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安防知識：監(jiān)控系統(tǒng)前端高速球技術(shù)及原理？

       智能交通是上世紀(jì)末提出的新概念，現(xiàn)在正以極快的速度形成新的產(chǎn)業(yè)，展示了極大的市場。它涉及多種學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)是如何獲取高速行駛車輛的清晰圖像，包括車型、顏色、車牌、行駛速度，特別是夜間如何獲取這些圖像和參數(shù)。
一、問題的提出

      從原理上講，一切運(yùn)動物體特別是高速運(yùn)動物體的成像，都必須用高速攝影或高速攝像，前者用膠片記錄，后者用錄像帶、硬盤等光電磁介質(zhì)記錄。通過所記錄的動態(tài)圖像判讀運(yùn)動物體的運(yùn)動參量，如速度、加速度(或減速度)，旋轉(zhuǎn)角速度，攻角等?；鸺?、導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和參數(shù)是這樣測量，行駛車輛的速度、車型和車牌成像也同樣需要這樣測量，即首先將行駛車輛“凍結(jié)”成清晰的圖像，然后再藉此判讀車輛速度。我國交通電視監(jiān)控方面的資深專家有一段精辟的論述[1.gif>：、識別車輛顏色，尤其是在夜間復(fù)雜照明環(huán)境中，各種路燈光源在車輛表面產(chǎn)生的不同反射，相似顏色在高速移動中的抓拍等等因素使得技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難重重，到目前為止，尚未見到國際上出現(xiàn)商品化的產(chǎn)品.

      可以用一句總結(jié)性的話來說，普通攝像要完全應(yīng)對智能交通所面臨的諸多技術(shù)需求是困難的。主要的技術(shù)限制是：一是解決不了精確同步問題(在高速攝像研究中大約要花1／3到1／2的時(shí)間和精力來解決同步問題)；二是解決不了高速問題，也就是說車速高到一定程度，圖像(主要是車牌圖像)就拍不清晰，特別是夜間拍不清晰。對于100km／h以上的車速，白天光照條件好時(shí)，或許可以獲得車輛圖像，可天微亮，傍晚，夜間，普通攝像是難以獲得清晰圖像的，更不用說是彩色圖像了。三是高速條件下的彩色復(fù)現(xiàn)，識別。四是視頻智能觸發(fā)作為智能交通領(lǐng)域?qū)淼囊粋€發(fā)展方向，用普通攝像技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來困難重重，誤觸發(fā)率高.

      總的說來，普通攝像技術(shù)應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域具有攝像頻率低，“凍結(jié)”能力不夠的技術(shù)困難，而且是無法用其它技術(shù)措施來補(bǔ)救的，因?yàn)楸粶y對象是有一定速度的行駛車輛，速度越高，這種技術(shù)不足越明顯。為了克服以上瓶頸技術(shù)，又為了用視頻檢測技術(shù)來解決交通信息采集問題(專家認(rèn)為[1.gif>：現(xiàn)代應(yīng)用的各類交通信息檢測方式中，與環(huán)形線圈、壓力、趨聲波、微波、紅外、激光等手段相比，能夠取得最豐富內(nèi)容信息的莫過于視頻檢測)。智能交通領(lǐng)域應(yīng)引進(jìn)高速攝像技術(shù)。當(dāng)然目前國外的高速攝像系統(tǒng)由于價(jià)格昂貴(美國生產(chǎn)的1000幀／秒高速攝像系統(tǒng)售價(jià)10萬美元)，還不能為我國交通部門所接受。那么出路有沒有呢?

二、高速攝影與高速攝像

      高速攝影在信息論中是這樣定義的對于一個人眼無法跟隨的高速流逝過程，高速攝影提供了一種耦合的時(shí)空信息系列，其中空間信息用圖像來表達(dá)，時(shí)間信息用拍攝頻率來表達(dá)。上世紀(jì)八十年代中期以前，世界上以各種速度運(yùn)動的目標(biāo)， 如果人們想“看清”目標(biāo)的圖像，獲得運(yùn)動的參數(shù)，最有效的技術(shù)手段是用高速攝影機(jī)來加以記錄。世界各國發(fā)展的各種各類高速攝影機(jī)解決了當(dāng)時(shí)急需的測試所需，子彈、氫彈的爆炸，火箭、導(dǎo)彈等飛行丸的測量，各種軍工目標(biāo)以及工業(yè)，農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥工程，體育等各領(lǐng)域的目標(biāo)測量，推動了生產(chǎn)力的發(fā)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步，軍工研究對測量實(shí)時(shí)性要求越來越高速攝影實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)越來越顯現(xiàn)出來。美國海軍在做艦艇發(fā)射火箭的試驗(yàn)時(shí)，急于想立即看到飛行火箭的姿態(tài)，高速攝影難以滿足這一要求，因?yàn)槟z件要沖洗，要判讀，至少要幾個小時(shí)。這就是為什么第十三屆高速攝影與光子學(xué)國際會議在東京召開的時(shí)候，各國科學(xué)家共同發(fā)展“高速攝像”作為學(xué)科發(fā)展的新方向之一的原因。

“高速攝像”與“高速攝影”，一字之差，但硬件和性能上有很多差異，首先是記錄的介質(zhì)不問。高速攝像，由于采用錄像帶、硬盤和其他光磁裝置作為記錄介質(zhì)，提高了實(shí)時(shí)性，可做到即拍即回放。浙江大學(xué)高速攝像研究室在做槍彈發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，在槍彈出槍口的同時(shí)，屏幕上即顯示槍彈的飛行姿態(tài)(三個像)，飛行速度、加速度也同時(shí)顯示在畫面的適當(dāng)位置。高速攝像與高速攝影的異同點(diǎn)詳見表一.

