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客戶多樣化需求,監控鏡頭如何應變

來源:CPS中安網??????2017-02-24 19:20:02??????點擊:

  網絡化、高清化、智能化發展是當前視頻監控領域的主流,為了滿足不同用戶的需求,產品形態和功能更是層出不窮。與此同時,人們漸漸發現,視頻監控似乎已經不再是印象中的樣子了。誠然,經過近20年的高速發展,視頻監控已穩步邁入成熟期,如果滿足于現狀并停滯不前,這在科技行業中基本意味著滅頂之災。所以,以海康威視為代表的企業并不止步于專用行業中的發展,而是以持續創新的積極態度,結合自身積累的行業經驗和極快的響應速度推動現有行業發展,不斷發掘出潛在的用戶需求,以更多樣化的產品滲入更多行業,更好地服務于各類用戶。

  個性化需求,催生多樣性鏡頭

  作為攝像機最前端的監控鏡頭,主要作用是通過一系列特殊排布組合的鏡片,將整個監控場景中的物體發出的光線轉折并成像到傳感器上,其成像性能對最終呈現在客戶面前的畫面質量起到至關重要的作用,也是影響各類智能事件準確性的重大因素。在同一相機上更換不同規格的鏡頭,就可以非常明顯地改變監控范圍、監控距離、細節呈現能力、暗環境的畫面亮度、色彩還原性等。

  面對用戶多樣化需求,一方面,從監控系統方案提供者的角度觀察,他們除了按需調整相機方案之外,所搭配的監控鏡頭也可能要進行定制化開發。開發前必須摸透吃準用戶需求,并提煉對應的鏡頭參數指標。比較明確的是,對于絕大多數用戶而言,首要需求自然是看得越清晰越好,其他需求則是根據具體的監控場景和監控目標進行選擇,比如超大范圍監控、超遠距離監控、人車精準識別監控、特殊環境監控等等。然后通過與用戶的溝通,將主觀要求轉化為客觀的數字要求,比如水平視場角要達到多少度,分辨率要多大,監控距離多遠,需要看清什么目標等。

  另一方面,從用戶的角度進行觀察,面對安防企業推出的種類繁多、功能各異的監控方案,如何選擇監控方案呢?如何選擇監控鏡頭呢?也是用戶需要考慮的問題,下文將側重監控鏡頭,介紹一些關注度較高的需求及對應的監控方案和監控鏡頭。

  不同需求中的監控鏡頭


  1)極低照度環境監控

  在安防行業“高清化”這一發展趨勢下,感光芯片的像素數目越來越多,單位像素的感光面積必然縮小,因此獲得良好低照度效果的難度會越來越大。與此同時,市場對低照度監控的要求,如畫面亮度、細節辨識能力、銳度、通透性等不斷提高,再加上治安案件往往發生在夜間。這些無疑都為低照度監控帶來了新的挑戰和更高的要求。

  因此在低照度,尤其是極低照度,且不便安裝補光燈的環境下監控,需要借助更大光圈的鏡頭。海康威視緊盯市場需求,推出HV0733D-6MP F0.95恒定超大光圈監控鏡頭,這款產品具備在整個焦距段7-33mm保持F0.95超大光圈,解像力高達600萬像素等優秀性能。

  圖1 海康威視HV0733D-6MP鏡頭

  如圖2,普通變焦鏡頭的標稱光圈值一般指短焦端的光圈,焦距變大,光圈會變小。憑借行業領先的光學設計資源優勢,海康威視率先在安防行業應用恒定大光圈技術。恒定大光圈鏡頭,最大光圈不會隨著焦距的變大而變化,使得在全焦段使用時鏡頭都具有較大的通光量,尤其適用于低照度環境。圖3展示了在相同低照度環境下,恒定大光圈鏡頭和普通大光圈鏡頭的對比效果。在短焦端由于光圈均很大,畫面亮度和細節呈現能力相近。隨著焦距的持續變大,恒定大光圈鏡頭的低照度優勢也隨之放大,一直到長焦端,畫面亮度和細節呈現能力有了明顯的差距:恒定大光圈鏡頭在所有焦距下畫面亮度保持不變,而普通大光圈鏡頭隨著焦距的變大,畫面亮度變得越來越暗。

  圖2 恒定大光圈技術

  圖3 相同低照度環境下,恒定大光圈鏡頭和普通大光圈鏡頭的對比效果

  繼推出1/1.8”靶面的HV0733D-6MP后,針對1/2.7”靶面,海康威視在2015年推出TV2713D-5MP鏡頭,該鏡頭采用超大光圈技術(SLA),光圈值高達F0.95,位居業界領先水平。

