攝像機(jī)在高速公路視頻監(jiān)控中的參數(shù)選擇

這樣，當(dāng)前所用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距f為：

y=43/C                                     (2)

高速公路監(jiān)控?cái)z像機(jī)一般沿公路布設(shè)，監(jiān)視范圍要求覆蓋全部車道,一般要求的視場(chǎng)角在47°(35mm相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)視角)左右。當(dāng)視角確定后，就可以選擇CCD的尺寸，目前市場(chǎng)上的CCD尺寸規(guī)格如表1所列，此處以1/4英寸CCD為例，寬3.2mmX高2.4mm,對(duì)角線為4mm,,通過(guò)上述換算關(guān)系可得出，選用1/4英寸CCD時(shí)，選擇的鏡頭焦距為4mm就可以達(dá)到監(jiān)控視角的要求。如果選擇其他尺寸的CCD,則鏡頭焦距的計(jì)算方法同上所述。

當(dāng)然,也可以依照拍攝視角的要求來(lái)選擇鏡頭焦距,鏡頭視角是指鏡頭中心點(diǎn)到成像平面對(duì)角線兩端所形成的夾角。對(duì)于鏡頭來(lái)說(shuō)，視角主要是指它可以實(shí)現(xiàn)的拍攝范圍，當(dāng)焦距變短時(shí),視角就變大了，可以拍出更寬的范圍,但這樣會(huì)影響較遠(yuǎn)拍攝對(duì)象的清晰度。當(dāng)焦距變長(zhǎng)時(shí)，視角就變小了，這樣可以使較遠(yuǎn)的物體變得清晰，但是能夠拍攝的寬度范圍就變窄To對(duì)于相同的成像面積，鏡頭焦距越短，其視角就越大，鏡頭視角α和焦距f的關(guān)系如下式所示：

                                                       α=2arctan(d/2f)                                     (3)

因此，在圖1所示的鏡頭視角與焦距的關(guān)系圖中，如所要求的拍攝視角為30。，選用的感光器件仍然是1/4英寸CCD,于是根據(jù)上述公式可得出鏡頭焦距為5.9mm,應(yīng)選用6mm焦距。

攝像機(jī)鏡頭焦距必須根據(jù)所選用的CCD尺寸和所需要的拍攝視角兩個(gè)因素來(lái)綜合選擇。事實(shí)上，選取合適的焦距，對(duì)于攝像機(jī)達(dá)到監(jiān)控效果至關(guān)重要。

1.2  定焦與變焦鏡頭的選擇

在遇到交通事故或其他特殊情況而需要對(duì)小范圍進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控時(shí),攝像機(jī)就必須選用變焦鏡頭，這時(shí)就需要對(duì)變焦鏡頭的變焦倍數(shù)進(jìn)行選擇。這里仍然以1/4英寸CCD,鏡頭焦距為4mm的攝像機(jī)為例，假設(shè)在此攝像機(jī)的監(jiān)控范圍內(nèi)900m處發(fā)生了交通事故，需要對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)20平方米范圍進(jìn)行監(jiān)視，則根據(jù)公式：

f=hL/H                                     (4)

式中3為CCD高度；H為物體高度；L為物體與CCD的距離。

這樣，就可得出鏡頭焦距f=144mm,因此，該攝像機(jī)的變焦倍數(shù)應(yīng)選擇36倍，才能達(dá)到對(duì)特殊情況的清晰監(jiān)視。通常變焦鏡頭攝像機(jī)在高速公路收費(fèi)站應(yīng)用較多，因?yàn)橐獙?duì)多個(gè)收費(fèi)車道進(jìn)行監(jiān)控，并能拍攝到車輛牌照等細(xì)節(jié)信息，所以，此處的變焦鏡頭攝像機(jī)就有了更大的用武之地。

1.3  分辨率的確定

監(jiān)控?cái)z像機(jī)的分辨率就相當(dāng)于人眼的視力，關(guān)系到攝像機(jī)能識(shí)別多遠(yuǎn)距離、多大的物體，因此它是攝像機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。分辨率有水平分辨率和垂直分辨率，這兩個(gè)參數(shù)是CCD的固有屬性，當(dāng)CCD選定之后，這兩個(gè)參數(shù)也就確定了。因此，可以根據(jù)要求的攝像距離和識(shí)別物體大小來(lái)選定所需的分辨率，進(jìn)而確定應(yīng)該選擇的CCD。

