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LED频闪灯在智能交通监控系统中的应用

2019-12-20 10:59:29      点击:
1. 什么是高清摄像机LED频闪灯?

高清摄像机LED频闪灯一般是指给高清网络摄像机补光的照明设备,因其能与摄像机每帧图像的电子快门同步,授控于摄像机的帧同步信号,并适应摄像机的帧率做出相应的倍频,按照一定的频率闪亮给摄像机补光,应而叫做高清摄像机LED频闪灯;由于这类补光灯设备通常应用于智能交通监控领域,所以也被称做智能交通LED频闪灯或ITS(智能交通)频闪灯。安防领域的从业人员也简称其为“LED频闪灯”。(以下提及该设备均简称LED频闪灯)

2. 智能交通监控系统为什么要用LED频闪灯?

给高清摄像机加装补光灯,可以改善摄像机的夜间性能;尤其是高清摄像机应用于智能交通监控系统,在抓拍或录摄违章且高速行驶的车辆,为了拍清车牌或驾驶室的人员,避免图像产生拖影,就必须把摄像机的电子快门设置的比较快。当电子快门较快时,摄像机的CCD曝光时间缩短,就会使得在夜间原本很暗的摄像机的图像变的更暗,补光也变的更加困难。

以往用于智能交通监控系统的补光灯,通常是用几台几千瓦的金卤灯补光。但金卤灯的功耗大,寿命短,对驾驶人员会产生严重的眩目感,后来就采用氙气爆闪灯(也叫气体闪光灯)。

氙气爆闪灯的工作原理是先给电容充电,然后再通过电容瞬间放电驱动氙气灯管闪光。氙气爆闪灯虽然满足了相机夜间补光,也减缓了对驾驶人员的眩目感。但氙气爆闪灯也有以下缺点:

1.       由于电容的充电时间慢,放电快(1秒钟只能闪3-5次),当车流量大的情况下(比如上、下班车量流高峰期),单台氙气爆闪灯不能满足补光,相机会有抓拍到部分漆黑的图像,不能辨认车辆信息,因而产生漏拍现象。需要加装多台氙气爆闪灯轮流闪光才能满足补光(简称轮闪补光)。轮闪补光会增加器材的成本,降低方案的竞争力。

2.       寿命短,质量好的氙气爆闪灯的闪光寿命一般只有300万次,质量较差的不到30万次。如果是当地电网不稳定,寿命更短。所以车流量大的监控点一年内要更换几次氙气爆闪灯。

3.       由于现在的电子警察项目和卡口项目很多采用视频检测方案,视频检测需要提取视频流(录像)做视频分析。而氙气爆闪灯因为自身回电时间慢的工作原理和寿命短等特性,不能用于录像,只能用于抓拍闪光补光,所以氙气爆闪灯不能用于在基于视频检测方式的电子警察或卡口项目。

补充:

1.       氙气爆闪灯的触发是通过路面的地感线圈或雷达给相机触发信号,再由相机同步输出触发信号给氙气爆闪灯。

2.       采用地感线圈检测车辆通过信息方案需要把地感线圈埋在路面下方,会破坏路面,一般的桥梁上不允许采用该方案施工。北方的冰冻天气和厚雪也容易使地感线圈产生误差,增加误拍率和漏拍率。

3.       地感线圈检测车辆必需配套车辆检测器、切割路面和深埋电缆线,器材和施工成本高。

4.       地感线圈只能检测通过的车辆,不能检测非金属类物体,比如奔跑中的犯罪分子。

5.       如果采用视频检测手段做电子警察或卡口方案,则不需要在路面安装器材和施工。可以做到识别车牌,记录驾驶室人员和车辆信息,同时还可以记录通过的路人。但视频检测方案不能用于抓超速车辆,因为视频检测手段不如雷达区间测速方式准确,不能作为相关执法单位执法的依据。总体上,视频检测分析在智能交通监控领域是一个主流的趋势。视频检测方案就必须用LED频闪灯或LED常亮灯。

讲到LED频闪补光灯,先从LED常亮补光灯说起,这两种补光灯都可以用于基于视频检测方案的电子警察或卡口系统,给高清摄像机夜间补光。所谓LED常亮补光灯就是不用连接其它触发信号,只要一通电就一直亮或夜间一直亮(加光控电路)的LED补光灯。LED常亮补光灯寿命比氙气爆闪灯长,但亮度不及氙气爆闪灯和LED频闪灯。工作时的发热量比LED频闪灯大,所以市面上的LED常亮灯功率一般只有几十瓦,摄像机感应到的光照度也不如LED频闪灯,特别是为了拍清高速移动的车辆,电子快门调快后,CCD的曝光时间缩短,很难达到补光的要求。同时也会对司机产生剌眼的干扰。通俗的讲,就是人眼感觉很亮,但是相机出来的图像并不亮。

