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  • 道路交通和社会治安监控高清摄像机选型

    2013-03-14 15:19:13 来源:智能交通管理杂志2012.12 作者:马庆 蒋洪涛 评论:
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    1、概述

    为了服务于道路交通和社会治安面监控,公安部门建设了众多的视频监控摄像点,就前端设备而言,几年前大部分用的还是模拟标清的摄像机,其在提升公安机关打防控管能力,保障人民群众安居乐业,促进社会和谐稳定等方面发挥了积极作用,但也存在着图像清晰度低、细节特征不明显,尤其在夜间的监控效果不尽如人意等问题。应该说图像监控应用一直处在发展阶段,目前不能完全满足实际需要。为了更好的实现打防控管和促进社会和谐稳定,道路交通和社会治安面监控需要新的技术运用来取得更清晰的监控图像质量。

    2、监控用高清摄像机选型

    公安部近几年出台了《关于进一步加强社会治安防控体系建设的指导意见》(公通字[2011]37号)、《关于深入开展城市报警与监控系统应用工作的意见》(公科信[2010]30号)和《全国公安机关视频图像信息整合与共享工作任务书》等文件,明确指出了狠抓关键技术,促进深度应用,在必要的重要区域和重点场所推广智能高清摄像系统,在智能卡口系统中,大规模使用智能高清图像抓拍设备,大幅度提高图像清晰度,提升对车辆等移动物体的管控能力;《全国公安装备建设"十二五"重点项目建设任务书》(道路交通管理系统部分)中明确提出"视频监控摄像机优先选用高清视频摄像机,高清视频分辨率不低于720p"。由此高清监控被各级公安部门提上建设日程。

    但在使用高清视频摄像机过程中发现存在诸多如摄像机故障率高、夜间视频图像效果差,存储、网络链路运行成本高等不足。

    那么在高清技术越来越成熟,应用越来越广泛的今天,我们如何来选型适合道路交通和社会治安监控使用的摄像机技术和高清摄像机呢?下面笔者结合实际应用给出几点建议。

    2.1如何选择高清摄像机的清晰度

    目前道路交通和社会治安监控使用的高清摄像机较多的是720P(1280*720)和1080P(1920*1080)两种分辨率的产品,这两种分辨率的产品如何挑选使用,一直都是很关注的一个问题。

    在目前已经应用高清监控摄像机的公安、交警部门往往在使用后都会有这样的疑问:一是是不是所有使用的摄像机都是分辨率越高越好?二是为什么使用了1080P等高像素摄像机到了晚上效果还不如标清摄像机?三是不同大小的路口如何选型摄像机才能信价比高?

    针对上述疑问,选择数字高清摄像机时我们建议是:

    1、摄像机清晰度的选择不能单一的只看画面分辨率

    像素一个指标,因为道路交通和治安监控环境可以说是监控行业中最复杂最多变的环境,要达到对监控实战的要求,获得流畅清晰有效的监控画面,往往根据不同监控点的实际环境,需要从低照度、强光抑制、高帧数、高清晰、灰度级、码流大小等多方面综合考虑,选出最优化的摄像机,如果只从分辨率角度来选择摄像机,往往最后花了很高代价组建的系统,在实际使用过程中会出现不能达到理想要求的结果。

    一个清晰的图像除了分辨率以外,灰度级别也是很重要的指标,特别是在夜晚,由于光线的不足很多物体的色彩信息和对比度都会下降,物体之间像素点的明暗表现相差很小,如果灰度级不够的话,即使分辨很高也很难分辨,物体变成模糊的一团,如图1所示。

    图1图像灰度级

    2、选择摄像机时要充分考虑到夜间环境的照明情况。限于数字摄像机现有技术,随着摄像机像素的增高,其感光芯片的像素点密集程度也越来越高,相应其像素点需要的控制电路也在不断增多,从而可用作感光的面积必然相应减少,其结果就是摄像机的低照度和强光抑制效果与画面像素分辨率必然成反比例发展,像素越高夜晚的效果相应的越差,在选择摄像机时要充分考虑到夜晚的照明情况。如图2所示二张图片是在相同环境条件下使用1080P和720P的对比情况。

    图2相同环境条件下使用1080P和720P的对比情况

    3、根据路口的大小选择最优的摄像机分辨率。依据不同的应用需求,在城市治安和道路交通监控中一个机动车号牌横向范围能够集中40-50个像素点就能通过肉眼在图像中轻松的识别出车牌号码,如果一个车牌范围横向能够集中80-100个像素点就能使电子车牌识别系统轻易的自动识别出车牌号,根据以上不同应用来计算选型最优的摄像机分辨率:

    按通过肉眼识别横向40-50个像素标准,标准车牌44CM长度计算:

    每米需要达到的像素点是40/44*100=91像素/米;

    720P可监控的路口宽度为1280/91=14米,按标准车道3.5米宽计算720P极限大致可以监控4个车道;

    1080P可监控的路口宽度为1920/91=21米,按标准车道3.5米宽计算1080P极限大致可以监控6个车道;

