02-道路监控摄像机的发展及其在智能交通领域中的应用-桑达敖卓森-08111321

深圳桑达电子设备有限公司道路监控摄像机的发展及其在国内智能交通领域中的应用作者（Author）：敖卓森（深圳桑达电子设备有限公司，深圳518031）摘要（Abstract）：道路监控摄像机作为一种视频图像信号的采集设备，专门用于监视交通道路上运动中的车辆、驾驶员、行人及标志物等目标对象，要求全天候不间断运行，并能够实时、清晰地捕获到目标对象的特征信息（如号牌、颜色、脸型、轮廓、形状、运行状态等）。伴随着国内智能交通产业的发展，道路监控摄像机在交通领域的应用进一步深入，并继续发挥着重大的作用。关键词（Keywords）：道路监控摄像机智能交通发展应用1.引言随着全球经济的高速发展，道路建设规模不断加大，机动车和驾驶员不断增长，传统的交通管理方式将无法满足日益增长的交通需求，在此前提下，大力推广和发展智能交通系统(ITS，IntelligentTransportationSystem)，将有效提高城市交通管理水平，提高交通管理人员的工作效率。从20世纪60年代开始，欧美和日本等发达国家便开始了智能交通系统的研究和应用，我国从上世纪90年代初开始逐步在一些大中城市推广和使用智能交通系统，经过20年左右的发展，系统建设已经初具规模，并已取得良好的社会效益。在智能交通系统中，对于交通道路上的目标对象的相关特征信息进行采集、传输和汇总是最重要的一个环节，只有采集到足够多的信息，才能为系统的分析决策、预案生成、自动控制等智能化处理手段提供真实、有效的数据基础。在总多的信息来源中，视频图像是最直观有效的信息，就像人类的视觉系统一样。为了在各种复杂的道路环境下看的更清晰、更准确，这就需要有良好的“眼睛”，道路监控摄像机就是这样一种专业化的“眼睛”，其重要性不言而喻，“眼睛”性能的优劣将直接影响到整个系统的使用效果。本文将对道路监控摄像机的发展及其在国内智能交通领域中的应用情况进行一些浅析探讨，以飨读者。疏落之处，敬请指出。第1页共21页深圳桑达电子设备有限公司2.道路监控摄像机发展现状及趋势2.1道路监控摄像机简介道路监控摄像机作为一种视频图像信号的采集设备，专门用于监视交通道路上运动中的车辆、驾驶员、行人及标志物等目标对象，要求全天候不间断运行，并能够实时、清晰地捕获到目标对象的特征信息（如号牌、颜色、脸型、轮廓、形状等）。由于使用环境比较复杂、恶劣、不可预测，道路监控摄像机的设计、生产和制造必须符合工业化标准。伴随着国内智能交通产业的发展，道路监控摄像机在交通领域的应用进一步深入，并继续发挥着重大的作用。为了在各种复杂的道路环境下有效使用，使得采集的视频图像质量更清晰、更准确，对于道路监控摄像机的性能要求越来越高，产品形态也更加专业化和系列化。近年来，根据各种不同应用需求相继推出了高清摄像机、红外摄像机、自动跟踪摄像机、网络摄像机、强光抑制摄像机、宽动态摄像机等技术含量较高的新产品。道路监控摄像机在智能交通系统中的主要作用是用来采集视频图像信号，并通过传输线路将图像信号传输到信号采集主机进行图像存储和分析处理。主要应用归纳为如下几点：1.路况监视前端摄像机将所监控区域的实时图像通过传输线路传回交通指挥中心，交通指挥人员实时掌握各路口和路段的交通状况，例如:路段人车流量、信号灯状态、机动车违法情况和交通事故情况。这些信息能帮助交通管理部门及时采取合适的处理方式和处理预案，并通过由广播电视媒体和前方交通诱导显示屏及时发布信息，告知路面驾驶员和行人，进行有效的交通疏导。2.实时录像传输到交通指挥中心的视频图像会自动保存到录像服务器上，作为处理交通事故、机动车违法行为、治安犯罪等各种突发事件的取证依据。3.信息采集根据特定的监视要求，专门采集交通道路上运动中的车辆、驾驶员、行人及标志物等目标对象的特征信息（如号牌、颜色、脸型、轮廓、形状、运行状态等），第2页共21页深圳桑达电子设备有限公司提供给控制软件或设备进行分析处理，按照设定算法输出分析决策方案和处理预案，并能自动控制整个系统进行联动处理。