快速列車車輛視頻圖像采集系統(tǒng)

曾惠明

（南寧鐵路局 科學(xué)技術(shù)研究所，廣西 南寧 530029）

快速列車車輛視頻圖像采集系統(tǒng)

曾惠明

（南寧鐵路局 科學(xué)技術(shù)研究所，廣西 南寧 530029）

針對鐵路貨運快速化和專用化的發(fā)展趨勢，對快速列車車輛視頻圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行研究，確定采集系統(tǒng)需滿足的基本條件，形成采集方案。該方案可對快速運行中的動車組列車進(jìn)行圖像采集，通過圖像可清晰辨別出車身上的最小字符標(biāo)識；提出消除鏡像光斑的方法，使夜間補光拍攝能夠獲得良好的圖像效果。

快速列車；動車組；快速攝像機；圖像采集；視頻監(jiān)控；鏡像光斑

0 引言

快速化和專用化是當(dāng)今世界鐵路貨運的發(fā)展趨勢，其中以歐洲發(fā)展最為迅速。歐美一些發(fā)達(dá)國家先后研制出多種形式的、能滿足120～160 km/h速度運行的快速貨車。法國研制成功的快速貨車最高試驗速度達(dá)到了281.8 km/h，創(chuàng)造了貨車運行速度的世界紀(jì)錄。根據(jù)《鐵路主要技術(shù)政策》及鐵路有關(guān)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，我國鐵路貨車最高運行速度將提高到160 km/h。鐵路要全面增加運能和提高運輸效率，提高貨物列車運行速度是必然趨勢。

目前南寧鐵路局貨車速度為80 km/h，高鐵開通及客貨分線后有望提速到120 km/h。2012年，已針對分界口車輛視頻監(jiān)控進(jìn)行研究，成功研制了一套可對速度低于100 km/h的列車進(jìn)行監(jiān)控的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，為貨運與公安部門及時發(fā)現(xiàn)貨車被盜以及案件的快速偵破提供了有效手段。但如果貨車速度提高至160 km/h，現(xiàn)有系統(tǒng)就無法滿足獲得清晰車輛圖像的需求。

2013年底，南寧鐵路局開通高鐵，動車組列車運營速度達(dá)200 km/h以上，為快速列車車輛圖像采集的相關(guān)研究提供了試驗條件。通過理論研究，并在柳南客運專線K196+006—K196+250上行線旁（距離南寧東站18.7 km）實施現(xiàn)場試驗（見圖1），形成快速列車車輛視頻圖像采集方案，為鐵路快速貨車視頻監(jiān)控提供技術(shù)支持。

圖1 試驗現(xiàn)場設(shè)備安裝情況

1 系統(tǒng)框架

快速列車車輛視頻圖像采集系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）由檢測觸發(fā)單元、集中控制器、視頻圖像采集單元、圖像處理單元、圖像存儲單元、圖像顯示分析單元、補光單元、供電單元等組成（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)的工作流程為：檢測觸發(fā)單元檢測到列車接近，將來車信號通過信號線傳輸?shù)郊锌刂破鳎锌刂破骺刂埔曨l圖像采集單元開始視頻圖像采集，圖像處理單元對采集到的視頻圖像進(jìn)行處理后，由圖像存儲單元進(jìn)行存儲，圖像顯示分析單元可實時顯示通過車輛的圖像，也可讀取已存儲的視頻圖像，并對其進(jìn)行分析。集中控制器可根據(jù)設(shè)定的條件控制圖像采集及補光單元的工作。供電單元為整個系統(tǒng)提供電源[1]。

2 圖像采集處理設(shè)備選型

為研究在高速（160 km/h）狀態(tài)下獲得足以辨識車輛基本要素的視頻圖像，選擇運行速度200 km/h的動車組列車作為研究對象。能否采集到車輛側(cè)面清晰圖像信息，攝像機和相應(yīng)的圖像處理系統(tǒng)至關(guān)重要。首先，從理論上研究判定若要采集到試驗速度條件下運動物體清晰的圖像，需要攝像機具備基本的技術(shù)條件；其次，為了保證采集到的圖像能得到及時的處理和存儲，選擇相匹配的圖像處理存儲系統(tǒng)。

