高速公路视频监控技术研究

朱凤杰

(河北交投沿海高速公路有限公司，河北 秦皇岛 066000)

1 引言

近年来，随着社会经济水平的提高，高速公路通行车辆也越来越多，交通问题日益严峻[1]。高速公路监控系统有助于人们防范事故，判断事故责任[2-3]。最近几年，研究高速公路监控系统的学者越来越多，出现了一系列的新技术和算法，而高速公路监控系统在防范交通危险，提高交通运输能力上大有裨益[4-5]。本文深入剖析目前高速公路典型监控摄像机的种类与特点，并结合目前京秦高速公路的监控系统现状，研究和探讨现今高速公路监控系统问题。

2 外场视频监控摄像机的种类与特点

2.1 按产品外形、性能分类

按高速公路监控摄像机外形及性能分，有枪形摄像机、球形摄像机、高速球摄像机等，目前高速公路外场监控系统多采用枪形摄像机，球形摄像机、高速球摄像机多用于收费站广场监控和室内监控等领域。像素数、分辨率、最低照度、信噪比是枪形摄像机的几个重要指标。

2.2 按成像效果进行分类

“标清摄像机”是目前我国高速公路全程监控系统前端设备的主要构成方式，其最大图像分辨率可达到D1(704×576）标准。信号传输采用视频光端机，后端设备包括视频分配器、视频矩阵、硬盘录像机和监视器等。

“高清摄像机”是我国目前高速公路监控系统前端设备构成的主要发展趋势。高清摄像机图像不仅分辨率高，而且分辨率动态可变。因此，它采用以太网接口直接输出数字图像。高清摄像机在高速公路上的应用是一个完全IP 数字高清视频监控系统，采用分布存储集中管理方案，主要特点为全数字、全IP 寻址、分布式存储架构、两可变图像监控，是真正的全数字系统。

2.3 按成像色彩进行分类

在闭路监控系统发展的初期，由于成本和技术条件等的限制，大部分都使用的是黑白摄像机，而且主要应用都是在一些相对重要和敏感的重要部门和区域。随着生活水平的提高和社会环境的复杂性变化，各种监控系统在日常生活中成为人们安全防护的重要手段。同时，作为安全防范技术最前沿的视频监控系统获得了快速的发展。加上彩色成像技术的成熟，大规模集成电路技术的发展，彩色摄像机的成本已经降到比原来的黑白摄像机成本还低，所以彩色摄像机从20世纪90年代开始就随着视频监控市场的迅猛发展而迅速发展，并成为监控系统前端的首要设备。

3 监控摄像机聚焦性能与有效监控范围的研究

3.1 监控摄像机有效监控范围的研究

监控范围是监控摄像机的一个重要参数。合适的监控范围能大大提高视频监控的效果，提高视频监控的效率，如图1所示，摄像机的有效监控范围与如下几个参数相关。

式中，R 为观测范围，m；H 为摄像机高度，m；θ 为摄像机视轴俯角，(°）；ω 为摄像机全视场角，(°）；d 为靶面高度，mm；f 为摄像机镜头焦距，mm；L 为观测距离，m。

3.1.1 视场角

摄像机镜头视场角越大，其监控范围越广。目前，市场上有广角镜头、标准镜头、长焦镜头、变焦镜头等多种镜头，就是依据监控范围的需求而采取的多种设计形式。

3.1.2 焦距

除了摄像机监控范围，画面细节清晰程度也是人们关注的一个重要问题。目前，高速公路一般采用变倍、变焦摄像机，以达到在满足监控范围要求的前提下，通过适当调整摄像机焦距来获取更多的监控细节。

在镜头规格一定的情况下，镜头的焦距越长，其视场角就越小；在镜头焦距一定的情况下，镜头规格越大，其视场角也越大。

镜头焦距的理论计算公式(4）如下：式中，U 为景物实际高度；D 为镜头至景物实测距离；u 为图像高度。

3.2 京秦高速公路监控现状分析

目前，京秦高速公路全线按平均2 km 的间距设置1 对摄像机(云台式摄像机和固定式摄像机），全线外场沿线共设置226 台摄像机。固定式摄像机完成近距离全景监控，云台摄像机除一般时候担任上述功能外，在交通事故发生等特殊情况下完成细节性监控。

3.2.1 固定式监控

固定式监控选用COMPUTAR H6Z0812AMS 型镜头，如图2所示。

已知京秦高速公路监控摄像机安装高度为13 m，则监控范围R 如表1所示。

表1 固定式摄像机监控情况表

如表1所示，在摄像机监控过程中，当焦距拉到最短，视场角范围最大时，随着视轴俯角的增大，观测范围逐步变大，当视轴俯角达到67°时，观测范围达到1 047 m，对于1 km 的监控范围要求来说，该角度是视轴俯角较为理想的选择，但随着视轴俯角的增大，观测距离有所增加，即监控摄像机附近的监控盲区有所增加。

3.2.2 云台式监控

如图3所示，云台监控是一种比较灵活的监控模式，在日常监控情况下，可将焦距拉到最短，完成宏观状态的监控，在特殊情况下，可以通过调整焦距大小，进行细节性的监控与观测。