    按电子车牌识别系统横向80-100个像素标准要求计算:

    每米需要达到的像素点是80/44*100=182像素/米;

    720P可监控的路口宽度为1280/182=7米,按标准车道3.5米宽计算720P极限大致可以监控2个车道;

    1

    080P可监控的路口宽度为1920/182=10.5米,按标准车道3.5米宽计算1080P极限大致可以监控3个车道;

    图3是720P高清宽动态低照度监控四车道夜间效果,图4是1080P高清宽动态低照度监控六车道夜间效果。

    图3720P高清宽动态低照度监控四车道夜间效果

      图41080P高清宽动态低照度监控六车道夜间效果

    2.2道路强光抑制宽动态摄像机选型

    在治安面监控和道路交通监控应用中涉及到夜间对过往车辆远光灯强光抑制看清车牌的实战需求,这就需要摄像机具备强光抑制的技术,而强光抑制宽动态技术有两个重要的技术指标需要关注,即动态范围和宽动态起始值。

    其中宽动态范围是指摄像机能够识别的最亮区域到最暗区域的范围,以"dB"表示,数值越高适应的光线反差范围越广,相应强光抑制的效果越好。

    宽动态起始值是指能够开启宽动态的最低照度值,由于强光抑制基本使用在夜间环境,所以宽动态起始值越低,在相对较暗的夜间时监控效果就越好。

    目前适合道路夜间使用的宽动态摄像机需要宽动态范围达到120dB以及星光级的宽动态起始值,如此能很好适应夜晚车牌强光抑制的需求。图5、6为在城市道路监控中有路灯照明条件下宽动态强光抑制高清摄像机和普通宽动态高清摄像机夜间效果对比。

    图5有路灯照明宽动态强光抑制高清摄像机夜间效果

    图6有路灯照明普通宽动态高清摄像机夜间效果

      图7、8为在高速公路监控中无照明条件下宽动态强光抑制高清摄像机和普通宽动态高清摄像机夜间效果对比。

    图7无路灯照明高速公路宽动态强光抑制高清摄像机夜间效果

    图8无路灯照明高速公路无强光抑制功能高清摄像机夜间效果

    2.3社会治安监控其他超低照度环境下的摄像机如何选型

    在城市治安监控应用中,监控点的环境相对都比较复杂,除了道路监控以外还有许多在公共场所、人行小道、河湖岸边的监控需求,这些监控点往往都有以下特点:一是光线环境较差,有的在公园或湖岸边的监控点到了晚上甚至肉眼都很难看清;二是监控的范围相对都比较小,不会有大路口那种需要同时监控十几米甚至几十米宽度的范围;三是主要是看的人员活动,没有车灯等强逆光环境。

    针对上述监控点的需求我们的建议是:

    1、这种环境中主要考虑的是低照度的效果,通常在路灯昏暗的道路、公园树林或湖河岸边光线的照度值都小于0.1lux,这些地点推荐选型彩色照度在0.05LUX,F1.2黑白照度在0.008LUX,F1.2以下的摄像机产品。

    2、由于这类监控点可被拍摄到的监控范围一般都比较小,在摄像机清晰度的选型上可以选择更容易实现低照的标清网络摄像机,一样能看清人脸,有的地方可以选用大尺寸感光芯片的模拟摄像机。

    3、强光抑制宽动态会影响到超低照度的表现,在这类地点的摄像机不需考虑强光抑制宽动态的功能,选择专门的低照度摄像机更合适。

    目前先进的低照度摄像机推荐采用最新的高感光背照式CMOS和高降噪能力的摄像机,如此可以实现在夜晚无补光环境下的清晰监控且画面无拖影,效果如图9所示。

    图9以往模拟低照度摄像机和高感光背照式超低摄像机夜间效果对比

    在模拟摄像机时代实现好的低照度监控,是感光芯片(CCD)的尺寸越大越好;在使用CMOS芯片网络摄像机主要看图像处理芯片增强能力、降噪技术以及图像算法,不是单纯的尺寸越大越好,如Axis推出"觅光者"技术超低照度网络摄像机,就可以很好地实现低照度情况下的视频监控效果。

    2.4自动调焦技术的重要性及应用

    治安监控和道路监控摄像机在户外长时间使用过程中,由于重型车辆的驶过以及风雨天气等因素的影响,经常会产生振动和摇晃,时间久了以后,摄像机容易失焦,为后期使用和维护带来很大的困扰,摄像机具备保持稳定清晰焦距的能力就显得非常重要。

    另外摄像机自身是否具有后端自动调焦功能也很重要,有该功能的摄像机,即使产生虚焦的现象也能很快很方便的在后端自动完成对焦,对实际使用时非常有用。

    2.5可变码流压缩方式技术在高清监控系统中的应用

    在高清数字监控系统中,存储设备建设投入通常是非常大的,一个优秀稳定的压缩算法可以在不降低画面质量的情况下实现更小的存储容量,从而可以大大节省总投资成本,同时一个好的压缩算法占用的网络流量也较低,相应整个网络的系统稳定性可以大大提高。特别是选择支持真正的VBR(可变码流压缩控制),可以在相同环境下,在存储图像时,相同画质、相同帧率、相同存储周期下,所占用存储空间较小。

