如何为交通监控系统选择合适的CMOS摄像头

上网时间: 2007年08月01日? 作者:孙昌旭? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:CMOS? CMOS传感器? 交通监控?

不少开车者已发现这样一个窍门:在市区内违章时,如果能将车速超过80公里/小时,摄像头就拍不清自己的车牌了,或者在强光照明下也不易被拍到;在高速公路上违章时,如果将速度提升到180公里/小时也不会被清楚地拍到车牌。这种现象给交通监控管理带来了很大不便。为什么会出现这种现象呢?因为监控用的摄像头出了问题,安防部门没有选择到合适的摄像系统。

如何为交通监控系统选择合适的CMOS摄像头_ESMCOL_1

陈子良:普通消费电子用的CMOS传感器不适用于高速公路监控。

“具体来说,城市交通流量监测与车辆超速捕获及牌照识别所需求的摄像头功能是不一样的;而城市内车辆监控和高速公路车辆监控又是不一样的需求。”赛普拉斯亚太区影像感应器部业务拓展经理陈子良指出。

他进一步解释,比如高速公路监控需要摄像头具有很高的帧频速度,假如车辆以200公里的时速行驶,帧频为25fps的摄像头只能获取一幅图像,但帧频为250fps的摄像头可以捕捉到10幅连续图像。前者仅凭一幅图像是很难判断的,出错率高,而后者通过10幅连续图像则可以容易判断且不会出错。这里,如果采用消费电子中使用的普通摄像头就不行了,需要专门针对工业级应用的高速摄像头。而在城市内监控时,则需要摄像头有很大的动态范围,以应对强光或弱光条件下的捕获。

一般来看,交通监控包括以下内容:超速车辆捕获;车牌识别(用于收费路段或限制行驶/专属路段的监控);交通拥堵状况监测和车辆控制系统;闯红灯/违章并线和走进专用道等;穿越铁轨;收费路段和桥梁如智能交通系(ITS)。不同的应用,对摄像头要求不同,基本上可以分为以下两类:

一、车辆超速捕获及车牌识别

首先要求每一帧都具有良好的图像质量,这包括无模糊、无畸变、合适的对比度和较大的动态范围;二是要求摄像头能逐行扫描;三是分辨率必须足以识别车辆及其牌照上的字符;四是一般采用单色图像,通常具有较高对比度,而彩色图像只是备选方案;五是需要很高的低照度响应和灵敏度;六是耐极端气象条件的操控;七是具有镜头视场(FOV),依分辨率而不同;最后,对于车辆及牌照识别,不建议使用非图像无损压缩。

在捕获超速车辆和车牌识别应用时,城市内监控和高速公路监控又不同。前者不需要太高帧速的摄像头,普通的20~30fps帧速即可;而后者却需要大于200fps的帧速。但是,两种情况下都要求图像清晰,无拖尾现象。“赛普拉斯独有的同步全局曝光可实现无拖尾,高质量的图像。特别适合于此类应用。比如我们的IBIS5系列CMOS图像传感器。”陈子良说道。

二、交通流量、拥堵状况监测

与上面建议采用的单色图像不同,这里倾向于使用彩色图像;分辨率应足以看清路面状况;比上面情况需要更高的FOV;与上面要求高速帧频不同,这里帧频不是主要的考虑因素;要求比上面更大的动态范围;同上面一样需要耐极端气象条件;需要极高可靠性以及平均无故障时间,这对城市流量控制非常重要。

从目前交通监控市场来看,仍以基于传统CCTV系统和CCD摄像头的应用居多。CCD摄像头与CMOS摄像头比最大的差距就是集成度差、成本和功耗双高,并且,采用CMOS摄像头与IP网络结合,可以实现全数字化管理,而CCD做不到这点。因此基于IP网络的摄像系统取代CCTV模拟系统和CCD摄像头是大势所趋。“近两年,全球基于IP网络的监控系统已起步,中国也一样。赛普拉斯从去年开始正式在中国市场推广工业应用的CMOS图像传感器,受到市场的欢迎。”陈子良表示。此外,近年来,CMOS图像传感器在动态范围上的技术改良,使其图像质量已能与CCD媲美。