表2数据显示，在一般情况下，目前京秦高速公路视频监控系统基本能满足监控需求。但这适用于一般的监视情况，在进行系统的升级改造时，以下几个因素应该重点考虑：

表2 云台式摄像机监控情况表

1）当系统后端接入视频交通事件检测系统时，应结合视频事件检测系统的实际检测范围进行综合考虑；

2）考虑恶劣气象对监控效果的影响；

3）考虑道路线形、道路遮挡对监控效果的影响。

4 道路环境与监控范围影响的研究

4.1 大雾环境中提高摄像机监控范围技术的研究

4.1.1 大雾环境中视频监控技术的研究

面对大雾等恶劣气象，严重影响大变倍镜头观察能力的情况，采用一种“透雾”技术，能较好地解决该问题。该技术可以自动修正物体光线的纵向色差，保证物体光的RGB 信号不偏差，再利用单色(黑白）图像表达空间的能量，使透雾能力超过能见度的数倍以上。

图4为在山东胜利油田的监控实验，大雾发生时，在一般监控模式中，远区域海面几乎完全不可见，当“透雾”模式开启后，能比较容易发现远方海面的胜利油田。

4.1.2 低照度对监控范围影响的研究

如何提高夜晚低照度下的监控效果是监控领域的瓶颈技术之一。目前，普遍采用的办法是采用主动红外技术与被动红外技术，如图5所示，被动红外摄像机技术是利用任何物质在绝对零度(-273 ℃）以上都有红外线辐射，物的温度越高，辐射出的红外线越多的原理。利用此原理制成的红外摄像机最典型的就是红外热像仪，但是，这种特殊的红外摄像机造价昂贵，因此，仅限于军事或特殊场合使用。而主动红外摄像技术，是采用红外灯辐射“照明”(主要是红外光线），应用红外摄像机，感受周围景物和环境反射回来的红外光实现夜视监控。

目前，国内有部分高速公路路段给彩色黑白摄像机安装红外补光照明灯，如图6所示。红外线在可见光的条件下会干扰摄像机的清晰度和色彩还原，彩色摄像机的滤光片可以很好地阻止红外线。

目前，市场广泛使用的红外光源有LED 红外灯、微阵列LED 红外灯、卤素滤光型红外灯等。但这几种红外灯都存在一定局限性，不适用于1 km 以上的远距离夜视监控。本文拟采用近红外大功率半导体激光光源照明，采用半导体激光二极管LD，其波长为808 nm，功率根据所需距离有1～10 W 等，能较好地满足高速公路夜间监控，如图7所示。

4.2 高速公路监控设施优化布设技术的研究

4.2.1 视频监控摄像机的安装高度与安装方式

视频监控摄像机的安装高度和安装方式直接关系到视频监控的范围和监控效果，也直接关系到监控图像的稳定性。目前，高速公路安装高度视情况分为10 m、12 m、15 m 等多种情况，安装高度为12 m 和15 m 的情况最为常见。

实验证明，12～15 m 是较为理想的安装高度，能基本保证对所需监控范围的监控要求，当高度过高时，在大风等恶劣气象时会带来监控摄像机的晃动，不利于监控图像的稳定输出。

目前，高速公路路侧监控摄像机的安装以路侧安装为主，但也存在隔离带中间安装和其他的安装方式，不过中间安装的方式一般以车流量等参数指标检测为主，监控视域范围有限。

当高速公路需要跨越江河、沟壑时，此时监控摄像机一般不具备路侧安装的条件，一般采用直接安装在桥梁混凝土防护栏上面或其他地方。

通过国内外广泛调研和大量的实践表明，路侧安装是一种比较值得推荐的摄像机安装方式，能基本满足道路管理部门对道路的监控需求，也有利于监控摄像机的后期维护及改造。

4.2.2 监控摄像机布设位置的考虑与选择

监控摄像机布设位置是高速公路监控系统设计和实施中一个重要的考虑因素，考虑到监控摄像机本身能达到的监控范围、道路曲线影响、道路横纵坡影响、树木高山遮挡物影响、道路标志等交通设施遮挡影响等，在进行监控摄像机布设时要经过详细的研究与考虑。

1）等间距布设

等间距布设是在全程监控系统中用的较多的一种方式，一般用于遮挡少的平原高速公路。目前，京秦高速公路全程监控系统就是使用的等间距布设方式。这种布设方式一般全路段都使用统一型号的摄像机，由于道路曲线、道路横纵坡、树木高山遮挡物等影响较小，一般不对这些因素做过多考虑。

2）优化布设方式

山区、丘陵地带一般不宜采用简单的等距离布设方式，由于影响视距的因素较多，采用上述方式容易造成如下两种后果：(1）视域严重遮挡，达不到理想的监控效果；(2）监控区域严重重叠，造成大量监控资源浪费。基于以上种种因素，一般可考虑采用优化的布设方式。

3）影响监控视域的相关因素

一是平曲线对监控视域的影响。如图8所示，平曲线处摄像机宜安装于平曲线外侧，这样能减少遮挡影响，扩大监控视域范围。

二是纵坡对监控视域的影响。如图9所示，纵坡路段摄像机宜布设于纵坡上半部分或坡顶，这样能减少遮挡影响、增大监控范围并有利于摄像机的操控。

三是交通安全设施对监控视域的影响等。在进行交通标志等安全设施和道路摄像机布设时，应进行综合考虑，防止对其对监控范围的大面积遮挡，造成大区域监控盲区。

5 结语

京秦高速公路视频监控系统的智能化是一项比较大的系统工程，受到人力、物力、资金、技术等多方面的限制。本文结合京秦高速公路视频监控系统的现状，本着切实可行和可持续发展的原则，探讨了摄像机的选型、摄像机在雾天、低照度等恶劣环境条件下的应用等瓶颈问题。