视频图像采集技术

2010-12-31刘宝金费冬郝文佳

铁路技术创新 2010年2期

■ 刘宝金费冬郝文佳

1 概述

铁路综合视频监控系统是铁路安全防范系统的重要组成部分，系统以直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，铁路综合视频监控技术也有了长足的发展。

铁路综合视频监控系统包括前端采集设备、传输设备、处理/控制设备和记录/显示设备4部分，采用PAL电视制式。根据《铁路综合视频监控系统技术规范（试行）》，前端采集设备的定义为“设置在视频采集点的摄像机及与之配套的附属设备等，用于对视频图像信息进行采集”。

视频图像采集技术按照成像原理可分为可见光视频图像采集技术和夜视条件下视频图像采集技术两大类。夜视技术又可以细分为微光夜视技术、雷达技术及红外成像技术。几种主要技术的成像光谱对比见图1。

2 可见光视频图像采集技术

可见光成像技术是建立在光学技术与半导体、微电子技术、信号处理技术等基础上的成像技术，其性能受光学镜头、成像器件和信号处理的制约。可见光视频图像采集设备主要包含光学镜头和摄像机两部分。

2.1 光学镜头

光学镜头主要用来采集监控目标反射回来的可见光，并将此传送至摄像机的光电传感器上。其主要技术指标包括：镜头尺寸、焦距、变倍、光圈。

镜头尺寸：需与摄像机的成像靶面尺寸相匹配，一般分为1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等几种。

焦距：焦距的大小决定视场角的大小。焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，需同时考虑观测细节和观测范围两个因素。如果要看细节，则选择长焦距镜头；如果看近距离大场面，则选择小焦距的广角镜头。根据监控目标的远近可选用不同焦距的镜头，在铁路综合视频监控系统中一般分为短距镜头（监控目标在200～300 m以内）、中距镜头（监控目标在500～800 m以内）和长距镜头（监控目标在1 000 m以上）。

变倍：变倍镜头分为手动和电动两种，手动变倍镜头一般用于监控目标距离较近的场景，如公跨铁桥梁监控点等。在监控很大的场面时，摄像机通常要配合电动镜头和云台使用。电动镜头的优势是变焦范围大，既可以看大范围的情况，也可以聚焦某个细节，再加上云台可以上下左右的转动，可视范围非常大。根据监控范围的大小，电动镜头一般分为6倍、10倍、20倍等多种倍率。

光圈：光圈指数一般用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大，成像靶面上的照度也就越大。镜头按光圈分为手动光圈镜头和自动光圈镜头。手动光圈镜头适合亮度变化不大的场合，它的进光量通过镜头上的光圈环调节，一次性调整合适为止。自动光圈镜头会随着光线的变化而自动调整，用于室外、入口等光线变化大且频繁的场合。在铁路综合视频监控系统中均使用自动光圈镜头。自动光圈镜头目前分为两类：一类称为视频驱动型，镜头本身包含放大器电路，用以将摄像机传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制；另一类称为直流驱动型，利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈。

2.2 摄像机

摄像机基本原理：把光学图像信号转变为电信号，以便于存储或传输。监控目标反射的光被摄像机镜头收集，使其聚焦在摄像管的成像靶面上，再通过摄像器件把光转变为电能，即得到了“视频信号”。光电信号很微弱，需通过预放电路进行放大，再经过各种电路进行处理和调整，最后得到的标准信号可以输出至传输设备或显示设备。

摄像机由两部分组成：光电传感器及数字电路。其中光电传感器是摄像机的核心部件，把光图像转变成视频电信号，一般分为两种，即CCD（电荷耦合器件，Charge Coup led Device）和CMOS（互补性氧化金属半导体，Com p lem entary M etal Oxide Sem iconductor）。在铁路综合视频监控系统中，目前采用的摄像机均为CCD摄像机，其主要技术指标包括：CCD尺寸、水平分辨率、电子快门、感光度。

CCD尺寸：一般分为1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等几种。

水平分辨率：主要由CCD的分辨率决定，目前在铁路综合视频监控系统中应用的主流摄像机的分辨率在44万像素左右，水平分辨率达到480 TVL，540 TVL及620 TVL。

电子快门：快门是控制曝光时间的指标，一般而言快门的时间范围越大越好。秒数高，曝光时间长，适合在光照不足的条件下应用；秒数低，曝光时间短，适合拍运动中的物体，在铁路综合视频监控系统中，快门速度达到1/100 000 s的摄像机已广泛应用。

