视频采集解决方案

陈 梅

（北京全路通信信号研究设计院，北京 100073）

在视频监控系统中,原始图像的好坏是影响系统图像质量优劣的关键因素之一,视频采集是决定系统可用性的关键一环。因此，在铁路综合视频监控系统建设中，应重视视频采集设备的合理选用和搭配，采用合理优化的解决方案，在确保质量的前提下，可降低成本，便于系统的后期维护。

表1 CCD尺寸与摄像机靶面尺寸对照表

1 摄像机

摄像机是摄像头和镜头的总称。在监控系统中，通常把摄像头称作摄像机。多数情况下，摄像机和镜头根据需求搭配组装。

（1）CCD

摄像机一般都采用电荷耦合器件（CCD）作为成像器件，它能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移，也可将储存的电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像元件，也是代替摄像管传感器的新型器件。摄像机靶面尺寸（CCD尺寸）大小和像素数量是两个重要的参数。

1）CCD尺寸

目前采用的芯片大多数为1/4 in以上，铁路视频监控系统的工程应用，除室内球机外，大部分要求采用1/3 in以上。CCD尺寸与摄像机靶面尺寸对照如表1所示。

2）CCD像素

CCD由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。CCD像素多少，决定了显示图像的清晰程度，直接影响到摄像机的分辨率，分辨率越高，图像细节表现得越好。监控用摄像机的CCD像素在40万左右。

（2）分辨率

分辨率是用电视线（TVL）来表示的，分为水平分辨率和垂直分辨率。垂直分辨率由水平扫描的线数决定，最大为430线（PAL制）；水平分辨率是指垂直扫描线数，与CCD像素数量和镜头有关，还与摄像机电路通道的频带宽度直接相关， 1 MHz的频带宽度相当于80 TVL， 频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。

（3）灵敏度/最低照度

灵敏度，也称为最低照度。是CCD对环境光线的敏感程度，即CCD正常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯（LUX），数值越小，表示需要的光线越少，摄像机也越灵敏。

在应用中，在关注标注最低照度的同时，也要关注标注反射率、光圈（F Stop）、可用的视频幅度（IRE单位）、自动增益控制 （AGC）等参数。如 最 低 照 度 ：0.8lx，F1.2，40IRE，AGC开，75%反射。

（4）快门速度

快门速度就是指曝光时间，通常为1/50 s（PAL制）。摄像机必须有足够高的快门速度，以利于拍摄高速运动物体或有效控制景深。实际应用中，一般要求快门速度范围为1/50～1/100000 s。

（5）信噪比

典型值为46 dB。若为50 dB，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60 dB，则图像质量优良，不出现噪声。

（6）背光补偿

背光补偿可以提供在非常强的背景光线前面目标的理想曝光。线路监视有火车车灯的影响、城市背景强光影响及太阳光直射影响等因素时，需考虑背光补偿功能的使用。

（7）宽动态

宽动态是保证场景中特别亮和特别暗的部位同时能看清楚。宽动态范围是指图像能分辨的最亮信号值和最暗信号值的比值。在室内环境下受不同时段阳光影响的场景，要求摄像机具有宽动态功能。

（8）白平衡

白平衡用于彩色摄像机，直接影响重现图像的彩色效果。当摄像机的白平衡设置不当时,重现图像就会出现偏色现象,特别是使不带色彩的景物(如白色墙壁)也出现了颜色。

2 镜头

2.1 镜头选择

在选择镜头时，有以下5个因素确定镜头标准。

监控现场的范围、被监视目标物体的大小、物距、焦距和CCD靶面尺寸 。

2.1.1 镜头尺寸

镜头的成像尺寸应与摄像机CCD靶面尺寸相一致，有1、2/3、1/2、1/3、1/4 in等规格。

2.1.2 镜头光圈

光圈或通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量，用F表示。通光量与F值的平方成反比关系，F值越小，则光圈越大。所以应根据被监控部分的光线变化程度，来选择用手动光圈还是用自动光圈镜头。F值与光圈大小对应关系参见图1。

