高速公路視頻監(jiān)控技術(shù)研究

朱鳳杰

(河北交投沿海高速公路有限公司，河北 秦皇島 066000)

1 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟水平的提高，高速公路通行車輛也越來越多，交通問題日益嚴峻[1]。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)有助于人們防范事故，判斷事故責(zé)任[2-3]。最近幾年，研究高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的學(xué)者越來越多，出現(xiàn)了一系列的新技術(shù)和算法，而高速公路監(jiān)控系統(tǒng)在防范交通危險，提高交通運輸能力上大有裨益[4-5]。本文深入剖析目前高速公路典型監(jiān)控攝像機的種類與特點，并結(jié)合目前京秦高速公路的監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀，研究和探討現(xiàn)今高速公路監(jiān)控系統(tǒng)問題。

2 外場視頻監(jiān)控攝像機的種類與特點

2.1 按產(chǎn)品外形、性能分類

按高速公路監(jiān)控攝像機外形及性能分，有槍形攝像機、球形攝像機、高速球攝像機等，目前高速公路外場監(jiān)控系統(tǒng)多采用槍形攝像機，球形攝像機、高速球攝像機多用于收費站廣場監(jiān)控和室內(nèi)監(jiān)控等領(lǐng)域。像素數(shù)、分辨率、最低照度、信噪比是槍形攝像機的幾個重要指標。

2.2 按成像效果進行分類

“標清攝像機”是目前我國高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備的主要構(gòu)成方式，其最大圖像分辨率可達到D1(704×576）標準。信號傳輸采用視頻光端機，后端設(shè)備包括視頻分配器、視頻矩陣、硬盤錄像機和監(jiān)視器等。

“高清攝像機”是我國目前高速公路監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備構(gòu)成的主要發(fā)展趨勢。高清攝像機圖像不僅分辨率高，而且分辨率動態(tài)可變。因此，它采用以太網(wǎng)接口直接輸出數(shù)字圖像。高清攝像機在高速公路上的應(yīng)用是一個完全IP 數(shù)字高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用分布存儲集中管理方案，主要特點為全數(shù)字、全IP 尋址、分布式存儲架構(gòu)、兩可變圖像監(jiān)控，是真正的全數(shù)字系統(tǒng)。

2.3 按成像色彩進行分類

在閉路監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的初期，由于成本和技術(shù)條件等的限制，大部分都使用的是黑白攝像機，而且主要應(yīng)用都是在一些相對重要和敏感的重要部門和區(qū)域。隨著生活水平的提高和社會環(huán)境的復(fù)雜性變化，各種監(jiān)控系統(tǒng)在日常生活中成為人們安全防護的重要手段。同時，作為安全防范技術(shù)最前沿的視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲得了快速的發(fā)展。加上彩色成像技術(shù)的成熟，大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，彩色攝像機的成本已經(jīng)降到比原來的黑白攝像機成本還低，所以彩色攝像機從20世紀90年代開始就隨著視頻監(jiān)控市場的迅猛發(fā)展而迅速發(fā)展，并成為監(jiān)控系統(tǒng)前端的首要設(shè)備。

3 監(jiān)控攝像機聚焦性能與有效監(jiān)控范圍的研究

3.1 監(jiān)控攝像機有效監(jiān)控范圍的研究

監(jiān)控范圍是監(jiān)控攝像機的一個重要參數(shù)。合適的監(jiān)控范圍能大大提高視頻監(jiān)控的效果，提高視頻監(jiān)控的效率，如圖1所示，攝像機的有效監(jiān)控范圍與如下幾個參數(shù)相關(guān)。

式中，R 為觀測范圍，m；H 為攝像機高度，m；θ 為攝像機視軸俯角，(°）；ω 為攝像機全視場角，(°）；d 為靶面高度，mm；f 為攝像機鏡頭焦距，mm；L 為觀測距離，m。

3.1.1 視場角

攝像機鏡頭視場角越大，其監(jiān)控范圍越廣。目前，市場上有廣角鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭、變焦鏡頭等多種鏡頭，就是依據(jù)監(jiān)控范圍的需求而采取的多種設(shè)計形式。

3.1.2 焦距

除了攝像機監(jiān)控范圍，畫面細節(jié)清晰程度也是人們關(guān)注的一個重要問題。目前，高速公路一般采用變倍、變焦攝像機，以達到在滿足監(jiān)控范圍要求的前提下，通過適當調(diào)整攝像機焦距來獲取更多的監(jiān)控細節(jié)。