2.1 快速攝像機

快速攝像機按照幀率的大小一般可以分為準(zhǔn)高速、高速和超高速3種，三者沒有明確的區(qū)分界限。幀率大于100 f/s的可稱為高速或超高速攝像機，幀率在50～100 f/s的可稱為準(zhǔn)高速攝像機。高速、超高速攝像機一般應(yīng)用在彈道分析、機械運轉(zhuǎn)動作分析等特殊高速領(lǐng)域，普通硬盤無法滿足讀寫要求，需要專業(yè)電子硬盤進(jìn)行存儲視頻圖像，而且價格昂貴。本項目對幀率在100 f/s以下的準(zhǔn)高速攝像機及普通攝像機進(jìn)行對比研究，根據(jù)研究結(jié)果選用低成本攝像機獲取快速運動物體的清晰視頻圖像[2]。

2.1.1 攝像機分辨率的選擇

分辨率是度量位圖圖像內(nèi)數(shù)據(jù)量多少的參數(shù)，通常表示為每英寸像素（ppi）或每英寸點（dpi）。分辨率越大表示包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容越多，圖形文件的長度就越大，表現(xiàn)的細(xì)節(jié)就越豐富?？梢酝ㄟ^式（1）簡單計算出所需攝像機傳感器分辨率的垂直像素數(shù)：

式中：FOV（Field of View）為視場，即攝像機可以采集到的被檢測區(qū)域。

從公安部門的需求考慮，若要獲得較好的圖像視覺效果，車廂拍攝范圍一般為3～5 m，當(dāng)FOV分別取值3 000 mm、4 000 mm、5 000 mm，最小特征值按10 mm（動車組列車車身上的最小標(biāo)識字符約為20 mm，取其一半）計算時，通過計算可得攝像機傳感器分辨率的垂直像素數(shù)，從而得到其對應(yīng)的分辨率（見表1）。

表1 傳感器分辨率對比

由此可知，當(dāng)視場為3 m時，攝像機最低分辨率為800×600；視場為4 m時，攝像機最低分辨率為1 024×768；視場為5 m時，攝像機最低分辨率為1 280×960。

根據(jù)以往經(jīng)驗，為便于監(jiān)控人員既能看清細(xì)節(jié)又能減少工作強度，攝像機的視場大小以5 m為佳，而且分辨率越高，圖像元素越多，圖像層次越分明，越容易辨別圖像細(xì)節(jié)。根據(jù)上述計算及分析，現(xiàn)場試驗的攝像機分辨率設(shè)定為不低于1 280×960為佳。

2.1.2 攝像機幀率的選擇

幀率是用于測量顯示幀數(shù)的量度，測量單位為每秒顯示幀數(shù)。幀數(shù)關(guān)系到列車同一部位出現(xiàn)在圖像中的次數(shù)，表2列出了列車運行速度為200 km/h、視場為5 000 mm時使用不同幀率攝像機進(jìn)行視頻圖像采集的對比情況。其中，幀間位移是指在相鄰幀時間內(nèi)運動物體所移動的距離；視場幀數(shù)是指固定視場場景在物體運動過程中被攝像機拍攝到完整畫面的數(shù)量。

表2 不同幀率進(jìn)行視頻圖像采集對比

從表2可以看出，25 f/s的攝像機只能拍攝到列車同一部位2張完整的固定視場場景畫面，對于高速運動的物體來說，固定視場場景獲得的畫面數(shù)量少，不利于對細(xì)小特征的判別。特別是如果視場縮小為4 m或3 m時，25 f/s的攝像機只能拍攝到列車同一部位1張完整的固定視場場景畫面或者出現(xiàn)漏拍現(xiàn)象，更加不利于判別。而50 f/s的攝像機能拍攝到4張，可以容納更多的場景細(xì)節(jié)，有利于判別細(xì)小特征；100 f/s的攝像機能獲得更多的固定視場場景畫面，場景細(xì)節(jié)信息更加豐富，更加利于細(xì)小特征的判別。價格方面，25 f/s的攝像機已經(jīng)普遍應(yīng)用在視頻監(jiān)控行業(yè)，技術(shù)成熟，技術(shù)難度小，價格低；50 f/s的攝像機主要應(yīng)用在一些特殊領(lǐng)域，應(yīng)用范圍不廣，價格稍高；100 f/s的攝像機應(yīng)用領(lǐng)域更窄，一般是用于彈道分析、機械運轉(zhuǎn)等高速研究，價格昂貴。經(jīng)過計算與比較，50 f/s的攝像機滿足圖像采集需求，適合應(yīng)用于本項目。

