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道路监控摄像机关键性能应用技术

道路交通专用摄像机作为视频图象信号采集设备,专门用于监视交通道路的车辆、驾驶员、行人等目标,要求全天候不间断运行,并要能实时、清晰地捕获到目标对象的特征信息。随着道路监控需求的不断提高和摄像机技术的更新发展,道路交通专用摄像机的功能也越来越强大,性能也更趋完善,并已在道路交通监控领域发挥着重大作用。
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【安防知识网】道路交通专用摄像机作为视频图象信号采集设备,专门用于监视交通道路的车辆、驾驶员、行人等目标,要求全天候不间断运行,并要能实时、清晰地捕获到目标对象的特征信息。随着道路监控需求的不断提高和摄像机技术的更新发展,道路交通专用摄像机的功能也越来越强大,性能也更趋完善,并已在道路交通监控领域发挥着重大作用。

  尽管道路监控四大功能对专用摄像机的性能要求稍有些差异,如卡口、电子警察摄像机更专注于清晰度、低照度、强光抑制等;而道路治安监控和交通状况监察的重点要求是清晰度、低照度、宽动态功能等,但二者主要功能和要求还是一致的。总结道路交通监控的特殊要求,其摄像机的关键性能应包括有清晰度、低照度、强光抑制、宽动态、数子降噪、红绿灯辨别等技术。

  清晰度——没有最高,只有更高

  摄像机清晰度是指画面再现物体细部的能力,决定着图像质量,对道路交通监控尤其重要。业内人士一定还记得10多年前的摄像机只能产生大约320×240像素的图像,画面充满颗粒感,即便把图像放大,因像素数没随画面放大而增加,图质甚至更差。

  而摄像机的发展得益于CCD技术的不断更新。CCD的发展历经从HAD CCD、Super HAD CCD,再到Exwave HAD CCD,后来又推出超高感度的Super Exwave CCD,近年又有专为安防监控量身打造的Super HAD CCD Ⅱ,图像越来越清晰、灵敏度不断提升、色彩还原更真实。不妨再从模拟摄像机水平清晰度来看,480TVL基本退出市场,540TVL已成主角,有厂商已推出650TVL产品。

  但也不可否认,就清晰度而言,模拟摄像机已接近极限,人们从道路监控中看到很多录像画面清晰度不高,对细节尤其是车牌车型人脸看得不够清楚;同时摄像机的安装数量成倍增加,如何有效监视、管理、调用摄像资源已成问题,诸如此类的“烦恼”都说明模拟摄像机局限性越来越大,而百万像素高清摄像机在清晰度上可以说没有上限,不管是CCD还是CMOS技术,百万像素摄像机已被广泛应用。

  百万像素摄像机的显著特点是分辨率高(1280×720或1920×1080)、16∶9宽广的水平视场角、画面包容的景物更多,影像能被放大很多倍而细节依然清晰。一般一台模拟摄像机仅只能监看一个车道,而高清百万像素摄像机能监看二至三个车道,这就使得道路交通监控系统对车辆、车牌和行人监控,或需要获取影像细节的智能视频分析系统,甚至依靠人工播放录像来获得监控细节以作证据的系统都能显著获益。

  更高清晰度除带来更好的监视效果外,也更为高效、更可靠的智能分析带来了可能,这将彻底改变完全依靠人工来监视的被动监控,而实现“按需”监控、“主动”监控。这一切也正是现代道路交通监控系统所热切期待的。

  低照度——软硬兼升

  道路监控需要24小时工作,而且在晚上极暗的光照条件下也要求得到可视的画面。常规摄像机则难以满足该条件,因而对道路监控就有了低照度要求。

  所谓低照度,即借助周边道路灯,甚至月光、星光等可见光,在光线较暗的情况下也能获得较理想的可视图像,以满足夜间监控的需求。低照度摄像机的关键技术有二方面,一是CCD及配套器件,二是DSP技术。即使现在红外摄像机“大行其道”,但低照度摄像机仍以其特有性能不能被取代。