在鏡頭規(guī)格一定的情況下，鏡頭的焦距越長，其視場角就越??；在鏡頭焦距一定的情況下，鏡頭規(guī)格越大，其視場角也越大。

鏡頭焦距的理論計算公式(4）如下：式中，U 為景物實際高度；D 為鏡頭至景物實測距離；u 為圖像高度。

3.2 京秦高速公路監(jiān)控現(xiàn)狀分析

目前，京秦高速公路全線按平均2 km 的間距設(shè)置1 對攝像機(云臺式攝像機和固定式攝像機），全線外場沿線共設(shè)置226 臺攝像機。固定式攝像機完成近距離全景監(jiān)控，云臺攝像機除一般時候擔(dān)任上述功能外，在交通事故發(fā)生等特殊情況下完成細節(jié)性監(jiān)控。

3.2.1 固定式監(jiān)控

固定式監(jiān)控選用COMPUTAR H6Z0812AMS 型鏡頭，如圖2所示。

已知京秦高速公路監(jiān)控攝像機安裝高度為13 m，則監(jiān)控范圍R 如表1所示。

表1 固定式攝像機監(jiān)控情況表

如表1所示，在攝像機監(jiān)控過程中，當焦距拉到最短，視場角范圍最大時，隨著視軸俯角的增大，觀測范圍逐步變大，當視軸俯角達到67°時，觀測范圍達到1 047 m，對于1 km 的監(jiān)控范圍要求來說，該角度是視軸俯角較為理想的選擇，但隨著視軸俯角的增大，觀測距離有所增加，即監(jiān)控攝像機附近的監(jiān)控盲區(qū)有所增加。

3.2.2 云臺式監(jiān)控

如圖3所示，云臺監(jiān)控是一種比較靈活的監(jiān)控模式，在日常監(jiān)控情況下，可將焦距拉到最短，完成宏觀狀態(tài)的監(jiān)控，在特殊情況下，可以通過調(diào)整焦距大小，進行細節(jié)性的監(jiān)控與觀測。

表2數(shù)據(jù)顯示，在一般情況下，目前京秦高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本能滿足監(jiān)控需求。但這適用于一般的監(jiān)視情況，在進行系統(tǒng)的升級改造時，以下幾個因素應(yīng)該重點考慮：

表2 云臺式攝像機監(jiān)控情況表

1）當系統(tǒng)后端接入視頻交通事件檢測系統(tǒng)時，應(yīng)結(jié)合視頻事件檢測系統(tǒng)的實際檢測范圍進行綜合考慮；

2）考慮惡劣氣象對監(jiān)控效果的影響；

3）考慮道路線形、道路遮擋對監(jiān)控效果的影響。

4 道路環(huán)境與監(jiān)控范圍影響的研究

4.1 大霧環(huán)境中提高攝像機監(jiān)控范圍技術(shù)的研究

4.1.1 大霧環(huán)境中視頻監(jiān)控技術(shù)的研究

面對大霧等惡劣氣象，嚴重影響大變倍鏡頭觀察能力的情況，采用一種“透霧”技術(shù)，能較好地解決該問題。該技術(shù)可以自動修正物體光線的縱向色差，保證物體光的RGB 信號不偏差，再利用單色(黑白）圖像表達空間的能量，使透霧能力超過能見度的數(shù)倍以上。

圖4為在山東勝利油田的監(jiān)控實驗，大霧發(fā)生時，在一般監(jiān)控模式中，遠區(qū)域海面幾乎完全不可見，當“透霧”模式開啟后，能比較容易發(fā)現(xiàn)遠方海面的勝利油田。

4.1.2 低照度對監(jiān)控范圍影響的研究

如何提高夜晚低照度下的監(jiān)控效果是監(jiān)控領(lǐng)域的瓶頸技術(shù)之一。目前，普遍采用的辦法是采用主動紅外技術(shù)與被動紅外技術(shù)，如圖5所示，被動紅外攝像機技術(shù)是利用任何物質(zhì)在絕對零度(-273 ℃）以上都有紅外線輻射，物的溫度越高，輻射出的紅外線越多的原理。利用此原理制成的紅外攝像機最典型的就是紅外熱像儀，但是，這種特殊的紅外攝像機造價昂貴，因此，僅限于軍事或特殊場合使用。而主動紅外攝像技術(shù)，是采用紅外燈輻射“照明”(主要是紅外光線），應(yīng)用紅外攝像機，感受周圍景物和環(huán)境反射回來的紅外光實現(xiàn)夜視監(jiān)控。

目前，國內(nèi)有部分高速公路路段給彩色黑白攝像機安裝紅外補光照明燈，如圖6所示。紅外線在可見光的條件下會干擾攝像機的清晰度和色彩還原，彩色攝像機的濾光片可以很好地阻止紅外線。