  圖4 海康威視TV2713D-5MP鏡頭

  2)超高清大范圍監控

  2010年,視頻監控開始進入高清時代,緊接著,2014年,4K的出現標志著超高清時代的開啟。

  4K是指分辨率≥800萬像素,超高清帶來的最顯而易見的核心價值就是圖像更加清晰,應用場景更廣,在達到與1080P相同的清晰度,超高清系統的監控區域能拓寬到4~6倍。其次,由于監控范圍更廣,不再需要為了看清不同區域而架設多個監控設備,從而節約了整體監控設備成本、安裝成本及后期維護成本。

  超高清鏡頭相比于普通高清鏡頭(分辨率通常≤600萬像素),具有解像力更高的同時,由于超高清傳感器的像素尺寸變小,會導致鏡頭的圖像性能對部件的傾斜、中心偏離、尺寸偏差、溫度變化等因素變得更為敏感,即超高清鏡頭的公差要求和可靠性要求將比普通高清鏡頭更嚴苛。可靠性的保證一方面需要設計能力的不斷提升,結合當前的加工制造水準,設計出公差要求較合適的產品;另一方面,需要加工制造廠商在技術上的不斷突破和成熟,生產出精度更高的部件,以適應超高清鏡頭的發展大趨勢。

  圖5 超高清鏡頭實測效果,局部放大后圖像仍很清晰

  超高清鏡頭應用于視頻監控,將帶來“看得更清”、“看得更全”的極致高清體驗,并附帶節約監控整體成本的優勢。由此,超高清視頻監控廣泛被業界看好,目前不少國內和日系廠商都紛紛推出了超高清鏡頭產品。海康威視憑借對市場需求的精準把握和極快響應,在2014年相繼發布了兩款大靶面(1/1.8”)支持800萬像素的超高清變焦鏡頭和一款大靶面(1/1.7”) 支持1200萬像素的定焦超廣角鏡頭,目前兩款變焦鏡頭的規格參數已成為1/1.8”視頻監控的主流。


  圖6 海康威視HV1140D-8MPIR鏡頭

  圖7 海康威視HV3816D-8MPIR鏡頭

  圖8 海康威視HF3417D-12MPIR鏡頭

  3)生物特征識別

  在監控領域,主要關注對人身份的識別,包括對人臉、指紋、虹膜、掌形等排他性較高的特征的識別,其發展空間非常廣闊。隨著國家大力建設平安城市、智慧城市,其中的人臉識別近來受到越來越高的關注,相比于其他生物特征識別,有以下天然而獨特的優勢:

  1.使用方便,采用非接觸方式獲取信息,識別對象不會存在較大的心理排斥。

  2.信息直觀且不易仿冒,符合日常主要通過人臉辨別身份的習慣,活性判別能力保證識別人員必須親臨現場,他人或照片、蠟像無法仿冒,這也是相較于指紋識別的優勢。

  3.設備通用性好,無需另行添加專用設備,用戶總投資不會發生明顯增加

  在監控方案中加入人臉識別算法,將采集到的人臉圖像和存檔在樣本庫的人臉圖像進行相似度計算,就能達到辨別或新添監控人員身份的目的。相比普通治安監控,需重點關注兩點要求:

  1.人臉識別算法要求人臉在圖片中占有足夠數量的像素,否則無法識別。

  2.監控角度,如果仍然從高往下看,與人臉的正面圖相差較大,可能影響識別算法的準確度。安裝時高度可以盡量調節到與人平視的位置。

  具備上述共識后,可以著手進行理論計算,并以計算結果作為選擇鏡頭和相機靶面、分辨率的參考。舉個例子,以良好服務著稱的某高端商店明確規定,經理在VIP客戶進店后幾分鐘內應及時出現并提供服務,而經理平時都在后臺處理事務。此時,具備人臉識別功能的監控方案就非常適用,在VIP客戶到店后,可實時預警提示經理。如圖9所示,假設監控相機安裝高度為2m,與門口距離3m,算法的識別條件是人臉寬度在畫面中至少占80個像素,該商店已采購的一批相機,靶面為1/2英寸,分辨率為1920*1080,希望通過換鏡頭和升級軟件的方式滿足需求。通過計算,鏡頭焦距約為6mm,因此可推薦用戶使用6mm定焦鏡頭或覆蓋6mm的變焦鏡頭。