  CCD技术

  CCD及配套器件即摄像机和镜头,而摄像机又由感光器件CCD 、信号处理电路、滤光片等组成。以SONY为例,其低照度技术为Super HAD CCD,后来又研发出超感光度Ex-view HAD CCD。这两技术中,在CCD的每个像素上都定位有OCL镜头,该镜头是使光线集中到感光区域,令感光度提高。而Ex-view HAD更进一大步,使OCL拥有接近零间隙结构,有着更低的Smear Levels,其将CCD每一像素的开口率提高,令小孔累积层收到最大量的光线,进而达到更低照度的要求。

  镜头作为摄像部件重要组成部分,其为CCD聚焦被摄物体的光线,其可摄取光线的多少直接决定了CCD成像的清晰度。衡量镜头摄取光线的多少 ,称之为进光量,用F值(光圈)表示,F值与口径成反比,与焦距成正比,在焦距相同条件下,镜头口径越大,F值越小,镜头进光量就越大。常见镜头的F值多为1.2、1.4,目前也有F1.0 的,因此为了使得摄像机获得理想的低照度效果,需要配置相适合的或配置 F 值较小的镜头。

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  DSP后端处理

  摄像机中好的CCD固然重要,但后端的DSP芯片也起着不可或缺的作用,其将前端CCD采集到的视频信号进行处理,转换为视频图像输出,DSP芯片将在后端进行数字降噪、宽动态、暗区补偿等进行软性处理。如松下推出的SD5的DSP芯片,与前几代相比色彩还原性和亮度等方面都有很大的提升,并采用自适应数字降噪技术(DNR),将2D-DNR与3D-DNR结合,在多种条件下,都可很好地降噪。

  图像DSP处理低照度摄像机发展至今,不仅有硬件技术方面的发展,在软件处理方面也有突出的表现,比如彩转黑技术和低速快门,即帧累积技术的出现。

  彩转黑技术

  实现低照度监控,高端摄像机在切换滤光片的同时会转换成黑白图像,以此得到更好的图像效果。但在转换过程中会遇到一个临界值问题,若光线恰好在设定的临界值时会发生来回切换,不但对成像效果会有影响,也会因不停的机械运动影响滤光片的寿命,所以厂家在摄像机内增加延迟电路,即当达到临界值时延迟一段时间再切换,若照度继续降低,则切换;反之,则不进行切换。

  黑白摄像机的灵敏度比彩色摄像机的灵敏度要高很多,因为黑白摄像机中,DSP运算只对两种色彩进行处理,即黑色和白色,所以现在相当部分的低照度摄像机都有彩色转黑白的功能,即白天为彩色图像,夜间通过软件处理将图像转换为黑白图像,通过牺牲彩色效果来得到更低的照度。一般彩色转黑白过程是通过CCD采集光线后转换的电荷强弱来控制,当电荷强度达到一定临界值时会自动转换为黑白图像, 同样为保证在临界值时不会造成反复切换会做一个延迟。一般说,鉴于城市卡口和电子警察要求车牌车型等的细节识别及车辆大光灯对彩转黑的影响,所以卡口和电子警察应用往往不采用彩色转黑白技术。

  低速电子快门技术

  低速电子快门利用电脑记忆体的技术,连续将几个因光线不足而较显模糊的画面累积叠加,成为一个影像相对较清晰的画面。在CCD摄像机内,是用光学电控电荷积累时间来操纵快门,控制摄像机CCD的累积时间。当电子快门速度增加时,在每个视频场允许的时间内,聚焦在CCD上的光减少,将降低摄像机的灵敏度。低速电子快门可放慢快门的曝光速度,使得CCD可更长时间累积电荷从而在低照度环境下得到相对清晰的画面。然而,随着电子快门速度的放慢,会产生摄像机图像拖尾现象,该类摄像机比较适用于对静止画面的监视,活动剧烈的画面监视不宜用,所以说该项技术也不适用于道路交通监控系统。