如何为交通监控系统选择合适的CMOS摄像头_ESMCOL_2

John Monti:CMOS传感器超宽动态范围的关键是每个像素拥有独立电子快门。

另一家CMOS图像传感器厂商Pixim也是专注于安防监控系统的领导厂商,它与赛普拉斯不同的是,不仅提供数字图像传感器,还提供后端的数字视频处理器、嵌入固件和完整参考设计,其产品以超宽动态范围而扬名。“我们公司获奖的Digital Pixel System(DPS)技术支持逐行扫描图像捕捉,具有球形电子快门、超宽动态范围(UWDR),在极端照明条件下也能实现自然的色彩重现。”Pixim公司销售市场副总裁兼创始人之一John Monti表示。据他所述,该公司的产品已为中国许多安防监控厂商所采用,其中包括Sunell和CoShip。“网络连接将是未来五年推动视频监控市场增长的主要动力之一。”John Monti说道。

随着中国的“平安城市”计划受到越来越多的关注,安防系统将由CCTV转向网络监控,或者一些地方会直接布置网络视频监控系统,而CMOS摄像头将取代CCD在新一代的网络监控中扮演主角。那么,如何选择合适的摄像头才能避免文章开头所谈到的问题呢?

从上面的分析可以看出,针对交通监控系统来说,选择CMOS摄像头最重要的因素有三个:一是要有大的动态范围,对于不论城市内监控还是高速公路监控来说都是非常重要的指标,也是CMOS传感器厂商比拼的主要指标之一;另一个就是帧频速度,这对于高速公路监控非常重要,也是为什么普通的消费电子摄像头不能用于高速公路的原因。此外,要考察的因素还包括摄像头中图像传感器的集成特性,凭借CMOS工艺固有的集成特性,CMOS图像传感器片内已集成了越来越多的外围,这可进一步减小摄像头的成本。下面,就这几方面着重分析。

提升动态范围对抗强亮度和弱光

“SD相机是监控中用得最普遍的,因为百万像素及更高的像素水平会产生过多的数据并阻塞TCP/IP网络。在SD分辨率水平,改善图像质量至关重要的因素就是超宽动态范围。”John Monti分析道。Pixim公司凭借其获奖的DPS技术革新实现了业界几乎最大的CMOS图像传感器动态范围,其D1110和D2010两款CMOS传感器的最大动态范围可达120dB,典型值时也有102dB。“DPS技术的关键是传感器中的每一个像素都配有一个ADC,在捕获图像的瞬间即将光信号转换成数字信号,这样最大程度地减小了信号衰减,从而获得最佳的图像质量。”John Monti说道。

他进一步解释该公司CMOS传感器能获取最大动态范围的原因:超宽动态范围的关键是像素独立电子快门。这意味着在每个视频帧、图像传感器中的每个像素都能对曝光时间作出自己的决定。例如,非常明亮的像素使用一个非常快的快门速度、非常暗的像素则使用非常慢的快门速度。结果是在同一个视频帧中,同时更精确地再现明暗条件下的情形。“这样提供的信息将比老式的模拟CCD图像传感器更加精确。”他称。

因此,D1110和D2010的超动态范围可提供17位的红、绿和蓝色信息,实现任何视频捕捉技术中最精确的彩色还原。除上述对高亮度光的控制外,在低光条件下,通过对高增益诱发的各种噪声源进行校正,DPS技术较大地提升了信噪比(SNR),改善低光下的图像质量。“因此,DPS技术在高光(超宽动态范围)和低光(SNR)条件下都极大地增强了性能,可以为终端用户提供更好的信息,从而增强安全性。”John Monti说。

同样,美光科技在进入商业视频监控市场时也以其较大的动态范围为有力武器。美光影像集团新市场开发总监Paul Gallagher指出:“CMOS器件增大的动态范围成为与CCD器件一争高下的突出特性。目前市场对改进动态范围的需求越来越多,这已取代了过去对低光敏度的需求。”美光新推出的商用CMOS传感器MT9V032的动态范围达到100dB,它的屏幕显示为14~15位,“而一些竞争对手的传感器只能达到8位。”他补充说。这使得摄像头可以捕获包含低照度(低至不足0.1lux)水平和阳光直射情况的场景,其对抗阳光直射的功能对于交通流量的监控应用亦很有作为:比如在大量车灯照射下,它仍可捕获到非常清晰的图像质量。

此外,他还表示,美光通过聚合像素(Binning Pixels)可以提升对弱光下图像的捕获。“聚合像素可以实现双倍光的捕获,从而对抗弱光下的监控。”Gallagher表示,“此外,还可实施白天采用彩色摄像,晚上采用黑白摄像的方式来应对强弱光环境。”

6T技术实现高速CMOS成像

赛普拉斯推出一种所谓的6晶体管(6T)像素技术,可同时实现全局曝光、记录光电信号和输出。“6T技术带来的最大改变是图像传感器可以同时曝光和读出数据,即在进行第一帧读出时,同时可进行第二帧曝光。而传统的3T,只能在一个时间完成一个任务,因而6T技术使得图像传感的速度得以提升。”陈子良解释道。目前,采用此类高速技术,赛普拉斯的极高速图像传感器可以达到1024×1024像素时,工作速度每秒5,000个全帧。当然,此类传感器主要用于一些极高速的应用,比如碰撞实验等。

