視頻防抖技術(shù)在青藏鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

韓振方，陳 梅

（1．通號通信信息集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

青藏鐵路格拉段（格爾木—拉薩）視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化視頻、多級控制、視頻多用戶共享、相對集中存儲、視頻內(nèi)容分析、采用多廠家編解碼設(shè)備等多項應(yīng)用。2007 年正式開通運(yùn)行后，經(jīng)歷了低壓、高寒、雨雪、大風(fēng)等各種嚴(yán)酷環(huán)境的考驗。

青藏鐵路是世界上第一條在高寒高原鐵路建設(shè)線路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的鐵路線路、是第一條在GSM-R 基站鐵塔上架設(shè)長大鏡頭攝像機(jī)進(jìn)行線路監(jiān)視的鐵路線路，該系統(tǒng)是第一次應(yīng)用熱成像攝像機(jī)進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域全天候監(jiān)視、第一個大面積使用視頻分析的系統(tǒng)。它的成功建設(shè)和應(yīng)用，對保證青藏鐵路線路、運(yùn)輸安全，改善鐵路公安、運(yùn)輸、工務(wù)等部門工作條件，保障各級指揮機(jī)關(guān)高效工作發(fā)揮了重要作用。同時為此后的大面積綜合視頻系統(tǒng)的建設(shè)提供了成功案例，更重要的是使鐵路綜合視頻監(jiān)視系統(tǒng)的建設(shè)思路得到初步體現(xiàn)，為鐵路綜合視頻系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供的依據(jù)。

在經(jīng)歷了標(biāo)準(zhǔn)類技術(shù)文件《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（試行）》（運(yùn)基通信[2008]630 號）、《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（v1.0）》（鐵總運(yùn)[2013]71 號）演進(jìn)后，按照原中國鐵路總公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（Q/CR 575-2017）的技術(shù)規(guī)定要求，青藏鐵路格拉段（格爾木—拉薩）視頻監(jiān)控系統(tǒng)于2019 年開始全面更新改造，引入1080P 高清視頻、云存儲、視頻防抖等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)揮該系統(tǒng)在青藏鐵路的運(yùn)輸生產(chǎn)和安全防恐等工作中的特殊作用。本文重點(diǎn)分析研究視頻防抖的解決方案。

2 圖像抖動產(chǎn)生的原因及影響

青藏鐵路格拉段線路監(jiān)視攝像機(jī)布設(shè)在GSM-R鐵塔上，高度在15 ～25 m 之間。大風(fēng)天氣的鐵塔晃動造成不同程度的圖像抖動；重載云臺在長期使用過程中渦輪蝸桿間隙會變大，云臺也會抖動。當(dāng)云臺護(hù)罩發(fā)生0.1°的抖動時，鐵塔底部沒有任何感覺，但會對圖像產(chǎn)生很大影響。青藏鐵路沿線使用的長焦鏡頭為750 mm，日常使用中產(chǎn)生的圖像抖動，在長焦端特別明顯，如圖1 所示。

圖1 青藏鐵路格拉段有風(fēng)圖像效果 Fig.1 Image effect in Golmud-Lhasa section of Qinghai-Tibet railway when it is windy

在廣角端（短焦）時視場角為25°，設(shè)備水平抖動0.1°時，畫面抖動0.4%，抖動不明顯，如圖2所示。

圖2 廣角抖動圖 Fig.2 Wide-angle lens shaking graph

在長焦時視場角為0.45°，設(shè)備水平抖動0.1°時，畫面抖動22%，抖動明顯；當(dāng)畫面抖動超過屏幕1/5 時，圖像就會無法正常監(jiān)控。同時在連續(xù)發(fā)生抖動時，傳統(tǒng)鏡頭的自動聚焦鏡組（前方大鏡組）不能夠完全捕捉與停留在清晰位置（自動聚焦參照CCD 成像面上的成像效果）,就會出現(xiàn)圖像清晰度下降，圖像抖動，自動聚焦效果差。如圖3 所示。

圖3 長焦抖動圖 Fig.3 Telephoto lens shaking graph

圖像抖動不僅導(dǎo)致視頻質(zhì)量下降，影響監(jiān)視效果，更重要的是對視頻分析產(chǎn)生極大影響，導(dǎo)致無法分析或者分析的結(jié)果誤報增多。因此，解決圖像抖動，成為保證視頻系統(tǒng)質(zhì)量和應(yīng)用的一個重點(diǎn)問題。

3 防抖技術(shù)的分析比較

目前，應(yīng)用于視頻監(jiān)控的防抖技術(shù)分為電子防抖與光學(xué)防抖兩種。電子防抖技術(shù)也稱為電子穩(wěn)像，其技術(shù)性能主要取決于軟件算法，效果差異較大；光學(xué)防抖技術(shù)較成熟，在廣電行業(yè)應(yīng)用較多，效果良好。

3.1 電子防抖技術(shù)

