趙 耀

鐵路貨車裝載視頻監(jiān)視系統(tǒng)作為貨安系統(tǒng)的一部分，可自動(dòng)收集貨物裝載狀態(tài)的視頻和圖像，可為各級(jí)貨運(yùn)管理部門和作業(yè)部門提供清晰、直觀的貨車裝載信息。目前鐵路貨車裝載視頻監(jiān)視系統(tǒng)有面陣高清和線陣高清2種方式。

面陣高清適用于交接作業(yè)點(diǎn)、貨場等需要連續(xù)場景記錄的場合，線陣高清則適用于貨檢站等對(duì)運(yùn)動(dòng)列車進(jìn)行記錄。與面陣高清相比，線陣高清可以提供更高分辨率的細(xì)部圖像，滿足遠(yuǎn)程對(duì)貨車裝載加固狀態(tài)、篷布、門窗蓋閥的觀察需求。

為此，分析線陣高清技術(shù)的原理，研究關(guān)鍵技術(shù)，以滿足鐵路貨車裝載對(duì)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的要求。

1 線陣高清技術(shù)

1．1 電荷耦合器件 （CCD）

電荷耦合器件 （CCD）是數(shù)字相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的重要組成部分，通過驅(qū)動(dòng)電路控制，可以實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)、模擬和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變。按照應(yīng)用方式，可分為面陣CCD和線陣CCD 2種。

面陣CCD可以直接獲取二維圖像，常規(guī)的數(shù)字相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)通常采用面陣CCD作為感光元件。由于面陣CCD的像素總數(shù)大，單幅圖像采集所需的時(shí)間較長，在現(xiàn)有技術(shù)水平下面陣CCD單列像素?cái)?shù)量小，輸出圖像的畫幅也會(huì)受到制約。

線陣CCD保留少量寬度方向的像素，單列的像素?cái)?shù)量很高，單次拍攝只能獲取條形圖像，可以認(rèn)為它直接獲取的是一維圖像。由于單塊線型CCD的像素總數(shù)較少，這種CCD圖像采集的速度快，輸出圖像的總像素可以大于面陣CCD。

1．2 技術(shù)原理

線陣高清技術(shù)是采用線陣CCD作為感光元件獲取數(shù)字圖片的高清拍攝技術(shù)。由于線陣CCD只能直接獲取一維圖像，為了獲取二維數(shù)字圖片，被拍攝對(duì)象與線陣相機(jī)之間必須存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)相機(jī)采集圖像的頻率進(jìn)行適當(dāng)控制并進(jìn)行后臺(tái)圖像處理，該過程類似于掃描，也稱為掃描成像技術(shù)。線陣高清技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 線陣高清技術(shù)原理

線陣相機(jī)拍攝的寬度非常小，即圖1中示意的單次拍攝范圍，相機(jī)以時(shí)間間隔dT進(jìn)行拍攝，即相機(jī)的采集頻率f＝1／dT。在T1時(shí)刻，線陣相機(jī)拍攝到圖片1；由于被拍攝對(duì)象和線陣相機(jī)之間存在相對(duì)速度v，在T2＝T1＋dT時(shí)刻線陣相機(jī)拍攝到圖片2；直到被拍攝對(duì)象離開了拍攝范圍，線陣相機(jī)共拍了N張圖片。通過后臺(tái)將以上拍到的N張圖片按照順序拼合在一起得到被拍攝對(duì)象的二維圖像。

1．3 適用場合

線陣高清技術(shù)有一定的適用場合。首先，線陣CCD的列像素值非常高，寬度方向上像素?cái)?shù)非常少，單塊CCD的像素總數(shù)要少于面陣CCD，因此單次拍攝的圖像采集速度快，適用于對(duì)拍攝速度要求較高的場合。同時(shí)，由于單列的像素值遠(yuǎn)高于面陣CCD，通過拼合而成的二維圖像可以具備超高分辨率。

其次，線陣高清拍攝二維圖片必須要求拍攝對(duì)象與線陣相機(jī)之間存在相對(duì)速度，并且要根據(jù)相對(duì)速度v調(diào)整線陣相機(jī)的采集頻率f，因此線陣高清的控制系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確測量相對(duì)速度v，否則會(huì)造成嚴(yán)重的圖像失真。

最后，線陣高清技術(shù)通過拍攝對(duì)象的相對(duì)運(yùn)動(dòng)獲取拍攝對(duì)象的圖片，拍攝對(duì)象的運(yùn)動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致圖片不清晰，并且不變的背景很容易被濾除，可以更好的突出主體，比面陣高清技術(shù)更適合監(jiān)視規(guī)律運(yùn)動(dòng)的物體。

考慮到鐵路貨車在行進(jìn)過程中具有一定的行進(jìn)速度，并且是在鐵軌上沿固定方向線性運(yùn)行，通過將線陣相機(jī)固定在貨車的上方和側(cè)面，就可以利用線陣高清對(duì)貨車頂部、側(cè)面的裝載狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，相比面陣高清技術(shù)更適合工作人員對(duì)貨車裝載狀態(tài)的細(xì)節(jié)進(jìn)行監(jiān)視。