  任何低照度摄像机都需要有一定的光线才可使用,至于光照度的大小涉及到低照度摄像机的灵敏度,0LUX摄像机是没有的。总之,低照度摄像机虽然在某些领域有其不可替代的地位,但是由于其硬件研发难度较大,致使价格比较昂贵,所以,未来的低照度摄像机发展,应该在DSP软件上再不断突破来降低原始成本,使其被广泛应用。

  强光抑制——保障车牌识别

  道路监控摄像机与传统监控摄像机有许多差异,例如应用在卡口或电子警察的车牌辨识就是需要选用非常专业的摄像机,否则会因为环境的影响而造成无法辨识。譬如,夜晚卡口或电子警察针对汽车的强光灯就因为需要针对由强光灯形成的光晕现象而选择专业的强光抑制摄像机。

  由强光形成的光晕俗称“漏光”,光晕问题是CCD图像采集系统中的一大难题。强光抑制是采用DSP技术,即把强光部分弱化,把暗光部分亮化,达到光线平衡的目的。其原理是在图像中把强光部分的视频信息通过DSP处理,将视频信号亮度调整为正常范围,避免同一图像中前后反差太大。

  强光抑制技术能有效抑制强光点直接照射造成的光晕偏大,使视频图像模糊,能自动分辨强光点,并对强光点附近区域进行补偿以获得清晰的图像。

  确实,强光抑制技术和宽动态技术有些相似,但二者还是有区别的。宽动态摄像机是用在强光区域和弱光区域同时需要看清楚的应用;而看车牌照用强光抑制摄像机,即要抑制掉车灯的强光,弱化车灯光晕的影响,使车牌能看清楚。

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  宽动态——背光补偿升级版

  在监控应用中,经常会出现明暗反差较大或逆光的场景。在同一位置往往会面临多种照明条件,并在不同时段出现明暗反差非常大或者说强背光的情况,从而造成摄像机不能同时将反差很大的场景清晰地拍摄下来。城市道路监控就经常会处在这类比较复杂的环境,故而,道路监控摄像机经常会用到宽动态技术。

  背光补偿主要是靠提升视场中央部分的亮度、降低视场四周部分的亮度来达到看清位于中央位置物体的目的。但是这种情况下摄像机无法同时看清前景与后景内的目标,而使用宽动态(WDR)技术则能在很大程度上解决这一矛盾。它首先对明亮区域被摄物用最合适的快门速度进行曝光,然后再对阴暗区的被摄物也用最适合的快门速度进行曝光,最后DSP处理器将两幅图像重新组合在一张图像上,使明亮和阴暗区域的物体都可以看得清楚。由此可见,在强背光下,背光补偿是以牺牲画面的对比度为代价的,而宽动态技术是对背光补偿技术的升级。

  除了清晰度和还原能力外,动态范围和灵敏度也是一对矛盾。通常动态范围大则其灵敏度较低,而高灵敏度其动态范围也相对较低。也就是说目前宽动态摄像机在光线足时能呈现出高质量图像,但在低照度时,应用技术还有待提高。

  索尼中国专业系统集团B2B销售及市场开发部产品市场科产品经理文军表示:“近些年来,索尼依托其在感光器件(CCD及Exmor CMOS)和图像处理(DSP)技术方面的领先优势,推出了业界最新的View-DR宽动态功能”。View-DR包含了索尼三项核心技术,即Exmor CMOS感光器件、多次曝光宽动态技术、可视性增强技术(VE),这样就有效解决了一些宽动态摄像机打开宽动态功能后灵敏度降低的问题,使宽动态范围超过120dB,相比传统宽动态的灵敏度提升三倍,对比度增加四倍,能有效满足各类交通场所低照度环境下摄像的需要。

  最后要说,宽动态技术不是CCD独有,由于CCD的感光特性限制,在技术上很难再有大的突破,而CMOS宽动态摄像机将会有突出的表现,可以说未来的监控摄像机都会有宽动态功能,而宽动态技术将属于CMOS。