目前，市場廣泛使用的紅外光源有LED 紅外燈、微陣列LED 紅外燈、鹵素濾光型紅外燈等。但這幾種紅外燈都存在一定局限性，不適用于1 km 以上的遠距離夜視監(jiān)控。本文擬采用近紅外大功率半導(dǎo)體激光光源照明，采用半導(dǎo)體激光二極管LD，其波長為808 nm，功率根據(jù)所需距離有1～10 W 等，能較好地滿足高速公路夜間監(jiān)控，如圖7所示。

4.2 高速公路監(jiān)控設(shè)施優(yōu)化布設(shè)技術(shù)的研究

4.2.1 視頻監(jiān)控攝像機的安裝高度與安裝方式

視頻監(jiān)控攝像機的安裝高度和安裝方式直接關(guān)系到視頻監(jiān)控的范圍和監(jiān)控效果，也直接關(guān)系到監(jiān)控圖像的穩(wěn)定性。目前，高速公路安裝高度視情況分為10 m、12 m、15 m 等多種情況，安裝高度為12 m 和15 m 的情況最為常見。

實驗證明，12～15 m 是較為理想的安裝高度，能基本保證對所需監(jiān)控范圍的監(jiān)控要求，當高度過高時，在大風(fēng)等惡劣氣象時會帶來監(jiān)控攝像機的晃動，不利于監(jiān)控圖像的穩(wěn)定輸出。

目前，高速公路路側(cè)監(jiān)控攝像機的安裝以路側(cè)安裝為主，但也存在隔離帶中間安裝和其他的安裝方式，不過中間安裝的方式一般以車流量等參數(shù)指標檢測為主，監(jiān)控視域范圍有限。

當高速公路需要跨越江河、溝壑時，此時監(jiān)控攝像機一般不具備路側(cè)安裝的條件，一般采用直接安裝在橋梁混凝土防護欄上面或其他地方。

通過國內(nèi)外廣泛調(diào)研和大量的實踐表明，路側(cè)安裝是一種比較值得推薦的攝像機安裝方式，能基本滿足道路管理部門對道路的監(jiān)控需求，也有利于監(jiān)控攝像機的后期維護及改造。

4.2.2 監(jiān)控攝像機布設(shè)位置的考慮與選擇

監(jiān)控攝像機布設(shè)位置是高速公路監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計和實施中一個重要的考慮因素，考慮到監(jiān)控攝像機本身能達到的監(jiān)控范圍、道路曲線影響、道路橫縱坡影響、樹木高山遮擋物影響、道路標志等交通設(shè)施遮擋影響等，在進行監(jiān)控攝像機布設(shè)時要經(jīng)過詳細的研究與考慮。

1）等間距布設(shè)

等間距布設(shè)是在全程監(jiān)控系統(tǒng)中用的較多的一種方式，一般用于遮擋少的平原高速公路。目前，京秦高速公路全程監(jiān)控系統(tǒng)就是使用的等間距布設(shè)方式。這種布設(shè)方式一般全路段都使用統(tǒng)一型號的攝像機，由于道路曲線、道路橫縱坡、樹木高山遮擋物等影響較小，一般不對這些因素做過多考慮。

2）優(yōu)化布設(shè)方式

山區(qū)、丘陵地帶一般不宜采用簡單的等距離布設(shè)方式，由于影響視距的因素較多，采用上述方式容易造成如下兩種后果：(1）視域嚴重遮擋，達不到理想的監(jiān)控效果；(2）監(jiān)控區(qū)域嚴重重疊，造成大量監(jiān)控資源浪費?；谝陨戏N種因素，一般可考慮采用優(yōu)化的布設(shè)方式。

3）影響監(jiān)控視域的相關(guān)因素

一是平曲線對監(jiān)控視域的影響。如圖8所示，平曲線處攝像機宜安裝于平曲線外側(cè)，這樣能減少遮擋影響，擴大監(jiān)控視域范圍。

二是縱坡對監(jiān)控視域的影響。如圖9所示，縱坡路段攝像機宜布設(shè)于縱坡上半部分或坡頂，這樣能減少遮擋影響、增大監(jiān)控范圍并有利于攝像機的操控。

三是交通安全設(shè)施對監(jiān)控視域的影響等。在進行交通標志等安全設(shè)施和道路攝像機布設(shè)時，應(yīng)進行綜合考慮，防止對其對監(jiān)控范圍的大面積遮擋，造成大區(qū)域監(jiān)控盲區(qū)。

5 結(jié)語

京秦高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化是一項比較大的系統(tǒng)工程，受到人力、物力、資金、技術(shù)等多方面的限制。本文結(jié)合京秦高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本著切實可行和可持續(xù)發(fā)展的原則，探討了攝像機的選型、攝像機在霧天、低照度等惡劣環(huán)境條件下的應(yīng)用等瓶頸問題。