電子防抖技術(shù)是使用數(shù)字電路進(jìn)行畫面的處理產(chǎn)生防抖效果。電子防抖主要在攝像機(jī)上采用強(qiáng)制提高CCD 感光參數(shù)，同時加快快門并針對CCD 上取得的圖像進(jìn)行分析，然后利用邊緣圖像進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆蓝丁?/p>

電子防抖是一種通過降低畫質(zhì)來補(bǔ)償抖動的技術(shù)。該技術(shù)試圖在畫質(zhì)和畫面抖動之間取得一個平衡點(diǎn)。當(dāng)防抖電路工作時，拍攝畫面只有實(shí)際畫面90%左右，然后數(shù)字電路對攝像機(jī)抖動方向進(jìn)行模糊判斷，對剩下的10%左右畫面進(jìn)行抖動補(bǔ)償，依靠數(shù)字處理的技術(shù)實(shí)現(xiàn)防抖，然后利用邊緣圖像進(jìn)行補(bǔ)償，對畫質(zhì)有一定程度的破壞，效果比較差。

電子防抖實(shí)現(xiàn)過程，示意如圖4 所示。

圖4 電子防抖實(shí)現(xiàn)過程示意圖 Fig.4 Schematic diagram of electric anti-shaking realization process

3.2 光學(xué)防抖技術(shù)

光學(xué)防抖就是在鏡頭中設(shè)置專門的防抖補(bǔ)償裝置，裝置內(nèi)的檢測裝置（陀螺儀）偵測到微小的移動時，會將信號傳至微處理器立即計算需要補(bǔ)償?shù)奈灰屏?，然后通過補(bǔ)償鏡片組，根據(jù)鏡頭的抖動方向及位移量加以補(bǔ)償，從而有效的克服鏡頭抖動產(chǎn)生的影像模糊，根據(jù)鏡頭的抖動方向和程度，補(bǔ)償鏡組相應(yīng)調(diào)整位置和角度，使光路保持穩(wěn)定，不會對CCD 成像面上的圖像產(chǎn)生影響，從而就不會影響自動聚焦，設(shè)備會呈現(xiàn)出良好的圖像效果，如圖5、6 所示。

3.3 電子防抖技術(shù)與光學(xué)防抖技術(shù)應(yīng)用比較

電子防抖技術(shù)與光學(xué)防抖技術(shù)應(yīng)用差異主要體現(xiàn)在對圖像清晰度的影響、視場角的變化、頻率修正指標(biāo)、聚集的影響程度及透霧果等，具體結(jié)果如表1 所示。

圖5 鏡頭的光學(xué)防抖處理過程 Fig.5 Optical anti-shaking processing process for lens

圖6 防抖關(guān)閉與打開圖像對比 Fig.6 Image comparison during anti-shaking turn off and turn on

表1 電子防抖技術(shù)與光學(xué)防抖技術(shù)應(yīng)用對比表Tab.1 Application comparison between electronic and optical anti-shaking technology

4 系統(tǒng)視頻防抖解決方案

青藏鐵路格拉段視頻改造首批實(shí)施唐南段（拉薩—唐古拉南）。經(jīng)過設(shè)計比選和多方論證，長焦鏡頭采用具有光學(xué)防抖功能的富士能SX800 鏡頭。

該型號鐿頭的主要規(guī)格參數(shù)：

分辨率：1920×1080P（Full HD）；

焦距：20 ～800 mm；

倍率：光學(xué)40 倍；

最大口徑：1：3.9；

最小物距：10 m；

視角：（16：9）W 19.27°～14.48°，T 0.50°～0.38°；紅外線鏡頭（IR）波長808 ～950 nm；

自動手動光圈可選；支持連續(xù)自動對焦鏡頭AF（Auto Focus）、單次AF、手動AF；支持光學(xué)防抖、光學(xué)透霧、除熱浪。

富士能SX800 鏡頭融合了富士膠片的光、機(jī)、電核心技術(shù)，使防抖矯正比傳統(tǒng)技術(shù)提高4 倍以上，防抖頻率2 ～10 Hz，防抖范圍可達(dá)畫面30%；同時也優(yōu)化自動聚焦裝置，將傳統(tǒng)前置大鏡組聚焦改為后置小鏡組聚焦，直接在傳感器上獲取AF 信息，把傳統(tǒng)需要數(shù)秒的自動聚焦縮短至1 s 以內(nèi)，小鏡組控制精度更高、速度快，在惡劣抖動環(huán)境下自動聚焦清晰度高且更耐用。SX800 鏡頭也搭載有富士膠片獨(dú)創(chuàng)的除熱浪技術(shù)與光學(xué)透霧技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中更方便，省時、省力。

5 結(jié)束語

鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中線路視頻監(jiān)視不可或缺，長距離視頻監(jiān)視的大量需求導(dǎo)致長焦鏡頭廣泛應(yīng)用，攝像機(jī)的架設(shè)高度、大風(fēng)天氣等不利因素使得圖像抖動現(xiàn)象不可避免，青藏線的視頻防抖解決方案可以為其他線路長距離大范圍監(jiān)視提供借鑒。