2.1.3 镜头焦距

镜头焦距应参照图2进行计算。

其中：

f：镜头焦距；

D：监视目标距镜头的距离；

W：监视目标的水平宽度；

H：监视目标的垂直高度；

w：CCD的水平宽度；

h：CCD的垂直高度。

2.1.4 视场角

镜头视野的高度和宽度的张角称为视场角。视场角与镜头焦距f及摄像机靶面尺寸（水平w和垂直h）的大小有关，镜头的水平视场角αw和垂直视场角αh可分别由下式来计算，即αw=2arctan(w/2f)，αh=2arctan(h/2f)。

根据以上两式，镜头的焦距f越短，其视场角越大，摄像机靶面尺寸h或w越大，其视场角也越大。如果所选择镜头视场角太小，可能出现监视死角；若选择镜头视场角太大，可能造成监视主体画面尺寸太小，难以辨认，画面边缘出现畸变。因此，要根据具体应用环境选择视场角合适的镜头。

2.1.5 镜头接口

镜头接口有C型和CS型两种。在视频监控系统中，常用C型镜头。镜头安装部位口径是25.4 mm，从镜头安装基准面到焦点距离是17.526 mm。大多数摄像机的镜头接口为CS型，将C型镜头安装到CS型接口摄像机时，需增配一个5 mm厚的接圈。如果对C型镜头不加接圈而直接接到CS型接口摄像机上，可能使镜头后镜面碰到CCD靶面的保护玻璃，造成摄像机损坏。

2.2 镜头与摄像机靶面的关系

镜头尺寸必须与摄像机靶面尺寸相匹配。

当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大时，不会影响成像，但实际成像的视场角要比该镜头的标称视场角小。当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小时，会影响成像，表现为成像的画面四周被镜筒遮挡，在画面的4个角上出现黑角。

比如， 1/2 in镜头，既可用于1/2 in摄像机，也可用于1/3 in摄像机，但视场角会减少25%左右。1/3 in镜头不能用于1/2 in摄像机，只能用于1/3 in摄像机。

3 摄像机云台

选择云台时，除要考虑安装环境、安装方式、工作电压、负载大小、性能价格比及外型是否美观等因素外，还要注重以下性能指标。

（1）云台转动速度

云台的转动速度是衡量云台档次高低的重要指标。云台水平和垂直方向是由两个不同的电机驱动的，因此，云台的转速也分为水平转速和垂直转速。一般情况下，云台的垂直转速要低于水平转速。

交流型云台使用交流电机，转动速度固定。直流型云台大都采用直流步进电机，具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。

（2）云台转动角度

云台的转动角度尤其是垂直转动角度与负载（含防护罩/摄像机/镜头）安装方式关系很大。

云台的水平转动角度一般都能达到355°，但会出现少许的监控死角。当前的云台通过改进限位装置使其可以达到360°，甚至365°（有5°的覆盖角度），以消除监控死角。使用时可以根据现场实际情况进行限位设置。壁装式只需监视水平180°的范围，角装式只需监视270°的范围，顶装式的垂直转动角度一般为+30°至-90°，侧装的垂直转动角度可以达到±180°，正常使用时垂直转动角度在+20°至-90°即可。这样避免云台过多地转动到无需监控的位置，也提高了云台的使用效率。

（3）云台载重量

云台的载重量是选用云台的关键。如果云台载重量小于实际负载重量,不仅会使操作功能下降，而且云台的电机、齿轮也会因长时间超负荷而损坏。云台的实际载重量可从3 kg到50 kg不等，同一系列的云台产品，侧装时的承载能力要大于顶装，高速型的承载能力要小于普通型。

（4）云台预置位及回位精度

选择云台，还应考虑云台的可编程预置位功能及回位精度。云台应可以支持多个预置位，回位精度应不大于1°。

（5）云台环境指标要求

一般室外环境使用的云台，温度范围为-20℃至+60℃，如果使用在更低温度的环境下，可以在云台内部加装温控型加热器，使温度下限达-40℃或更低，湿度指标一般为95%不凝结。防尘防水的IP等级应达到IP66以上。