在能够有效获得实时、清晰的图像信息基础上，衍生了诸多基于视频图像的智能化电子设备和控制系统，例如：电子警察、道路卡口、视频检测、号牌识别、人脸识别、自动布控等等。经上述介绍，大家对道路监控摄像机的应用已经比较清楚，下面以一个视频监控系统的简单架构，对其应用作简单介绍:(1)摄像部分（高速球形摄像机、枪式摄像机）(2)传输部分（光端机、线路）(3)控制部分（矩阵、键盘、智能化软件）(4)存储部分（硬盘录像机、视频服务器）(5)显示部分（监视器、大屏幕）(6)辅助设备（箱体、支杆等）系统控制流程见图1：图12.2国内外道路监控摄像机发展及现状2.2.1摄像机发展历史国内外的摄像机主要采用CCD和CMOS作为成像传感器，由于CCD的发展比较迅速一些，已有成型的摄像机产品也比较多，当前用于道路监控的主流摄像机大部分都是采用CCD传感器作为摄像机的核心部件，也有部分高清摄像机采用CMOS传感器，这也代表了未来的一种发展方向。下面分别对这两种传感器的发展历史作一些简介：第3页共21页深圳桑达电子设备有限公司1.CCD的发展简介由于CCD的生产工艺复杂，因此至今为止，世界上只有索尼、富士、柯达、飞利浦、松下和夏普等几个厂商可以批量生产，而其中最主要的供商是索尼。索尼是最早从事CCD制造的厂商，从70年代就开始研发CCD了，它从开始生产CCD至今累积计算，生产量已超越了１亿片以上，以50%的市场占有率成为CCD市场领导厂商。所以，下面着重介绍一下索尼的CCD技术发展历程。1969年，美国的贝尔电话研究所发明了CCD，它是一个将“光”的信息转换成“电”的信息的魔术师，就是运用大规模的集成电路技术，将几十万个甚至几百万个以上元件完美无缺地生产在一个集成块上。日本索尼公司独具慧眼，从70年代初期开始着手从美国引进晶体管，并且成立专门研发团队进行研究，克服重重困难，在80年代初期终于造出了世界上第一个CCD彩色摄像机。从开始着手CCD的研究，直到生产出第一台8毫米CCD摄像机，已经经历了15年的岁月了，这一种执著和眼光不是所有的公司都能够做到的。以下是索尼公司进入80年代后，在CCD传感器技术方面的发展简介：(1)HAD（HOLE-ACCUMULATIONDIODE）感测器（80年代初期）拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图像。(2)ON-CHIPMICROLENS（80年代后期）使CCD感亮度大幅提升。(3)SUPERHADCCD（90年代中期）使索尼CCD在感觉性能方面得到了进一步的提升。目前用于道路监控的1/4英寸、1/3英寸CCD摄像机主要采用此CCD技术。(4)NEWSTRUCTURECCD（1998年）在摄影机光学镜头的光圈F值不断的提升下，使CCD的感光度不受到限制。(5)EXVIEWHADCCD（1999年）在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。目前用于道路监控的1/2英寸CCD摄像机主要采用此CCD技术。(6)四色滤光技术（2003年7月）全新的四色滤光标准则被称为RGBE，相对RGB而言，RGBE模块设计将整体提升现有CCD产品的性能表现。第4页共21页深圳桑达电子设备有限公司2.CMOS的发展简介随着CCD器件的广泛应用，其一些缺点逐渐显露出来。为此，人们又开发了另外几种固态图像传感器，其中最有发展潜力的是采用标准CMOS制造工艺制造的CMOS图像传感器。实际上早在70年代初，国外就已经开发出CMOS图像传感器，但成像质量不如CCD，因而一直无法与之相抗衡。90年代初期，随着超大规模集成技术的飞速发展，CMOS图像传感器可在单芯片内集成A/D转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储等功能，大大减小了系统复杂性，降低了成本，因而显示出强劲的发展势头。此外，它还具有低功耗、单电源、低工作电压(3V～5V)、成品率高，可对局部像元随机访问等突出优点。因此，CMOS图像传感器重新成为研究、开发的热点，发展极其迅猛，目前已占据低、中分辨领域。