2 貨車裝載視頻監(jiān)視系統(tǒng)

在進(jìn)、出貨場或鐵路沿線等有監(jiān)控需求的地點(diǎn)布置線陣相機(jī)，利用線陣高清技術(shù)對(duì)貨車頂部、側(cè)面的裝載狀態(tài)進(jìn)行拍照，并對(duì)列車車號(hào)進(jìn)行識(shí)別，將各車廂照片與車次、車號(hào)、順位等信息結(jié)合后傳送至后臺(tái)并保存。由于線陣高清相機(jī)拍攝的照片具備超高分辨率且可過濾掉無關(guān)背景，工作人員可以在遠(yuǎn)端清晰觀察車廂門、平板車端板、篷布、頂蓋及繩索等狀態(tài)。

線陣高清系統(tǒng)主要由高清線陣相機(jī)系統(tǒng)、車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)及現(xiàn)場傳感器、傳輸設(shè)備、后臺(tái)設(shè)備等組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 線陣高清系統(tǒng)架構(gòu)

2．1 高清線陣相機(jī)系統(tǒng)

高清線陣相機(jī)系統(tǒng)由線陣相機(jī)、光源、現(xiàn)場控制器及配套的安裝門架、供電及接地設(shè)備組成。

根據(jù)對(duì)貨車頂部、側(cè)面裝載狀態(tài)的監(jiān)控需求，需要在貨車上方、左側(cè)、右側(cè)分別安裝線陣相機(jī)。還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的需求選擇合適的安裝門架，如龍門架、L型門架等，確保設(shè)備安裝的穩(wěn)定性與安全性，并滿足線路的限界要求。線陣相機(jī)的安裝位置如圖3所示。

線陣相機(jī)的安裝位置應(yīng)根據(jù)相機(jī)的焦距、可能通過列車的高度等信息確定；光源應(yīng)在線陣相機(jī)的拍攝范圍內(nèi)均勻分布，同時(shí)保證在夜晚和逆光等情況下的圖像質(zhì)量，可以選用線性高亮度光源。

現(xiàn)場控制器接受車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)或現(xiàn)場傳感器的來車信號(hào)后，啟動(dòng)線陣相機(jī)和光源，控制線陣相機(jī)以頻率f進(jìn)行圖像采集，并將圖像通過傳輸設(shè)備傳送至后臺(tái)。

圖3 線陣相機(jī)安裝示意圖

2．2 車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)及現(xiàn)場傳感器

車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)及現(xiàn)場傳感器具備提示來車信息，實(shí)現(xiàn)車號(hào)識(shí)別、車速測量、車廂分辨等功能，并將相關(guān)信息傳給高清線陣相機(jī)系統(tǒng)及后臺(tái)設(shè)備。

車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)通過安裝在2條鋼軌之間的地面車號(hào)識(shí)別裝置，利用RFID技術(shù)掃取安裝在貨車車輛、機(jī)車底部芯片中的車輛信息，目前通常采用成熟的車號(hào)識(shí)別設(shè)備，通過與系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)來車車號(hào)的識(shí)別。常用的現(xiàn)場傳感器為磁鋼，主要部署方式：在來車方向上相距高清線陣相機(jī)一定間隔布置一套磁鋼，實(shí)現(xiàn)對(duì)來車的判斷，并作為車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、高清線陣相機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)；在線陣相機(jī)安裝位置安裝一個(gè)磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂的判斷；這2個(gè)磁鋼分別記錄貨車車輪通過的時(shí)間，通過時(shí)間差可以計(jì)算列車的車速。

因此，車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)配合二套磁鋼，就可以從功能上滿足系統(tǒng)要求。

2．3 傳輸設(shè)備

由于現(xiàn)場設(shè)備與后臺(tái)設(shè)備距離較遠(yuǎn)，一般采用光傳輸方案。在現(xiàn)場、后臺(tái)設(shè)置交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的接入；設(shè)置光端機(jī)，通過光纜連接現(xiàn)場交換機(jī)與后臺(tái)交換機(jī)。

2．4 后臺(tái)設(shè)備

后臺(tái)設(shè)備包含服務(wù)器、工作站、打印機(jī)、顯示器等，以及配套的機(jī)柜、工作臺(tái)。其中，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)、處理等功能；工作站、顯示器、打印機(jī)為工作人員提供人機(jī)交互界面，滿足工作人員遠(yuǎn)端監(jiān)控的需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

目前線陣高清技術(shù)在對(duì)運(yùn)動(dòng)中列車裝載狀態(tài)的監(jiān)視還存在圖像變形、精度不高等問題，且不能通過圖像對(duì)車輛橫向微小位移進(jìn)行檢測，大量檢查工作還要依靠工作人員人工完成，影響了系統(tǒng)的應(yīng)用效果，為此需對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

3．1 線陣高清相機(jī)控制

不同于傳統(tǒng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)時(shí)攝錄，線陣高清相機(jī)僅捕捉通過列車的圖像，需要一套獨(dú)立的控制方法，流程如圖4所示。

