快速列车车辆视频图像采集系统

曾惠明

（南宁铁路局 科学技术研究所，广西 南宁 530029）

快速列车车辆视频图像采集系统

曾惠明

（南宁铁路局 科学技术研究所，广西 南宁 530029）

针对铁路货运快速化和专用化的发展趋势，对快速列车车辆视频图像采集系统进行研究，确定采集系统需满足的基本条件，形成采集方案。该方案可对快速运行中的动车组列车进行图像采集，通过图像可清晰辨别出车身上的最小字符标识；提出消除镜像光斑的方法，使夜间补光拍摄能够获得良好的图像效果。

快速列车；动车组；快速摄像机；图像采集；视频监控；镜像光斑

0 引言

快速化和专用化是当今世界铁路货运的发展趋势，其中以欧洲发展最为迅速。欧美一些发达国家先后研制出多种形式的、能满足120～160 km/h速度运行的快速货车。法国研制成功的快速货车最高试验速度达到了281.8 km/h，创造了货车运行速度的世界纪录。根据《铁路主要技术政策》及铁路有关技术发展规划，我国铁路货车最高运行速度将提高到160 km/h。铁路要全面增加运能和提高运输效率，提高货物列车运行速度是必然趋势。

目前南宁铁路局货车速度为80 km/h，高铁开通及客货分线后有望提速到120 km/h。2012年，已针对分界口车辆视频监控进行研究，成功研制了一套可对速度低于100 km/h的列车进行监控的视频监控系统，为货运与公安部门及时发现货车被盗以及案件的快速侦破提供了有效手段。但如果货车速度提高至160 km/h，现有系统就无法满足获得清晰车辆图像的需求。

2013年底，南宁铁路局开通高铁，动车组列车运营速度达200 km/h以上，为快速列车车辆图像采集的相关研究提供了试验条件。通过理论研究，并在柳南客运专线K196+006—K196+250上行线旁（距离南宁东站18.7 km）实施现场试验（见图1），形成快速列车车辆视频图像采集方案，为铁路快速货车视频监控提供技术支持。

图1 试验现场设备安装情况

1 系统框架

快速列车车辆视频图像采集系统（简称系统）由检测触发单元、集中控制器、视频图像采集单元、图像处理单元、图像存储单元、图像显示分析单元、补光单元、供电单元等组成（见图2）。

图2 系统框架

系统的工作流程为：检测触发单元检测到列车接近，将来车信号通过信号线传输到集中控制器，集中控制器控制视频图像采集单元开始视频图像采集，图像处理单元对采集到的视频图像进行处理后，由图像存储单元进行存储，图像显示分析单元可实时显示通过车辆的图像，也可读取已存储的视频图像，并对其进行分析。集中控制器可根据设定的条件控制图像采集及补光单元的工作。供电单元为整个系统提供电源[1]。

2 图像采集处理设备选型

为研究在高速（160 km/h）状态下获得足以辨识车辆基本要素的视频图像，选择运行速度200 km/h的动车组列车作为研究对象。能否采集到车辆侧面清晰图像信息，摄像机和相应的图像处理系统至关重要。首先，从理论上研究判定若要采集到试验速度条件下运动物体清晰的图像，需要摄像机具备基本的技术条件；其次，为了保证采集到的图像能得到及时的处理和存储，选择相匹配的图像处理存储系统。

2.1 快速摄像机

快速摄像机按照帧率的大小一般可以分为准高速、高速和超高速3种，三者没有明确的区分界限。帧率大于100 f/s的可称为高速或超高速摄像机，帧率在50～100 f/s的可称为准高速摄像机。高速、超高速摄像机一般应用在弹道分析、机械运转动作分析等特殊高速领域，普通硬盘无法满足读写要求，需要专业电子硬盘进行存储视频图像，而且价格昂贵。本项目对帧率在100 f/s以下的准高速摄像机及普通摄像机进行对比研究，根据研究结果选用低成本摄像机获取快速运动物体的清晰视频图像[2]。

2.1.1 摄像机分辨率的选择

分辨率是度量位图图像内数据量多少的参数，通常表示为每英寸像素（ppi）或每英寸点（dpi）。分辨率越大表示包含的数据内容越多，图形文件的长度就越大，表现的细节就越丰富。可以通过式（1）简单计算出所需摄像机传感器分辨率的垂直像素数：

