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安防知識：監控系統前端高速球技術及原理？

       智能交通是上世紀末提出的新概念，現在正以極快的速度形成新的產業，展示了極大的市場。它涉及多種學科，其關鍵技術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。
一、問題的提出

      從原理上講，一切運動物體特別是高速運動物體的成像，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、硬盤等光電磁介質記錄。通過所記錄的動態圖像判讀運動物體的運動參量，如速度、加速度(或減速度)，旋轉角速度，攻角等。火箭、導彈的飛行姿態和參數是這樣測量，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”成清晰的圖像，然后再藉此判讀車輛速度。我國交通電視監控方面的資深專家有一段精辟的論述[1.gif>：、識別車輛顏色，尤其是在夜間復雜照明環境中，各種路燈光源在車輛表面產生的不同反射，相似顏色在高速移動中的抓拍等等因素使得技術實現困難重重，到目前為止，尚未見到國際上出現商品化的產品.

      可以用一句總結性的話來說，普通攝像要完全應對智能交通所面臨的諸多技術需求是困難的。主要的技術限制是：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，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現，識別。四是視頻智能觸發作為智能交通領域將來的一個發展方向，用普通攝像技術實現起來困難重重，誤觸發率高.

      總的說來，普通攝像技術應用于智能交通領域具有攝像頻率低，“凍結”能力不夠的技術困難，而且是無法用其它技術措施來補救的，因為被測對象是有一定速度的行駛車輛，速度越高，這種技術不足越明顯。為了克服以上瓶頸技術，又為了用視頻檢測技術來解決交通信息采集問題(專家認為[1.gif>：現代應用的各類交通信息檢測方式中，與環形線圈、壓力、趨聲波、微波、紅外、激光等手段相比，能夠取得最豐富內容信息的莫過于視頻檢測)。智能交通領域應引進高速攝像技術。當然目前國外的高速攝像系統由于價格昂貴(美國生產的1000幀／秒高速攝像系統售價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空信息系列，其中空間信息用圖像來表達，時間信息用拍攝頻率來表達。上世紀八十年代中期以前，世界上以各種速度運動的目標， 如果人們想“看清”目標的圖像，獲得運動的參數，最有效的技術手段是用高速攝影機來加以記錄。世界各國發展的各種各類高速攝影機解決了當時急需的測試所需，子彈、氫彈的爆炸，火箭、導彈等飛行丸的測量，各種軍工目標以及工業，農業、生物醫藥工程，體育等各領域的目標測量，推動了生產力的發展。隨著技術的進步，軍工研究對測量實時性要求越來越高速攝影實時性差的缺點越來越顯現出來。美國海軍在做艦艇發射火箭的試驗時，急于想立即看到飛行火箭的姿態，高速攝影難以滿足這一要求，因為膠件要沖洗，要判讀，至少要幾個小時。這就是為什么第十三屆高速攝影與光子學國際會議在東京召開的時候，各國科學家共同發展“高速攝像”作為學科發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，提高了實時性，可做到即拍即回放。浙江大學高速攝像研究室在做槍彈發射試驗時，在槍彈出槍口的同時，屏幕上即顯示槍彈的飛行姿態(三個像)，飛行速度、加速度也同時顯示在畫面的適當位置。高速攝像與高速攝影的異同點詳見表一.

目前，能生產高速攝像機的大都是發達閩家，如美國，日本、英國、德國，法國。典型產品如美國柯達公司生產的SP-2000，拍攝頻率每秒2000幀，每幀的曝光時間為拍攝頻率的倒數，即最短為500μs。SP-2000的售價為30萬美元，簡易型為10萬美元。其價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、圖像凍結的需要
 監控高速球技術及原理？
  交通監控中的圖像清晰度與下列因素有關：鏡頭成像清晰度，CCD象素，圖像采集卡的性能，計算機性能與相關軟件，以及曝光時間內目標和圖像的移動距離，在高速車輛的監控中，后者將對圖像清晰度起到決定性的作用。下—組數據可幫助理解動態目標圖像清晰度的問題。在曝光時間內，目標在移動，圖像也相應在移動。要使動態圖像清晰。必須保證在曝光時間內圖像移動距離盡量小，或控制在允許范圍內。對于速度為100km／的車輛來講，每秒鐘差不多行駛28米，如果快門時間為1／1000秒，則在曝光時間內，車輛移動28mm，圖像移動2.1m(設光學縮小，比例為13倍)。如果快門時間為1／2000秒，則圖像移動了1mm左右，清晰度才有所保證。這時帶來的問題是晴天條件下，一天中也有相當長時間曝光不足。更不要說陰天或雨天了.

當然，夜間更會成為問題，如果用連續光來照明，一年的電費會是一個驚人的數字，無論從能源節省和用戶角度看，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，圖像移動距離即達到2mm，清晰度就難以保證了。從這些數據可以得出結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，提高拍攝頻率，拍攝一幀圖像的時間，即快門時間越短越好，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。觸發傳感器檢測到有車，什么時刻去拍，這就需要同步，需要精確的時間同步，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，其一幀時間內車輛移動的距離見表二.

CCD攝像機的同步時間少則—幀的時間，多則幾幀的時間，對于普通攝像技術，一幀時間車輛已移動2.24m，2幀時間就移動4m多，待到要拍時，車輛已出了清晰區，因為任何鏡頭的景深都是有限的。夜間為了表達車輛的車型，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，車輛已經出了視場.

3、智能視頻觸發的需要

智能視頻觸發被很多專家評為今后的發展方向，比起線圈觸發，有許多獨特的優點，如觸發精度高，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現，如果用普通(25幀每秒)，就會出現同步精度低，誤觸發率高，或正待要拍時，目標已跑出視場這樣一些情況.

目前，國內不少廠家用普通攝像技術來實現智能視頻觸發，給用戶的感覺是“誤觸發率高，不可靠”。其真正的內在原因像頻率不夠高，同步精度低造成的.

在國內外的許多文獻中，凡論述動態目標的攝像，就會有“捕獲”的字眼。與“捕獲”直接相關的是“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來實現“智能視頻觸發”的原因.

4、圖像壓縮。處理。存儲和傳輸的需要

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