分辨率可以用像素點(diǎn)來(lái)衡量，像素點(diǎn)的長(zhǎng)寬比通常為1：1,水平分辨率是指將處在同一水平線上的所有掃描點(diǎn)(像素)沿水平方向連接起來(lái)，構(gòu)成許多水平掃描線，水平掃描線的數(shù)量就是水平分辨率；同理將處在同一垂線上的所有掃描點(diǎn)，沿垂直方向連接起來(lái)構(gòu)成的垂直掃描線的個(gè)數(shù)就是垂直分辨率。

先進(jìn)行水平分辨率的計(jì)算。高速公路監(jiān)控?cái)z像機(jī)的監(jiān)視半徑為L(zhǎng),此處設(shè)定1000m,鏡頭焦距為4mm,監(jiān)視物體為轎車且恰好可以識(shí)別，即轎車所成的像寬剛好為一個(gè)像素點(diǎn)，(若轎車可被識(shí)別，則同樣距離遠(yuǎn)的大型車輛必然能被清晰識(shí)別)，轎車寬度約為2m,圖2所示是一個(gè)最小成像示意圖，利用相似三角形原理可得：

L/f=W/w                                     (5)

式中：L為攝像機(jī)與物體的距離；W為物體實(shí)測(cè)寬度；w為像素點(diǎn)尺寸。

于是,代入數(shù)值可得w=0.008mm,再通過(guò)下面公式：

水平分辨率=h/w                                     (6)

式中h為CCD高度。就可計(jì)算出水平分辨率了。本計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮噪聲的影響，實(shí)際上，物體的最小像寬通常應(yīng)該大于1個(gè)像素點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)假設(shè)為1.5個(gè)像素點(diǎn)，于是可得出水平分辨率為640,由CCD的寬高比為4/3可以很容易得到垂直分辨率為480,因此，所選用的CCD分辨率必須達(dá)到640X480。換言之,CCD的分辨率必須在這個(gè)數(shù)值以上才能保證達(dá)到1000m左右的攝像范圍,并且對(duì)范圍內(nèi)行駛車輛清晰識(shí)別。

1.4  攝像機(jī)光圈的選擇

光圈通常設(shè)置在鏡頭以內(nèi)，它的大小決定著通過(guò)鏡頭進(jìn)入感光元件光線的多少。光圈大小可用F值表示,完整的光圈值系列如Fl.0/F1.4/F2.0/F2.8/F4.0/F5.6/F8.0/F11/F16/F22/F32/F44/F64。光圈值越小,通光孔徑越大，同一單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)光量便越多，而且上一級(jí)的進(jìn)光量剛好是下一級(jí)的兩倍,如F2.0的進(jìn)光量是F2.8的兩倍。

光圈大小直接影響景深(即攝取有限距離的景物時(shí)，可在像面上構(gòu)成清晰影像的物距范圍)，道路用監(jiān)控?cái)z像機(jī)宜采用小光圈大景深，一般選擇F1.4左右可以彰顯全范圍景物。同時(shí)，高速公路監(jiān)控?cái)z像機(jī)必須有光圈自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，以便于攝像機(jī)能根據(jù)環(huán)境光照自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈大小，以達(dá)到最好的成像效果。

綜上所述，一臺(tái)攝像機(jī)能否達(dá)到良好的監(jiān)控效果主要依靠三個(gè)參數(shù)共同作用。其中觀測(cè)距離和視角確定了鏡頭的焦距，在選取合適的焦距后再根據(jù)觀察物體的尺寸確定所需要的分辨率，進(jìn)而確定CCD的尺寸;對(duì)于監(jiān)控?cái)z像機(jī)來(lái)說(shuō)，光圈的自動(dòng)調(diào)整關(guān)系到成像的景深和清晰度，因此，在選定了焦距和CCD之后，還必須選擇合適的光圈值，才能確保攝像機(jī)性能的良好發(fā)揮。