式中：FOV（Field of View）为视场，即摄像机可以采集到的被检测区域。

从公安部门的需求考虑，若要获得较好的图像视觉效果，车厢拍摄范围一般为3～5 m，当FOV分别取值3 000 mm、4 000 mm、5 000 mm，最小特征值按10 mm（动车组列车车身上的最小标识字符约为20 mm，取其一半）计算时，通过计算可得摄像机传感器分辨率的垂直像素数，从而得到其对应的分辨率（见表1）。

表1 传感器分辨率对比

由此可知，当视场为3 m时，摄像机最低分辨率为800×600；视场为4 m时，摄像机最低分辨率为1 024×768；视场为5 m时，摄像机最低分辨率为1 280×960。

根据以往经验，为便于监控人员既能看清细节又能减少工作强度，摄像机的视场大小以5 m为佳，而且分辨率越高，图像元素越多，图像层次越分明，越容易辨别图像细节。根据上述计算及分析，现场试验的摄像机分辨率设定为不低于1 280×960为佳。

2.1.2 摄像机帧率的选择

帧率是用于测量显示帧数的量度，测量单位为每秒显示帧数。帧数关系到列车同一部位出现在图像中的次数，表2列出了列车运行速度为200 km/h、视场为5 000 mm时使用不同帧率摄像机进行视频图像采集的对比情况。其中，帧间位移是指在相邻帧时间内运动物体所移动的距离；视场帧数是指固定视场场景在物体运动过程中被摄像机拍摄到完整画面的数量。

表2 不同帧率进行视频图像采集对比

从表2可以看出，25 f/s的摄像机只能拍摄到列车同一部位2张完整的固定视场场景画面，对于高速运动的物体来说，固定视场场景获得的画面数量少，不利于对细小特征的判别。特别是如果视场缩小为4 m或3 m时，25 f/s的摄像机只能拍摄到列车同一部位1张完整的固定视场场景画面或者出现漏拍现象，更加不利于判别。而50 f/s的摄像机能拍摄到4张，可以容纳更多的场景细节，有利于判别细小特征；100 f/s的摄像机能获得更多的固定视场场景画面，场景细节信息更加丰富，更加利于细小特征的判别。价格方面，25 f/s的摄像机已经普遍应用在视频监控行业，技术成熟，技术难度小，价格低；50 f/s的摄像机主要应用在一些特殊领域，应用范围不广，价格稍高；100 f/s的摄像机应用领域更窄，一般是用于弹道分析、机械运转等高速研究，价格昂贵。经过计算与比较，50 f/s的摄像机满足图像采集需求，适合应用于本项目。

2.1.3 快门速度的选择

拍摄运动物体时，需要克服的首要问题是拖影。拖影是在曝光时由于拍摄目标与摄像系统之间存在相对运动而产生的现象。因为这种相对运动导致芯片上形成的图像一直在变化，各个部位的像元在曝光的过程中受到来自物体不同位置成像的影响，最终形成的图片是一个连续变化图像空间内图片的叠加。只要拍摄对象是运动的，就一定会产生拖影。由于采集图像时需要清晰拍摄到车体关键部位的细节信息，因此要求拖影长度尽可能短。

运动速度和快门速度（即曝光时间）是直接影响拖影的2个因素。为保证图像中的拖影不超过S个单位像素，需要做到如下等价说法：

（1）芯片上光学像在曝光时间内移动的位置不超过S个单位像素；

（2）物体与成像系统之间在曝光时间内相对移动（垂直于光轴平面内）距离不超过S个单位的系统精度。

总结起来，就是需要满足式（2）的要求：

式中：Vp为物体运动速度；Ts为曝光时间；S为允许最长拖影的单位像素数。

曝光位移视场比的计算公式为：

当最大速度为200 km/h、视场大小为5 m，摄像机分辨率设定为1 280×960，在不同曝光时间情况下，计算得出的数据见表3。

表3 不同曝光时间的计算结果

动车组车身上最小标识字符大小约为20 mm，从表3可知，最接近或小于这一数值的是曝光时间为1/2 000 s和1/4 000 s情况下的曝光位移值，且这两种情况下的曝光位移视场比均达到了千分级别。在分辨率1 280×960情况下的单位像素为3.91 mm/像素，相当于最小标识字符大小为5个单位像素，则为了保证拖影不影响图像的识别，式（2）中的S不得大于5 mm/像素。在曝光时间1/2 000 s情况下，曝光位移为27.8 mm，约等于7个单位像素，比动车组车身上的最小标识字符大2个单位像素，不满足式（2）的要求。当曝光时间为1/4 000 s时，曝光位移为13.9 mm，约等于4个单位像素，比动车组车身上的最小标识字符小，满足式（2）要求。