圖4 線陣高清相機(jī)控制流程圖

考慮設(shè)備的壽命和節(jié)能要求，線陣相機(jī)和光源在無車的情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，直到啟動(dòng)磁鋼探測到列車經(jīng)過時(shí)，才啟動(dòng)相機(jī)和光源。系統(tǒng)通過接口獲取現(xiàn)場傳感器測量的來車車速v，并依此計(jì)算線陣相機(jī)的采集頻率f，進(jìn)一步控制線陣相機(jī)以頻率f進(jìn)行圖像采集。當(dāng)現(xiàn)場傳感器確認(rèn)列車已經(jīng)完全通過的時(shí)候，系統(tǒng)關(guān)閉相機(jī)及光源，等待下一次來車信息。至此，高清線陣相機(jī)系統(tǒng)完成了一次對(duì)通過列車的圖像采集。

由于對(duì)線陣相機(jī)及光源的控制屬于現(xiàn)場控制級(jí)別，且與車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、現(xiàn)場傳感器等具有眾多接口，宜采用現(xiàn)場控制器進(jìn)行直接控制。同時(shí)，隨著DSP、FPGA等控制器性能的提高，采用現(xiàn)場控制器便于將車號(hào)識(shí)別、車速測量、車廂判斷與線陣相機(jī)控制、光源控制等功能集成在同一個(gè)控制器內(nèi)，有利于提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，降低圖像匹配錯(cuò)誤的發(fā)生概率。

3．2 車速測量及采集頻率計(jì)算

由于線陣高清技術(shù)還原二維圖像需要將多張一維圖像拼合，獲取一維圖像時(shí)需要根據(jù)車速v對(duì)采集頻率f進(jìn)行嚴(yán)格控制，才能保證圖像不發(fā)生變形。

設(shè)線陣高清相機(jī)拍攝單張照片的列方向上像素為ND，寬度像素?cái)?shù)為dNL。將一組一維照片合成后的圖片列方向上像素依然為ND，寬度像素?cái)?shù)則變?yōu)閚次采樣的疊加NL＝n·dNL，對(duì)應(yīng)照片中拍攝圖像的實(shí)際寬度范圍為D，列車行進(jìn)距離為L，如圖5所示。

圖5 線陣高清相機(jī)圖像示意圖

為了滿足圖像橫縱比例與實(shí)際拍攝對(duì)象相符，要滿足式 （1）的關(guān)系：

列車行進(jìn)距離為L時(shí)，經(jīng)歷的時(shí)間t＝L／v，對(duì)應(yīng)線陣相機(jī)的采樣次數(shù)n＝t／dT＝tf。由此可以計(jì)算采樣頻率與列車速度之間的關(guān)系，如式 （2）所示：

上式中ND、dNL為線陣相機(jī)的基本參數(shù)，D可以通過現(xiàn)場測量獲得，因此經(jīng)過現(xiàn)場安裝調(diào)試后采集頻率只隨著車速v變化。若車速測量不準(zhǔn)確，會(huì)出現(xiàn)圖像在列車行進(jìn)方向拉伸或壓縮的情況，不能滿足對(duì)依靠圖像進(jìn)行距離精確測量的場合。

目前車速測量主要依靠磁鋼進(jìn)行計(jì)軸判斷，這種方法的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性不高，且容易受到現(xiàn)場其他因素的干擾，僅適用于勻速行進(jìn)的列車。若設(shè)置高清線陣相機(jī)處列車速度發(fā)生變化，采用磁鋼測量車速可能會(huì)導(dǎo)致圖像比例失真。在系統(tǒng)中選用雷達(dá)測速等實(shí)時(shí)性強(qiáng)、測量結(jié)果準(zhǔn)確的設(shè)備有助于提高圖像精度。

4 總結(jié)

線陣高清技術(shù)可以滿足鐵路貨車裝載視頻監(jiān)視系統(tǒng)要求全天實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，可以提供車輛整體圖像信息來觀察貨物裝載加固狀態(tài)，可以提供細(xì)部圖像信息觀察車輛篷布、門、窗、蓋、閥等狀態(tài)及關(guān)閉情況，并且對(duì)運(yùn)動(dòng)列車進(jìn)行監(jiān)視。目前該技術(shù)已在部分貨運(yùn)站得到應(yīng)用。

與高清線陣技術(shù)結(jié)合的現(xiàn)場傳感器在速度測量、車廂判別等方面實(shí)時(shí)性及精度較低，容易造成匹配錯(cuò)誤、圖像變形失真。通過采用先進(jìn)傳感器或測量設(shè)備，改進(jìn)線陣相機(jī)控制算法，可以提升圖像質(zhì)量，提高圖像精度。在獲取高精度圖像的基礎(chǔ)上，可對(duì)線陣高清拍攝的圖像進(jìn)行相關(guān)檢測和距離測量，后臺(tái)用圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝載異常狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別和預(yù)警，從而提高貨安系統(tǒng)對(duì)異常裝載狀態(tài)的識(shí)別能力，提高工作效率，進(jìn)一步降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

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