（6）云台解码器

云台解码器的主要作用是接收控制信号，并进行解码，控制摄像机及其辅助设备的各种动作（如镜头的变倍、云台的转动等）。

4 防护罩

4.1 防护罩尺寸

选择防护罩时，首先要确定防护罩安装的最大尺寸，包括摄像机+镜头+BNC头，还应考虑安装时，摄像机/镜头组件距离防护罩后部的面板至少要留0.5 in。

4.2 防护罩环境指标要求

为适应散热和低温要求，防护罩要配置风扇和加热单元；为适应室外的防尘防水要求，防护罩的防护等级应不低于IP66。

5 视频采集解决方案

为满足用户需求，视频采集有不同的解决方案，主要根据视频采集点主要设置地点、监视目标、图像分辨率要求及功能实现上配置不同的设备。

5.1 视频采集点设置

视频采集点设置应考虑设置地点、监视目标的范围、采集设备要求、图像分辨率要求以及存储时间的因素。具体原则可参照《铁路图像通信设计规范》相关附录。其中，根据工程经验，机房室内采集点通信分辨率不小于CIF即可。

5.2 夜视功能实现方案

随着用户需求的不断明确，实现对目标的昼夜监视更显重要。夜间监控主要有以下解决方案。

（1）采用低照度摄像机/彩转黑摄像机+辅助照明光源，实现夜视功能

在采用低照度摄像机时，要求摄像机具有帧积累功能；对于彩转黑摄像机，在镜头选择上建议选用带红外校正功能。实际应用时，尽管设备的标称指标很高，但也只能在傍晚或有月光的夜晚获取图像，无法真正实现夜视功能。因此，需要增加辅助照明光源。辅助照明光源可采用普通照明灯源和LED红外灯（940 nm）。选择红外灯时，应注意红外灯的发射角度不大于镜头的视角，在狭长环境应用时，应选择角度更小甚至是镜头角度1/3的红外灯。这种方案中的摄像机和红外灯是两个完全独立的设备，红外灯的价格相对较低，但覆盖距离一般不超过100 m。

京津客运专线视频监控系统中，维修梯夜间监控、路基地段的连续夜间监控、区间设备机房室外的夜间监控就是采用上述方案实现的，使用效果较好。

（2）采用激光摄像机，实现夜视功能

激光摄像机是利用激光束作为光源，把摄像机和激光器通过合理选配，集成一体，实现几百米不等的监视范围。激光器的输出功率一般为几瓦到十几瓦，具有能量集中、能耗低、照射距离远等特点。选用激光摄像机时，应考虑激光红曝对使用的影响，避免激光聚焦点对人身的伤害。激光摄像机可以实现连续变焦，在铁路视频监控系统中的应用刚刚起步。广深线的线路夜间监控就是采用覆盖距离达300 m的激光摄像机实现的。

（3）采用被动式红外热像仪，实现夜视功能

铁路视频监控系统中，采用被动式红外热像仪解决夜视问题。被动式红外热成像是借助于目标本身发射的红外辐射，是根据目标与背景或目标本身的温差或热辐射差异来发现目标的。热像仪的成像效果不受外界条件影响，监视距离较远，可达2 km，技术较成熟，设备性能比较稳定，在青藏线格拉段线路监视中得到应用。但设备造价高，成像只能观察到目标的轮廓，无法看到具体细节和颜色。

5.3 高清图像的采集方案

随着高清网络摄像机的大量应用和发展，视频网络传输资源的不断改善，高清图像能更好地满足铁路各业务部门的需求。

当图像分辨率达到720P（1280×720）、1080i（1920×1080）、1080P（1920×1080）像素时，被称为高清图像。其中，i代表隔行扫描， p代表逐行扫描。

要满足高清图像分辨率要求，摄像机像素必须达到百万以上，同时要求必须有两个以上视频流输出。大流量视频流（8 Mbit/s以上）适合局域网内的本地用户浏览，小流量视频流用于广域网上传输，为上级用户调用。高清网络摄像机在车站这类采集点较集中的区域有应用前景。

6 结束语

前端采集设备选用时，除对重要参数指标严格把关外，还应要求配套设备的接口类型和设备供电电源种类尽量统一，以减少故障点和备品备件种类，降低系统维护难度。

[1] TB10085-2009 铁路图像通信设计规范 [S].

[2]运基通信[2008]630号 铁路综合视频监控系统技术规范（试行）[S].

[3]钟晓流. 多媒体视听与技术应用环境[M]. 北京：清华大学出版社， 2007.