2  高速公路監(jiān)控?cái)z像機(jī)性能要點(diǎn)

了解了攝像機(jī)的主要參數(shù),就可以依據(jù)性能要求選配符合工程需求的攝像機(jī)。高速公路監(jiān)控?cái)z像機(jī)應(yīng)具備4個(gè)主要性能。

2.1  高清晰度

清晰度是衡量監(jiān)控?cái)z像機(jī)及監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，清晰度是指影像上各細(xì)部影紋及其邊界的清晰程度，單位為電視線。清晰度跟分辨率、傳輸帶寬以及顯示器的像素都有關(guān)。在高速公路監(jiān)控中，攝像機(jī)要能對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)行駛車輛清晰成像,如果達(dá)不到這個(gè)基本要求，那么道路監(jiān)控將失去意義。

2.2  強(qiáng)光抑制功能

在高速公路的收費(fèi)站車道、廣場(chǎng)等特定地點(diǎn)，必須清楚拍攝到車牌以及車輛細(xì)節(jié)。尤其是在夜晚環(huán)境下,在車燈的強(qiáng)光照射下，普通的攝像機(jī)是不能拍攝到車牌及車身的，而在圖像上看到的只是非常明亮的光暈。然而增加了“強(qiáng)光抑制”功能的攝像機(jī)卻可以在這種環(huán)境下仍然清楚的拍攝到車牌，而且畫(huà)面真實(shí)完整，因此，在這些特定地點(diǎn)需要選用具備強(qiáng)光抑制功能的攝像機(jī)，以在夜間達(dá)到良好的拍攝效果。

2.3自動(dòng)電子快門

攝像機(jī)靠電子快門來(lái)控制圖像曝光，在高速公路上，車輛行駛的速度非?？?，因此所選用的攝像機(jī)一定要求電子快門的范圍更大，最好能達(dá)到1/lOOOOs以上，只有這樣才能清晰拍攝快速行駛的車輛。然而，當(dāng)電子快門速度增加時(shí)，曝光時(shí)間將減少，聚焦在CCD上的光就會(huì)減少，將降低攝像機(jī)的靈敏度，所以較快的電子快門在夜晚是不適合的。一般情況下，需要攝像機(jī)根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱自動(dòng)控制電子快門，因此，在選擇高速公路監(jiān)控?cái)z像機(jī)時(shí)，必須要注意攝像機(jī)的電子快門指標(biāo)。

2.4  靈敏度

攝像機(jī)的靈敏度也稱為最低照度，是指CCD正常成像時(shí)所需要的最暗光線。照度的單位是勒克斯(lux),數(shù)值越小，表示需要的光線越少，攝像機(jī)靈敏度越高。高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中的攝像機(jī)大都安裝在戶外，需要24小時(shí)監(jiān)控，當(dāng)夜晚光線很暗時(shí)，通常要求攝像機(jī)的最低照度能達(dá)到0.001lux以下。

另外，攝像機(jī)的其他性能，如信噪比、白平衡、色彩還原性能等指標(biāo)在交通監(jiān)控領(lǐng)域沒(méi)有特殊要求，只要符合正常范圍要求即可。

3  結(jié)語(yǔ)

利用高速公路視頻全程監(jiān)控系統(tǒng)可以顯著提高高速公路的服務(wù)水平和監(jiān)管力度，監(jiān)控?cái)z像機(jī)的性能指標(biāo)必須依照工程設(shè)計(jì)目標(biāo)嚴(yán)格選取,這對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)能否達(dá)到監(jiān)視效果具有決定性的作用。另外，攝像機(jī)除了具備優(yōu)良的性能外，故障率低、運(yùn)行可靠等性能,對(duì)于監(jiān)控?cái)z像機(jī)的選用更為重要。道路監(jiān)控?cái)z像機(jī)大都安裝在5?20m高的立柱上，安裝和拆卸都需要專用工具車或危險(xiǎn)的高空作業(yè)，如果攝像機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)故障，勢(shì)必給施工和維護(hù)帶來(lái)很大成本，并影響正常使用。因此在選用攝像機(jī)時(shí)，一定要根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用市場(chǎng)知名度高、使用量大、用戶口碑好的產(chǎn)品。