现在，CMOS图像传感器的一些参数性能指标已达到或超过CCD。正是由于技术原理上的优势，从而使得CMOS日益广泛的与高清摄像机相结合。就目前市场来看，能够掌握CMOS技术的厂商除了索尼之外，也仅仅只有佳能。相比只下，索尼推出的“晶锐ClearVidCMOS传感器”更是领先一筹，而且，目前采用CMOS的高清摄像机中，索尼的产品也占据了绝对主导地位。这无疑再一次验证了索尼在行业内的领先优势。总的来说CMOS图像传感器主要朝着高分辨率(4096×4096)、高动态范围（120dB）、高灵敏度、超微型化、低功耗、数字化、多功能化、高度集成化的方向发展。国内厂家产品的技术水平与国外发达国家相比差距较大，因此加大大规模集成电路工艺的研发力度，优化CMOS图像传感器的电路设计，缩短与发达国家的差距刻不容缓。2.2.2国内外使用现状目前用于道路监控方面的摄像机种类繁多，普通视频型主要以1/4英寸、1/3英寸和1/2英寸CCD摄像机为主，主要生产制造商有索尼、三星、JVC、池野、池上、松下、博世、三洋、贝克尔等国际品牌，以及Futer、Infinova、亚安等国内品牌。不管是国际品牌或国内品牌，大部分道路监控摄像机的核心部件--CCD传感器都是采用SONY机芯，也有小部分采用富士机芯的。一些大中城市道路监控系统选用的摄像机都是以国外知名品牌为主，摄像机的品质较高、色彩真实、第5页共21页深圳桑达电子设备有限公司可靠性强，质量比较有保证，但是价格相对较高。国内品牌的摄像机质量参差不齐，由于部分厂商出于商业利益的驱动，往往在选材和工艺上都把关不严，质量不是很可靠，一般只能用于室内监控、小区安防等小型监控系统。近两年来，市面上陆续推出百万像素以上的高清网络摄像机，核心技术主要以美国、德国的机芯居多，国内基本也是引进进行一定技术改进，主要用于电子警察、道路卡口以及远程网络视频会议等方面。目前国内主要有北京同业兴创、上海锐势科技、深圳实创电子、深圳傲灵通等公司在代理产品，并提供相关技术服务。这一类型产品现在还有一些不足之处，但是代表未来的发展方向，相信今年开始基本会大量推向市场，逐步取代现有的普通型摄像机。笔者所在的公司作为国内专业的智能交通系统产品制造商和集成商，近十年来一直专注于智能化道路检测产品的研发和制造，有着丰富的应用和实施经验。经过多年来的实际应用和性能比较，选定了Futer和Infinova这两个国内品牌作为道路摄像机的主要合作伙伴，在所承担的大部分的智能交通项目中基本采用了这两个品牌，相比诸多国外品牌，能在保证较高性能和质量的前提下，具有更好的性价比，售后服务有着更好的保障。其中，经多年的摸索，委托Futer公司设计和生产了一款型号为SED-208H的专业化道路监控摄像机，采用先进的1/2英寸SONYExViewHADCCD，水平分辨率达到540线，最低照度可达0.001Lux/F1.2/50IRE/AGCON，信噪比大于52Db，具有强光抑制、背光补偿等功能。利用该款专业摄像机作为电子警察、道路卡口等智能化道路监测系统的视频图像采集设备，能够在低照度的环境下稳定工作，无论白天或者夜间，都能拍摄出清晰的车牌牌照、信号灯状态等特征信息，拍摄的图片样板可见3.2节的详细介绍。2.3道路监控摄像机分类近年来，由于应用需求越来越多，用户群体越来越广泛，生产厂商和品牌不断涌现，各种各样的道路监控摄像机层出不穷。为了更好地给大家提供一个分析比较依据，下面将目前市面上主要的道路监控摄像机作一个分类划分：第6页共21页深圳桑达电子设备有限公司2.3.1按成像色彩归类(1)彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。(2)黑白摄像机：适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用黑白摄像机。(3)彩转黑摄像机：具有彩色和黑白自动转换功能，在白天光线较强时采用彩色模式，一旦在夜间光线不足时自动转为黑白模式。(4)红外摄像机：在白天光线较强时采用彩色模式，一旦在夜间光线不足时自动发出“红外光”进行补