  圖9 人臉識別監控系統布局示例

  當然,這類應用場景還有很多,如公安、司法、海關對重點布控人員實時預警,人流多且雜的場所對嫌疑人實時預警,商店的潛在客戶分析,企業考勤等。

  4)超大場景全景監控

  對于超大場景監控,如機場,校園監控,體育館,球場,商場,風電場所等,使用普通監控方案,通常需要在不同點位架設多臺攝像機以實現全景監控,架設和維護成本相對較高。全景攝像機應運而生,其視場角可達180度或360度,從而實現無死角,無盲區監控,也適合架設多臺攝像機不便的環境,減小后期維護成本。

  全景攝像機目前分為兩類:1)以魚眼鏡頭為代表的超廣角鏡頭,2)多鏡頭多傳感器的拼接方案。魚眼鏡頭發展較早,方案較為成熟,搭配合適的成像芯片,通常能實現180度~230度的全景監控。但同時存在兩點固有劣勢:1)魚眼鏡頭一般焦距較小,這大大限制了監控的有效距離,因為其視場角超大,遠處的物體所占像素將非常少而變得難以看清;2)魚眼鏡頭畫面邊緣的圖像都發生嚴重的扭曲和失真,部分細節信息因被壓縮而丟失,即使應用畸變校正算法也不能達到很好的效果,且不太符合人眼正常的觀察習慣。

如今,面對更高清、更智能等更嚴苛的監控需求,多鏡頭拼接顯然是一個備受關注的好方案,該方案能克服魚眼鏡頭的固有劣勢,并實現高清全景監控。自然,對鏡頭的要求也不同于普通監控鏡頭,主要體現在以下方面:


  對視場角的要求較嚴格,圖像拼接是指將幾幅有重疊區域的圖像合成一幅包含各圖像信息的寬視場、完整的新圖像。通常算法要求相鄰鏡頭之間的重合區域達到15-30%,用于畸變校正和保證足夠可搜索到的特征,否則容易出現拼接不上和盲區過大等問題。比如采用2個相同鏡頭拼接180度的方案,要求重合區域20%,則單個鏡頭的視場角=180度/(2-20%)=100度。

  拼接前的畸變校正過程可以減輕兩幅畫面接縫處的錯位,保證特征點匹配的準確性,如果畸變形狀與拼接算法中畸變校正的要求相匹配,畸變校正效果可以更好。

  圖10為海康威視2015年推出的力作——“鷹眼”全景攝像機,采用八個鏡頭拼接+一個球機的設計,可同時提供全景和特寫畫面,兼顧全景和細節。

  圖10 海康威視“鷹眼”全景攝像機

  5)霧天監控

  近幾年來,霧霾席卷國內多數城市,成為一種多見的天氣。由于可見光在霧霾天的穿透力較弱,并且容易被散射,所以大部分監控畫面表現出色彩變暗淡,圖像對比度變低,圖像出現雜亂噪點,這造成提取關鍵信息困難,導致普通視頻監控系統不能正常使用。可選的透霧方案目前主要有兩種,算法透霧(或稱電子透霧)和光學透霧(或稱物理透霧)。

  算法透霧應用得比較早,是一種視頻圖像增透技術,可針對霧霾的形成模型進行圖像復原,優勢在于不需要變動任何部件,對濃度不高的霧霾的透霧效果比較明顯,監控圖像仍保持用戶習慣的彩色模式,但在較濃的霧霾天中效果可能不太明顯。

  光學透霧的依據是利用近紅外光可穿透一定程度的霧霾的特點,實現精準成像。光學透霧的關鍵在于鏡頭和濾光片,要想獲得較好的透霧效果,鏡頭的色差設計至關重要。普通監控鏡頭的可見光和近紅外光的焦點較為分離,在圖像上表現為:可見光照明下聚焦清楚,切換到只用近紅外燈照明,圖像會變模糊。而一款設計良好的透霧鏡頭采用了紅外共焦技術,將可見光和近紅外光的焦點重合,這樣可以保證透霧功能開啟前后圖像的清晰度一致。另外,透霧鏡頭的鏡片鍍膜需要增強近紅外部分的透過率,以盡可能提高透霧圖像的亮度。透霧濾光片的鍍膜性能也相當重要,開啟透霧功能將同時帶動ICR切換到透霧濾光片,可見光將無法透過濾光片到達傳感器,如果濾光片的鍍膜性能不佳,比如透過一定量的可見光,如上文所述,很可能引起圖像對比度下降等問題。另外,傳感器由于只接收到紅外光,在光學透霧圖像都為黑白顏色。

  圖11 透霧效果示例(左:未透霧,中:算法透霧,右:光學透霧)

  結束語

  隨著視頻監控進入成熟期,產品的多樣化是大勢所趨,在一次次新方案開發的機遇中,將會碰撞出更多創新的火花,必定會推動整個安防行業向更健康成熟的方向發展。

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