本项目的主要研究目的是当货车车速达到160 km/h情况下，通过对列车视频图像的查看，辨别列车的铅封、门锁、门把等关键部位是否完好。根据铁总运［2014］150号文件通知，动车组车号6个数字的总宽度为395 mm，除去字间距，这6个数字平均宽度约为60 mm，与列车铅封、门锁、门把等关键部位相近；而动车组车身上的英文标识Second Class Coach的总宽度为410 mm，除去字间距，这些单个英文标识的平均宽度约为22 mm，比列车关键部位小，所以在车速达到160 km/h的情况下，只要拍摄得到的图像能够分辨得出动车组车身上的这些标识或者动车组车号，那么可以推论：对于同速运行的货车，其关键部位的特征也是能够看清楚的[3]。

试验中，将摄像机曝光时间设定为1/4 000 s时，对在线路上正常运行的动车组（车速大于160 km/h），拍摄得到的视频截图及局部放大见图3。视频截图能够清楚分辨出动车组车号；对视频截图局部放大后，可以清晰辨别出动车组车身上的英文标识Second Class Coach。可见，将曝光时间设定为1/4 000 s是合适的。

图3 视频截图及局部放大图

2.2 摄像机选型

从上述分析可知，当列车运行速度为200 km/h、视场大小为5 m情况下，要获得能够清晰辨认车辆关键部位细节信息的车辆图像，所使用的摄像机要满足一些基本条件（见表4）。

2.3 图像处理存储系统

帧率50 f/s摄像机在单位时间内比常用的帧率25 f/s摄像机要多记录1倍的视频数据，对系统处理数据、记录数据的速度也会要求高一些。经试验比较，目前常用的图像处理技术可以对帧率50 f/s摄像机拍摄得到的视频图像进行处理，使用普通的硬盘录像机可以满足视频图像的处理及存储要求，不需要采用特殊的图像处理及存储技术。

表4 摄像机需满足的基本条件

3 补光方式

由于试验对象动车组车体表面光亮，LED补光灯照射到其表面时，往往会形成镜面反射，在视频图像上就会产生镜像光斑，影响视频图像的效果。因此在安装摄像机和补光灯时就需要考虑好两者的间距大小，以避免镜像光斑出现在摄像机视场内。在摄像机正对物体拍摄时，补光灯此时与摄像机的距离应不小于一个视场大小的距离[4]。摄像机与补光灯安装位置示意见图4。夜间视频截图及局部放大见图5。

4 结束语

图4 摄像机与补光灯安装位置示意图

通过对摄像机的分辨率、帧率、快门及补光方式等方面进行研究，形成了快速列车车辆视频图像采集的技术方案，并开展现场试验，实现了对快速列车的监控检查。快速列车车辆视频图像采集系统可对经过图像采集区速度200 km/h的动车组进行视频图像采集，采集到的车辆视频图像清晰，可辨认出动车组车身上的标识字符，解决了现有系统在货车速度提高至160 km/h时无法获得清晰车辆图像的问题，为铁路快速货车视频监控提供技术支持，为货运与公安部门及时发现货车被盗以及案件的快速侦破提供有效手段。此外，通过研究找到了消除镜像光斑的方法，即便夜间补光拍摄也能获得良好的图像效果。

图5 夜间视频截图及局部放大图

[1] 石建伟. 动车组故障轨边图像自动检测系统的设计与实现[J]. 铁道车辆，2013(7)：34-38.

[2] 孔令鑫. 高速铁路高清视频监控系统解决方案[J].中国铁路，2014(1)：79-83.

[3] 铁总运［2014］150号 中国铁路总公司关于印发动车组型号、车号和座席号编号规则的通知[S].

[4] 陈大明，周合生. 夜视仪在铁路视频监控中的应用[J]. 中国铁路，2012(9)：76-79.

责任编辑 卢敏

Video & Image Acquisition System for Rapid Trains

ZENG Huiming
（Engineer of Institute of Science and Technology，Nanning Railway Administration，Nanning Guangxi 530029，China）

With acceleration and customization of railway freight transport, this paper studies the video and image acquisition system for rapid trains, presents the basic requirements on the system and provides an acquisition plan, which can be used for acquisition of images of high-speed EMU trains in operation. With the system, even the smallest characters and marks on the vehicle body can be clearly identif ed on the images. Also, the method for eliminating mirror spots is proposed: high quality images can be obtained with f ll-in light during acquisition in the night.

rapid train；EMU；speed camera；image acquisition；video surveillance；mirror spot

U298

A

1001-683X（2017）01-0086-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.01.086

2016-05-10

曾惠明（1985—），男，工程师，硕士。E-mail：309709286@qq.com