感光度：摄像机成像所需的最低光照度，一般分为以下3种：普通型，正常工作所需照度为1～3 Lux（勒克斯）；月光型，正常工作所需照度为0.1 Lux左右；星光型，正常工作所需照度为0.01 Lux以下。

3 夜视视频图像采集技术

在视频监控系统中，与可见光条件下的视频图像采集相比，夜视条件（夜间增加可见光照明条件的视频图像采集可以理解为在可见光条件下的视频图像采集）下的视频图像采集无疑是技术难点。

3.1 微光夜视技术

微光夜视技术是用电真空和电子光学等技术，实现光子图像—电子图像—光子图像的转换，在转换过程中，通过对电子图像的增强实现对光子图像的增强，进而达到在有微弱光线照明下的夜间观察的一种技术。此种技术在全黑的条件下不能应用。其工作原理为：景物反射的微弱可见光和近红外光汇聚到光电阴极上，光电阴极受激向外发射电子，实现把景物的光强分布图像变成与之对应的电子数密度分布图像；在电子光学部件中，输入一个电子，可以输出成千上万个电子，因此，光电阴极的电子数密度分布图像就被成千上万倍的增强了；最后，经过倍增的大量电子轰击荧光屏，实现电子图像—光子图像的转变，得到增强微光图像供人眼观察。

3.2 雷达技术

成像雷达又称合成孔径雷达，雷达天线尺寸就是其工作波长的尺寸量级，波长越长，雷达天线的尺寸就越大；目标的散射截面是决定雷达探测距离关键因素之一，一般情况下，目标的散射截面与目标的尺寸相关，尺寸越大，散射截面就越大；雷达的空间分辨力与工作波长有关，工作波长越长，空间分辨力越差，此技术可以达到米级的分辨力。

3.3 红外成像技术

红外成像技术分为被动红外成像技术和主动红外成像技术两大类，此两种技术均已在铁路综合视频监控系统中应用。

3.3.1 被动红外技术

被动红外成像技术利用景物自身发射的热辐射成像，又称为热成像技术。能够摄取景物红外辐射分布图像、并将其转换为人眼可见图像的装置就是红外热成像系统（简称热像仪）。热成像技术是综合利用红外物理和技术、半导体、微电子、真空、低温制冷、精密光学机械、电子学、信号处理、计算机、系统工程等获取景物的热辐射图像，并将其转变成电信号，再用处理后的电信号驱动显示器，产生可供人眼观察热图像的一门技术。

红外探测器是热成像系统的核心，主要分为两类：制冷型（基于光子探测）和非制冷型（基于热探测）。尽管前者（或者为光电探测器，或者为光伏器件）被认为是实际应用中最佳的红外热探测技术，但其制造和使用成本较高，寿命短。与制冷红外探测器相比，非制冷红外探测器不需要在系统中安装制冷装置，因此尺寸较小、重量较轻且功耗较低。此外，与制冷型光子探测器相比可提供更宽的频谱响应和更长的工作时间。因此，在铁路综合视频监控系统中应用的也是非制冷型的探测器。

目前主流产品的红外探测器分辨率为320×240，配合不同焦距的红外镜头，探测距离最远可达到1 000 m。但与可见光和主动红外成像技术相比，热成像技术不能采集监控目标的细节信息，只能显示轮廓，因此适合与视频内容分析配合使用。

3.3.2 主动红外成像技术

主动红外成像技术指选用感红外彩转黑摄像机及感红外镜头并配置红外光源进行视频图像采集，摄像机利用红外光源照射监控目标之后反射回来的红外光成像。目前主流的红外光源主要集中在850 nm和940 nm两个波段，其中850 nm的红外光源会产生红曝，即有可见的红光，因此在铁路综合视频监控系统中普遍采用940 nm波段的红外光源。此类红外光源主要分为以下3种：

卤素灯泡加滤光片：照射距离较远，功率较大，但能量损失也大，因为加有滤光片，大部分可见光被滤掉而转变成热能，所以这种红外灯寿命较短，因此应用较少。

激光管：功耗低但能量集中，照射距离最远（可达到1 000 m），但角度很小，一般配合云台及变焦感红外镜头使用。

LED发光二级管：应用比较广泛，单管寿命长，但整体功率较大且照射范围较小，一般在100 m以内。