采用LED频闪灯就可以很好的解决氙气爆闪灯和LED常亮补光灯的缺点。LED频闪灯既能够用于录像补光又能用于抓拍补光。用时序图来说明LED频闪灯亮灯的工作原理。

下图是浙江大华ITC213两百万智能交通高清网络相机为例的时序示意图。每秒帧率25fps时,每一帧的周期为40ms1=1000毫秒,1000毫秒/25=每帧40毫秒)。其中“CCD曝光时段”指是相机开启快门对CCD进行曝光的时间段,爆闪灯或频闪灯需要在这个时段进行补光。假定“CCD曝光时段”为4毫秒。

从以上时序图可以看出,LED频闪灯的原理就是和相机的每帧图像的电子快门同步,当相机电子快门打开时,CCD同步曝光,这时LED频闪灯也同步亮灯,给CCD补光;当相机电子快门关闭时,CCD曝光结束,这时LED频闪灯也同步灭灯。当不给LED频闪灯做倍频亮灯时,由于ITC213相机的帧率是每秒25fps,无倍频亮灯时,即LED频闪灯每秒只亮25次,每次只亮4ms,即1秒种内,LED频闪灯亮灯时间为100毫秒,灭灯时间为900毫秒。

假定一台LED频闪灯的峰值功率是150W,实际应用上,LED频闪灯的功耗是25次×4毫秒=100毫秒=0.1秒×150W=15W,即占空比为10%,即LED频闪灯的平均功耗为15W。因为每秒亮25次的频率很容易被人眼分辨出来,所以LED频闪灯通常设计为多倍于相机帧率的倍频方式亮灯,如果是倍两倍频亮灯,那么LED频闪灯每秒亮灯50次,这样一来,人眼就比较难分辨LED是频闪亮灯,看上就和常亮灯差不多了。2倍频亮灯,通过计算,LED频闪灯的占空比为20%,即实际功耗为150W×20%=30WLED频闪灯峰值功率大,实际功耗小,发热量也小,在满足补光要求的同时,也延长了LED的发光寿命。简单的说,LED频闪灯就是人眼看上去不那么亮,相机的图像却可以得到合适亮度的图像。所以基于视频检测手段的电子警察和卡口项目一般都采用LED频闪灯给相机补光。

3LED频闪灯在基于视频检测方式的电子警察和基于视频检测方式治安卡口项目中的应用

1. LED频闪灯在基于视频检测方式的电子警察项目中的应用

电子警察项目就是抓管车辆是否闯红灯,主要是当前方红灯亮起时,对闯红灯的车辆要拍清车尾的牌号、车身车貌、是否越过或压到路面的停止线等执法依据。通过后端软件平台和数据库,验证出车辆的合法身份,自动核对黑名单库,自动报警。以便于警务人员及交管人员对城市道路交通的管理。电子警察项目一般有两种解决方案,1.基于视频检测方式的电子警察方案;2.传统地感线圈检测方式的电子警察方案。

传统的地感线圈检测方式的电子警察方案前端的硬件设备包括相机、气体闪光灯、地感线圈、车辆检测器等,加上后端的软件平台和数据库构成。前端图像采集的工作原理就是当前方红灯亮起的时段里,由红绿灯信号检测设备输出相应的信号,使抓拍系统进入工作状态。当车辆闯红灯经过埋在路面下方的地感线圈时,地感线圈会产生感应电流,再由车辆检测器放大分析判断,再传给相机抓拍信号,再由相机触发气体闪光灯补光,检测、触发、补光、抓拍瞬间同步进行,完全图像的采集。当前方绿灯亮起时,抓拍系统停止抓拍工作。

传统的地感线圈检测方式的电子警察方案采集到的监控信息一般只有图片(JPEC格式),没有视频流(录像)。所采用的相机也多为单码流相机,补光设备一般采用气体闪光灯。补充:单码流相机指的是只能抓拍图片(一般为JPEC格式)不能录像的相机,双码流相机可以抓拍图片(一般为JPEC格式)也可录像(H.264格式)。

