)閉情況，并且對運動列車進行監(jiān)視。目前該技術(shù)已在部分貨運站得到應(yīng)用。

與高清線陣技術(shù)結(jié)合的現(xiàn)場傳感器在速度測量、車廂判別等方面實時性及精度較低，容易造成匹配錯誤、圖像變形失真。通過采用先進傳感器或測量設(shè)備，改進線陣相機控制算法，可以提升圖像質(zhì)量，提高圖像精度。在獲取高精度圖像的基礎(chǔ)上，可對線陣高清拍攝的圖像進行相關(guān)檢測和距離測量，后臺用圖像處理技術(shù)實現(xiàn)裝載異常狀態(tài)的自動識別和預(yù)警，從而提高貨安系統(tǒng)對異常裝載狀態(tài)的識別能力，提高工作效率，進一步降低安全風(fēng)險。

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