    另外好的压缩技术可以获得更低的网络延时,网络摄像机在局域网环境下、在H.264编码格式下网络延时要选择小于200ms;若公网传输时,网络延时会加大一些,可选择带有快球矢量定位PTZ控制方式,鼠标点到图像哪里,可直接将快球转向定位到哪里。

    图10网络延时小于200ms、矢量定位PTZ控制

    2.6扩展性和先进性选型

    网络视频监控的两个最大趋势是高清和智能分析,而两个趋势走在一起就会变成基于高清网络摄像机的前端智能分析。目前部分厂家将网络摄像机芯片的富裕资源用于智能分析,可选择具有此功能的摄像机,如具有视频检测功能的越线检测、人数统计、轨迹跟踪、车牌识别等,基于摄像机前端分析时效更高、更及时,只需将智能分析的统计结果反馈给服务器;另外,用户可以先安装网络摄像机,并可根据后期的具体需求选型合适的智能分析模块上传到前端摄像机,选择更灵活,成本更低;相比平台智能分析,大大降低网络带宽的占用、分析服务器的占用等。如下图11所示为通过智能视频检测技术判断直行车辆通过右转车道直行的交通违法行为。

    图11智能视频检测技术判断交通违法行为

    一般,用户往往都希望使用技术最好最先进的产品,但是监控技术发展如此迅速,平均18个月就有新一代的摄像机诞生,新技术不断推出,如何能保证使用的产品在一段时期内保持技术的先进性呢?

    针对该需求我们的建议是选择具有固件自动网上升级能力的产品,因为摄像机感光芯片的技术创新相对监控行业其他技术发展相对较慢,通常可以保持较长一段时间。更新最快,最多的主要是图像处理算法、智能分析和编码技术等,而这些都是可以通过网上升级固件来实现的。

    2.7稳定性选择

    道路交通和社会治安面监控用摄像机都安装在室外且分布广泛,摄像机长时间使用的稳定性尤其重要,一般摄像机的稳定性可以用以下这些指标来分析:

    1、适应温度能力:摄像机在室外使用,温差范围大,特别是在夏天阳光直射下温度很高,摄像机适应温度直接决定了稳定性,如何选型适应能力强的最佳摄像机,需要从多个指标综合来考虑:

    标称值:国内品牌适应温度大部分产品为-20度至60度之间,进口品牌适应温度大部分为-20度至50度之间,国外品牌考虑冗余多一些。

    发热量:发热量取决于芯片的功耗,采用低功耗芯片的摄像机发热量相对较少,在炎热天气时能保持较低的工作温度,以确保稳定的工作。

    散热方式:目前应用于道路交通监控的摄像机产品主要有散热片散热和风扇散热两种方式,在室外使用的摄像机因为环境复杂,灰尘较多,建议选择低功耗芯片+散热片的形式可保证长期使用的稳定性。

    2、平均无故障小时MTBF指标,一般需要在100000小时以上。

    2.8兼容性技术选型

    在使用的监控系统中往往涉及到大队、支队、分局、市局等多级互联问题,且普遍存在着新老系统、高清/标清、不同品牌、不同管理平台的互联和图像调用问题,针对以上问题,监控设备生产厂商共同推出了ONVIF的通用标准,只要能基于该标准的产品不管是不同品牌的摄像机还是不同平台管理系统都可实现互联互通。ONVIF,全称OpenNetworkVideoInterfaceForum,即开放性网络视频接口论坛,由Axis、Bosch和Sony三家企业联合推出,是全球影响力最大的网络视频监控行业标准组织,其目的是以公开、开放的原则共同制定开放性网络视频监控行业标准。2008年11月,该组织正式发布了ONVIF第一版规范--ONVIF核心规范1.0。这一标准将为网络视频设备之间的信息交换定义通用协议(诸如装置搜寻、实时视频、音频、元数据和控制信息)。目前ONVIF组织的成员占据市场72%的份额。

    3、结束语:

    根据以上介绍可以看出,无论道路交通监控使用还是社会治安监控使用的高清摄像机由于使用环境的复杂性和多样性,摄像机的选型不能简单的从某一两个指标来选择,必须考虑到不同应用环境的具体情况,选择具有针对性功能优的专业监控摄像机。

    同时由于目前大多数厂家产品技术参数,大多标的都是理想环境下的测试值,因此在实战应用中,仅做参考。初次选用高清摄像机产品时建议选择具有典型需求的地点先做对比测试,然后选择实测效果较好的高清摄像机产品。

    作者简介

    马庆:公安部交通管理科学研究所工程中心秘书处主任

    蒋洪涛:博士,安讯士网络通讯公司中国区总裁

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    (1、公安部交通管理科学研究所,无锡,2141512、安讯士网络通讯公司,上海,200001)

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