基于视频检测方式的电子警察方案是计算机视觉和人工智能领域在智能交通监控系统的深入应用,视频检测方式是跟据视频中的车辆运动轨迹来分析和判断是否违章驾驶。视频检测方式的电子警察方案是由前端硬件,包括相机、LED频闪灯和后端软件,包括视频检测分析,车牌识别、记录、筛选、存储构成。下图是基于视频检测方式的电子警察方案图像采集的前端硬质设备图:

视频检测是跟据视频流中的车辆运动轨迹来分析判断,因为要提取录像,所以补光至关重要,补光效果好,车牌的识别率就高,防眩目可以减少对驾驶人员的干扰。补光不好,不但会降低车牌识别率,还会有误拍漏拍现象。

由于不同的用户有不同的要求,如果只要求看清车牌,补光就比较容易,因为国内的车牌一般都涂有反光层,用峰值功率小一些的LED频闪灯一般都可以满足补光要求。如果要求比较严格,不但要拍清车牌,还要拍清车身车貌、是否越过或压到路面的停止线(停止线如果含有反光材料很容易拍清,停止线如果没有反光材料很难拍到)和红绿灯的亮灭状态等执法依据,加上如果通过该路口的车速比较快的话,相机快门须调快,那么补光就比较困难,必须采用峰值功率大的LED频闪灯给相机补光。

2. LED频闪灯在基于视频检测方式的治安卡口项目

治安卡口系统全称是道路交通治安卡口监控系统,是指依托道路上特定场所,如收费站、干道出入口、交通或治安检查站等卡口点,对所有通过该卡口点的机动车辆甚至路人进行拍摄、记录与处理的一种道路交通现场监测系统。该系统用于城市道路、乡村公路、高速公路出入口、收费站等重点治安地段的全天候实时检测与记录。功能完善的高端治安卡口方案,可自动识别过往该卡口点的车辆牌号、车身车貌、驾驶室人员容貌和是否系安全带等特征,通过后端软件平台和数据库,验证出车辆的合法身份,自动核对黑名单库,自动报警。可对路口情况进行监控与管理,包括出入口车辆管理、采集、存储数据和系统工作状态,以便于警务人员及相关部门对道路的安全进行监控。整个系统具有管理维护、统计、查询及报表打印等功能,实现对交通违法、肇事逃逸等嫌疑车辆及不法分子的监控与处置。全天候记录,识别率要求95%以上,图片显示汉字、字母、数字,清晰可辨。治安卡口项目一般有两种解决方案,1. 传统的地感线圈检测方式治安卡口方案;2.基于视频检测方式的治安卡口方案。

传统的地感线圈检测方式治安卡口方案前端的硬件设备包括相机、气体闪光灯、地感线圈、车辆检测器等,加上后端的软件平台和数据库构成。前端图像采集的工作原理就是电磁感应,当车辆经过埋在路面下方的地感线圈时,地感线圈会产生感应电流,再由车辆检测器放大分析判断,再传给相机抓拍信号,再由相机触发气体闪光灯补光,检测、触发、补光、抓拍瞬间同步进行,完全图像的采集。传统的的治安卡口方案采集到的监控信息一般只有图片(JPEC格式),没有视频流(录像)。所采用的相机也多为单码流相机,补光设备一般为气体闪光灯。

补充:单码流相机指的是只能抓拍图片(一般为JPEC格式)不能录像的相机,双码流相机可以抓拍图片(一般为JPEC格式)也可录像(H.264格式)。

基于视频检测方式的治安卡口方案目前在国内存在比较多的做法,主要区别体现在视频分析的算法和后台管理软件。前端的硬件设备大致相同,这里只着重讲述采集图像的前端的设备,目前国内在视频检测方式的治安卡口方案中,几个有代表性的公司,如北京信路威、浙江大华、海康威视等,这些公司的前端设备基本都一样。包括相机、LED频闪灯、氙气爆闪灯等。

卡口项目中,车速比闯红外灯电子警察项目中的车速快的多,相机的电子快门一般为设置为2ms,如果车速大于90公里,电子快门一般为设置为1ms,而且要求拍清车牌、车身车貌、驾驶室内的人员,这样一来,卡口夜间补光就非常困难。因为市面上大多数LED频闪灯应用在卡口项目中,只能拍清拍清车牌、车身车貌,不能拍清驾驶室内的人员,但LED频闪灯却可以为相机录像补光,保证相机在夜间可以输出供于视频检测用的车辆运动轨迹的视频流。所以再加装氙气爆闪灯就可以抓拍到光照符合要求的图像。

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