  应用在城市道路的监控摄像机,面临着强烈的场景光照的变化,要求能在光照反差很大的场景下辨识道路车辆和行人,识别交通信号灯。普通摄像机较难满足,而宽动态摄像机能基本满足道路监控的要求。

  数字降噪——助力低照度性能

  道路监控摄像机不可避免会在低照度环境下工作,随之,图像噪点也将会极大地增多,针对骤增的图像噪点目前各家有实力的摄像机厂商都已采用数字降噪技术来改善低照度环境下的图像的质量。

  数字降噪技术就是采用专业的视频信号处理DSP芯片,通过检测和分析帧存储器中的图像信息,在信号进入后重新对噪点进行计算,再做信号的输出,以自动降低相对静止画面的增益幅度,消除信号中的干扰噪声,从而有效提高画面清晰度和洁净度,使显示效果更舒服,主体更清晰。

  此技术已有越来越多的厂家开始研究,并对CCD周边电路的设计和降噪的算法都已做了很多的探索,这将助力摄像机低照度技术的发展。但业内专家也表示,虽然性能优良的DSP芯片可对CCD性能的提高有促进作用,但不可否认光学上的改进还是比电子技术的改进更加有效果。

  不少国内外著名品牌在摄像机研发上除采用高性能的CCD外,也都通过研发数字降噪技术来降低噪点。

  索尼XDNR超级动态降噪技术:在高清监控摄像机噪点控制方面,索尼有独特的技术,即超级动态降噪技术(XDNR)。传统的降噪技术往往在噪点控制和移动物体拖尾两方面难以兼顾,噪点降低了但移动物体就会有拖尾,而移动物体边缘清晰了则噪点就会增加。索尼高清摄像机的超级动态降噪技术正是平衡这两者的关系,在降低噪点的同时也能保证移动物体的边缘清晰不拖尾。这对于道路监控来说是非常关键的,因为道路监控主要就是关注移动物体车和人等。

  此外,索尼还在其摄像机内部添加一些特殊技术来与超级动态降噪技术相配合,如图像增强技术,此种技术既不会损失分辨率,但将画面中的过曝区域亮度调低,同时提高暗区亮度来获取暗部细节。

  神州数码AMPON摄像机降噪技术:CCD输出的原始视频信号中都包含有静态噪声,而静态噪声是影响整个图像系统清晰度的主因。神州数码的AMPON摄像机利用二次取样电路(CDS)提取脉冲,能去除静态噪声,经过低噪放大器将其完全消除,从而取得高清晰的影像信号。经测试,采用相同CCD和DSP的摄像机,神州数码的AMPON摄像机清晰度将提升15至30线。所以无论是彩色,抑或是黑白模式,神州数码AMPON产品都能够使画面更高清、色彩更自然、辨别更容易。

  红绿灯辨别——日夜护航

  在闯红灯抓拍中,除了要求看清车牌号码外,另一关键点就是对红绿灯进行辨别。例如路口有车违章闯红灯时,现场到底是红灯、绿灯还是黄灯呢?再假如有车辆或行人违章时,车体与行人衣服的颜色,摄像机是否能实现色彩真实的还原呢?尤其当周围环境或光照较差的情况下,如果摄像机红绿黄灯分不清,或者汽车的外观、行人的衣着颜色无法正确分辨时,则识别会出现偏差。除此之外,夜间照度低,监控摄像机时常会将红绿灯识别为亮度信号对其处理,因此也会存在辨识不准确或辨识不出的问题,这也是目前交通监控的难点之一。

  针对这些问题,国内许多厂商一直在探索解决办法。比如神州数码AMPON率先采用细微动态侦测技术,针对图像高亮度区域执行细微检知,透过自动动态选取计算,实时地调整所选取图像的对比度及色浓度,同时启动智能全域图像侦测技术,藉由全域加总平均亮度的数据,判断对比度与启动时机,用以提高夜间红绿灯辨识能力,解决了夜间信号交通灯反白问题。目前该技术已经被广泛应用,用户应用后,反馈良好,但也认为该技术仍需不断完善和进一步提高。

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