2.1.3 快門速度的選擇

拍攝運動物體時，需要克服的首要問題是拖影。拖影是在曝光時由于拍攝目標(biāo)與攝像系統(tǒng)之間存在相對運動而產(chǎn)生的現(xiàn)象。因為這種相對運動導(dǎo)致芯片上形成的圖像一直在變化，各個部位的像元在曝光的過程中受到來自物體不同位置成像的影響，最終形成的圖片是一個連續(xù)變化圖像空間內(nèi)圖片的疊加。只要拍攝對象是運動的，就一定會產(chǎn)生拖影。由于采集圖像時需要清晰拍攝到車體關(guān)鍵部位的細(xì)節(jié)信息，因此要求拖影長度盡可能短。

運動速度和快門速度（即曝光時間）是直接影響拖影的2個因素。為保證圖像中的拖影不超過S個單位像素，需要做到如下等價說法：

（1）芯片上光學(xué)像在曝光時間內(nèi)移動的位置不超過S個單位像素；

（2）物體與成像系統(tǒng)之間在曝光時間內(nèi)相對移動（垂直于光軸平面內(nèi)）距離不超過S個單位的系統(tǒng)精度。

總結(jié)起來，就是需要滿足式（2）的要求：

式中：Vp為物體運動速度；Ts為曝光時間；S為允許最長拖影的單位像素數(shù)。

曝光位移視場比的計算公式為：

當(dāng)最大速度為200 km/h、視場大小為5 m，攝像機分辨率設(shè)定為1 280×960，在不同曝光時間情況下，計算得出的數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同曝光時間的計算結(jié)果

動車組車身上最小標(biāo)識字符大小約為20 mm，從表3可知，最接近或小于這一數(shù)值的是曝光時間為1/2 000 s和1/4 000 s情況下的曝光位移值，且這兩種情況下的曝光位移視場比均達(dá)到了千分級別。在分辨率1 280×960情況下的單位像素為3.91 mm/像素，相當(dāng)于最小標(biāo)識字符大小為5個單位像素，則為了保證拖影不影響圖像的識別，式（2）中的S不得大于5 mm/像素。在曝光時間1/2 000 s情況下，曝光位移為27.8 mm，約等于7個單位像素，比動車組車身上的最小標(biāo)識字符大2個單位像素，不滿足式（2）的要求。當(dāng)曝光時間為1/4 000 s時，曝光位移為13.9 mm，約等于4個單位像素，比動車組車身上的最小標(biāo)識字符小，滿足式（2）要求。

本項目的主要研究目的是當(dāng)貨車車速達(dá)到160 km/h情況下，通過對列車視頻圖像的查看，辨別列車的鉛封、門鎖、門把等關(guān)鍵部位是否完好。根據(jù)鐵總運［2014］150號文件通知，動車組車號6個數(shù)字的總寬度為395 mm，除去字間距，這6個數(shù)字平均寬度約為60 mm，與列車鉛封、門鎖、門把等關(guān)鍵部位相近；而動車組車身上的英文標(biāo)識Second Class Coach的總寬度為410 mm，除去字間距，這些單個英文標(biāo)識的平均寬度約為22 mm，比列車關(guān)鍵部位小，所以在車速達(dá)到160 km/h的情況下，只要拍攝得到的圖像能夠分辨得出動車組車身上的這些標(biāo)識或者動車組車號，那么可以推論：對于同速運行的貨車，其關(guān)鍵部位的特征也是能夠看清楚的[3]。

試驗中，將攝像機曝光時間設(shè)定為1/4 000 s時，對在線路上正常運行的動車組（車速大于160 km/h），拍攝得到的視頻截圖及局部放大見圖3。視頻截圖能夠清楚分辨出動車組車號；對視頻截圖局部放大后，可以清晰辨別出動車組車身上的英文標(biāo)識Second Class Coach。可見，將曝光時間設(shè)定為1/4 000 s是合適的。