目前，能生產(chǎn)高速攝像機(jī)的大都是發(fā)達(dá)閩家，如美國，日本、英國、德國，法國。典型產(chǎn)品如美國柯達(dá)公司生產(chǎn)的SP-2000，拍攝頻率每秒2000幀，每幀的曝光時(shí)間為拍攝頻率的倒數(shù)，即最短為500μs。SP-2000的售價(jià)為30萬美元，簡易型為10萬美元。其價(jià)格和性能決定了它難以在智能交通中被采用.
智能交通中采用高速攝像的必要性

1、圖像凍結(jié)的需要
 監(jiān)控高速球技術(shù)及原理？
  交通監(jiān)控中的圖像清晰度與下列因素有關(guān)：鏡頭成像清晰度，CCD象素，圖像采集卡的性能，計(jì)算機(jī)性能與相關(guān)軟件，以及曝光時(shí)間內(nèi)目標(biāo)和圖像的移動距離，在高速車輛的監(jiān)控中，后者將對圖像清晰度起到?jīng)Q定性的作用。下—組數(shù)據(jù)可幫助理解動態(tài)目標(biāo)圖像清晰度的問題。在曝光時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)在移動，圖像也相應(yīng)在移動。要使動態(tài)圖像清晰。必須保證在曝光時(shí)間內(nèi)圖像移動距離盡量小，或控制在允許范圍內(nèi)。對于速度為100km／的車輛來講，每秒鐘差不多行駛28米，如果快門時(shí)間為1／1000秒，則在曝光時(shí)間內(nèi)，車輛移動28mm，圖像移動2.1m(設(shè)光學(xué)縮小，比例為13倍)。如果快門時(shí)間為1／2000秒，則圖像移動了1mm左右，清晰度才有所保證。這時(shí)帶來的問題是晴天條件下，一天中也有相當(dāng)長時(shí)間曝光不足。更不要說陰天或雨天了.

當(dāng)然，夜間更會成為問題，如果用連續(xù)光來照明，一年的電費(fèi)會是一個驚人的數(shù)字，無論從能源節(jié)省和用戶角度看，都是不可接受的.

如果車輛速度提高到200km/h，即使用1／2000秒的快門速度，圖像移動距離即達(dá)到2mm，清晰度就難以保證了。從這些數(shù)據(jù)可以得出結(jié)淪為了得到高速車輛的清晰圖像，必須采用高速攝像的技術(shù)，提高拍攝頻率，拍攝一幀圖像的時(shí)間，即快門時(shí)間越短越好，必須做到微秒量級.

2、高速同步的需要

高速攝像中，同步是一個極重要的工作。觸發(fā)傳感器檢測到有車，什么時(shí)刻去拍，這就需要同步，需要精確的時(shí)間同步，否則，圖像抓拍不到或者不清晰。以200km／h的車速為例，用不同的攝像頻率的高速攝像機(jī)，其一幀時(shí)間內(nèi)車輛移動的距離見表二.

CCD攝像機(jī)的同步時(shí)間少則—幀的時(shí)間，多則幾幀的時(shí)間，對于普通攝像技術(shù)，一幀時(shí)間車輛已移動2.24m，2幀時(shí)間就移動4m多，待到要拍時(shí)，車輛已出了清晰區(qū)，因?yàn)槿魏午R頭的景深都是有限的。夜間為了表達(dá)車輛的車型，顏色以及清晰的車牌圖像和顏色，往往需要拍攝二幀以上的圖像，除了需要高的攝像頻渺小還需要高的同步精度，否則拍完—幀，拍另外幾幀時(shí)，車輛已經(jīng)出了視場.

3、智能視頻觸發(fā)的需要

智能視頻觸發(fā)被很多專家評為今后的發(fā)展方向，比起線圈觸發(fā)，有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如觸發(fā)精度高，施工簡單，工程量少，使用壽命長，不破壞路面，不會引起日后的路面開裂。但有個條件就是要用高速攝像來實(shí)現(xiàn)，如果用普通(25幀每秒)，就會出現(xiàn)同步精度低，誤觸發(fā)率高，或正待要拍時(shí)，目標(biāo)已跑出視場這樣一些情況.

目前，國內(nèi)不少廠家用普通攝像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能視頻觸發(fā)，給用戶的感覺是“誤觸發(fā)率高，不可靠”。其真正的內(nèi)在原因像頻率不夠高，同步精度低造成的.

在國內(nèi)外的許多文獻(xiàn)中，凡論述動態(tài)目標(biāo)的攝像，就會有“捕獲”的字眼。與“捕獲”直接相關(guān)的是“同步”，只有同步精度高了，才會有高的“捕獲率”。這就是為什么要用高速攝像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)“智能視頻觸發(fā)”的原因.

4、圖像壓縮。處理。存儲和傳輸?shù)男枰?/p>

智能交通中，除了獲取行駛車輛的動態(tài)圖像外，還需要將圖像進(jìn)行壓縮、處理、存儲和實(shí)時(shí)傳輸，都需要以盡可能快的速度完成上述步驟，攝像頻率高，“凍結(jié)”能力強(qiáng)，有利于整個抓拍過程時(shí)間的縮短，也有利于系統(tǒng)對車隊(duì)的拍攝，對高速公路中同一車道上相距一定距離的數(shù)輛高速車輛的抓拍，否則，這都將成為一句空話.