针对交通监控系统,赛普拉斯有三款主打产品:LUPA300、LUPA1300和LUPA4000,均支持6T专利技术,分辨率各为VGA、1.3MP和4MP,帧速可达247fps、447fps和15fps。“与美光、Pixim等公司不同,我们主要针对高速公路监控市场。这类应用对图像传感器的速度要求更高。”陈子良说道。如前所述,当车辆以200公里的时速行驶时, 帧频为250fps的摄像头可以捕捉到10幅连续图像,而帧频为25fps的摄像头只能获取一幅图像。“对于抓拍的一幅图像,如出现问题就没有办法识别了,而10幅继续图像即使有些被挡住车牌,其它还可看得见。”陈子良解释。因此,在高速公路上,如果只是普通摄像头,当车速达到200公里/时以上时,反而不易被拍到就是这个道理。具体来说,LUPA3000具有速度快、便宜和可清晰看见车牌的特点;而LUPA1300的性能则更进一步,“除了可以看清车牌,还可看清驾驭员的长相。”他说道。

集成度越来越高的SoC

CMOS传感器上能集成更多外围,是它优于CCD的重要原因之一。因此,CMOS传感器的片上集成度也是在选择摄像头时要考虑的因素,它正在向SoC方向发展。陈子良透露,他们下半年即将量产的LUPA-1300-2将前代产品外围的16个ADC集成到片上,同时还集成了高速LVDS接口,LVDS接口为智能监控系统提供了方便。集成度提升后,不仅使得成本大大下降,而且令设计也更加简便。

美光新推的针对监控市场的CMOS传感器,每款均是集成度高的SoC,将后端的图形流处理(IFP)、驱动IC、颜色处理、感光、白平衡等多个功能集于一块芯片中,易于设计。此外,值得一提的是,美光首创的电子云台功能。“与传统的机械云台相比,这种电子控制的云台无须添加马达或任何移动组件,探头尺寸从1平方英尺降到1平方英寸,同时也为系统提供商减少了许多维护工作和成本。”Callagher说道。美光的一款针对中低端商业用户的MT9D131还集成JPEG图像处理功能。更重要的是,以上这些CMOS传感器片上集成的数字LVDS输出、数字视频输出为智能监控网络创造了条件。

Callagher举例说:“在传统的CCTV监控系统中,工作人员要面对满屋子的监视屏,这种情况下,监控人员聚精会神工作11分钟后就不能感觉到任何变化了。现在,通过智能监控系统,我们将图像传感器监控到的数据传输到一个DSP中进行处理,由DSP来帮助分析各个摄像头的变化,经过DSP处理后的视频数据再传到图像传感,以NTSC或PAL格式输出,这样监控人员可以更好、更准确地进行监控。”此外,这种智能监控系统还可根据不同的环境来实现不同的算法和程序。比如在大厦门前,用户需要监控有没有来回走动的可疑人员;而在火车站需要监控的是有没有放在那里被遗漏的包裹。“目前,我们的图像传感器可搭配模拟器件公司的Blackfin处理器和德州仪器的达芬奇产品,实现特定应用的智能监控系统。”他透露道。

他指出,要实现以上的图像分析,需要以下几个条件:一是需要CMOS传感器提供的高速帧频。二是超百万像素的分辨率,具有缩放功能,以提供分析所需的足够信息。三是需要高性能的DSP。四是需要在传感器端集成更多的功能,因为由于有限的宽带,图像拍摄和处理都需要在前端,比如图像分析、处理等工作,然后将信息通过以太网传到后端。

Callagher指出,由于近年来无线网络的快速发展,也导致IP视频监控市场的迅速上升。“据我们客户的反馈信息,IP视频监控设备近几年的出货量年增长率将达40%。”

虽然智能监控给人们描绘了一幅美妙的场景,但是,网络监控系统并没有像当初人们预想的那样迅速增长。对此,Pixim的John Monti指出:“最大的挑战并不是来自于技术,而是人们的观点。安保市场在接受新技术方面非常保守。许多安保交易员、集成商、分销商和最终用户对IP技术的了解有限,而且对于供应商宣称的更好性能和灵活性半信半疑。”他说,“因此,必须开展培训,以克服这些障碍。虽然这需要时间和耐心,但IP监控时代正在开始,未来几年将保持强劲增长势头。”


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