圖3 視頻截圖及局部放大圖

2.2 攝像機選型

從上述分析可知，當(dāng)列車運行速度為200 km/h、視場大小為5 m情況下，要獲得能夠清晰辨認(rèn)車輛關(guān)鍵部位細(xì)節(jié)信息的車輛圖像，所使用的攝像機要滿足一些基本條件（見表4）。

2.3 圖像處理存儲系統(tǒng)

幀率50 f/s攝像機在單位時間內(nèi)比常用的幀率25 f/s攝像機要多記錄1倍的視頻數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)的速度也會要求高一些。經(jīng)試驗比較，目前常用的圖像處理技術(shù)可以對幀率50 f/s攝像機拍攝得到的視頻圖像進(jìn)行處理，使用普通的硬盤錄像機可以滿足視頻圖像的處理及存儲要求，不需要采用特殊的圖像處理及存儲技術(shù)。

表4 攝像機需滿足的基本條件

3 補光方式

由于試驗對象動車組車體表面光亮，LED補光燈照射到其表面時，往往會形成鏡面反射，在視頻圖像上就會產(chǎn)生鏡像光斑，影響視頻圖像的效果。因此在安裝攝像機和補光燈時就需要考慮好兩者的間距大小，以避免鏡像光斑出現(xiàn)在攝像機視場內(nèi)。在攝像機正對物體拍攝時，補光燈此時與攝像機的距離應(yīng)不小于一個視場大小的距離[4]。攝像機與補光燈安裝位置示意見圖4。夜間視頻截圖及局部放大見圖5。

4 結(jié)束語

圖4 攝像機與補光燈安裝位置示意圖

通過對攝像機的分辨率、幀率、快門及補光方式等方面進(jìn)行研究，形成了快速列車車輛視頻圖像采集的技術(shù)方案，并開展現(xiàn)場試驗，實現(xiàn)了對快速列車的監(jiān)控檢查?？焖倭熊囓囕v視頻圖像采集系統(tǒng)可對經(jīng)過圖像采集區(qū)速度200 km/h的動車組進(jìn)行視頻圖像采集，采集到的車輛視頻圖像清晰，可辨認(rèn)出動車組車身上的標(biāo)識字符，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)在貨車速度提高至160 km/h時無法獲得清晰車輛圖像的問題，為鐵路快速貨車視頻監(jiān)控提供技術(shù)支持，為貨運與公安部門及時發(fā)現(xiàn)貨車被盜以及案件的快速偵破提供有效手段。此外，通過研究找到了消除鏡像光斑的方法，即便夜間補光拍攝也能獲得良好的圖像效果。

圖5 夜間視頻截圖及局部放大圖

[1] 石建偉. 動車組故障軌邊圖像自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 鐵道車輛，2013(7)：34-38.

[2] 孔令鑫. 高速鐵路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案[J].中國鐵路，2014(1)：79-83.

[3] 鐵總運［2014］150號 中國鐵路總公司關(guān)于印發(fā)動車組型號、車號和座席號編號規(guī)則的通知[S].

[4] 陳大明，周合生. 夜視儀在鐵路視頻監(jiān)控中的應(yīng)用[J]. 中國鐵路，2012(9)：76-79.

責(zé)任編輯 盧敏

Video & Image Acquisition System for Rapid Trains

ZENG Huiming
（Engineer of Institute of Science and Technology，Nanning Railway Administration，Nanning Guangxi 530029，China）

With acceleration and customization of railway freight transport, this paper studies the video and image acquisition system for rapid trains, presents the basic requirements on the system and provides an acquisition plan, which can be used for acquisition of images of high-speed EMU trains in operation. With the system, even the smallest characters and marks on the vehicle body can be clearly identif ed on the images. Also, the method for eliminating mirror spots is proposed: high quality images can be obtained with f ll-in light during acquisition in the night.

rapid train；EMU；speed camera；image acquisition；video surveillance；mirror spot

U298

A

1001-683X（2017）01-0086-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.01.086

2016-05-10

曾惠明（1985—），男，工程師，碩士。E-mail：309709286@qq.com