森林火災(zāi)是林業(yè)最可怕的災(zāi)害，它會給森林帶來最有害，具有毀滅性的后果。森林火災(zāi)不只是燒毀成片的森林，傷害林內(nèi)的動物，而且還降低森林的更新能力，引起土壤的貧瘠和破壞森林涵養(yǎng)水源的作用，甚而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境失去平衡。盡管當(dāng)今世界的科學(xué)在日新月異地向前發(fā)展，但是，人類在制服森林火災(zāi)上，卻依然尚未取得長足的進(jìn)展;于是森林火災(zāi)預(yù)防和發(fā)現(xiàn)比撲滅更具現(xiàn)實(shí)意義。森林防火視頻監(jiān)控就是利用長焦鏡頭配合低照度攝像機(jī)來獲取圖像，通過無線方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，為火災(zāi)的預(yù)防和發(fā)生災(zāi)情時提供第一手資料起著至關(guān)重要的作用。下面就某市的森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)中遇到的較為典型的問題和解決方法做個簡單的分析，為類似系統(tǒng)建設(shè)時提供些許建議。

　　項(xiàng)目概述

　　某市的森林防火系統(tǒng)通過在轄區(qū)森林公園的主要高點(diǎn)安裝視頻監(jiān)控點(diǎn)，來監(jiān)控林區(qū)的日常情況，并利用視頻分析軟件定時對林區(qū)進(jìn)行掃描，智能的判斷是否有警情發(fā)生。前端監(jiān)控點(diǎn)采用太陽能、風(fēng)能互補(bǔ)供電，采用微波無線傳輸技術(shù)將圖像傳輸?shù)街笓]中心。由指揮中心的林火識別軟件對畫面進(jìn)行分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，但對前端視頻攝取圖像系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、視頻分析系統(tǒng)的要求并不低。前端成像系統(tǒng)采用自動聚焦透霧鏡頭和超低照度透霧攝像機(jī)。

　　系統(tǒng)中的技術(shù)難點(diǎn)

　　下面就前端視頻圖像攝取系統(tǒng)中的技術(shù)難點(diǎn)作簡單分析。

　　1、由于林區(qū)沒有照明系統(tǒng)，且沒有配置主動激光照明系統(tǒng)，滿足夜間的防盜監(jiān)控需求就對監(jiān)控系統(tǒng)提出了考驗(yàn)。一些品牌采用在鏡頭和攝像機(jī)中加裝可見光截止濾光片的方法實(shí)現(xiàn)透霧功能，使得夜間的圖像質(zhì)量不如人意，在透霧與低照度之間無法平衡。

　　2、本系統(tǒng)采用太陽能、風(fēng)能供電，供電電壓不夠穩(wěn)定。在供電不穩(wěn)定(基本在系統(tǒng)正常工作范圍內(nèi))的情況下，給依靠電壓差來判斷鏡頭預(yù)置位功能的解碼器提出了更高的要求。往往造成了鏡頭預(yù)置位“跑偏”、模糊等現(xiàn)象。

　　3、本系統(tǒng)采用無線傳輸方式，在前端將攝像機(jī)輸出的模擬視頻經(jīng)過編碼器的編碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心再將圖像進(jìn)行解碼后顯示在大屏幕上。由于編碼、傳輸、解碼的過程中不可避免的產(chǎn)生了延時，且不斷的疊加，最終造成整體系統(tǒng)的延時較大。如果一旦監(jiān)控目標(biāo)不在清晰視場，監(jiān)控中心的人員在有系統(tǒng)延時的情況下對前端的鏡頭進(jìn)行聚焦操作是很難實(shí)現(xiàn)的。

　　4、由于長焦鏡頭多使用在全天候監(jiān)控環(huán)境中，自動光圈技術(shù)的應(yīng)用就必不可少了。但隨之而來的問題是景深隨光圈的調(diào)整不斷變化，尤其是夜晚光圈全部打開，使得白天可以清晰觀察到的物體在此時可能會變得模糊。另外，長焦鏡頭給我們帶來了更加廣泛的觀測場景，在同一個畫面中，可能會同時出現(xiàn)近、中、遠(yuǎn)景目標(biāo)同時出現(xiàn)的情況，我們需要對不同距離的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。通常監(jiān)控人員需要不斷對鏡頭進(jìn)行聚焦，以達(dá)到理想的觀察效果。如果畫面模糊，將直接影響到監(jiān)控中心視頻檢測軟件的檢測正確率，特別是在無人值守的情況下。

　　5、由于采用長焦距鏡頭，將鏡頭焦距拉到最長時，鏡頭的視場角不到1°，而云臺受風(fēng)力影響會造成云臺的晃動，使得畫面抖動較為厲害。這樣畫面對圖像檢測非常不利。

　　技術(shù)難點(diǎn)的解決思路

　　針對以上提出的問題，筆者認(rèn)為可從以下幾方面加以解決。

　　1、對于夜間監(jiān)控問題，可以增加主動光源解決，例如采用激光夜視系統(tǒng)。但此系統(tǒng)造價較高，且激光的壽命和衰減影響夜視效果，不容忽視的問題。根本的解決辦法是采用大口徑、大光圈鏡頭配合超低照度攝像機(jī)來實(shí)現(xiàn)夜間的監(jiān)控。鏡頭的前口徑是決定鏡頭采集光的量的一個重要指標(biāo)，目前鏡頭可達(dá)到100mm以上的前口徑，進(jìn)光面積較一般80mm口徑的鏡頭增加50%以上。低F值將使大口徑鏡頭獲取的光線有效的加以利用，采用375mm鏡頭的F值有2.3，和一般鏡頭的2.5相比(平方數(shù)比較)提高了18%;配合最低照度可達(dá)0.004Lux(不適用幀累積)的攝像機(jī)。綜合上述幾個技術(shù)點(diǎn)，可以有效緩解夜間監(jiān)控的迫切需要。

　　2、本項(xiàng)目中要求具備透霧功能。一般品牌鏡頭和攝像機(jī)組成的成像系統(tǒng)采用的是在鏡頭或攝像機(jī)中加裝可見光截止濾光片的方式來實(shí)現(xiàn)白天的透霧。但是夜間照度降低，攝像機(jī)就會切換到黑白模式，此時CCD前就切換上了可見光截止濾光片上。原本夜間照度就差，現(xiàn)在又人為的將可見光全部過濾掉，得到的畫面可想而知。KOWA鏡頭在對800nm以上波長的非可見光(透霧模式時的成像波長)增透外，并沒有加裝可見光截止濾光片，這樣就保證了其優(yōu)秀的光通量。日立攝像機(jī)的透霧模式是將靶面上成像的圖像經(jīng)過DSP分析后，將可見光濾除掉，只保留非可見光的成像。但在夜景模式時，又不開啟濾除技術(shù)，這樣就保證了夜間監(jiān)控時獲取完美的畫面。[nextpage]

　　3、鑒于系統(tǒng)采用的風(fēng)能、太陽能的互補(bǔ)供電方式，造成電壓的不穩(wěn)定是不可避免的，若要從根本上解決精度問題，只能想辦法將鏡頭的預(yù)置位信號更換為數(shù)字信號。自動聚焦鏡頭采用內(nèi)置解碼技術(shù)，將鏡頭中的預(yù)置位信息轉(zhuǎn)化為RS485信號，將預(yù)置位信息數(shù)字化。在系統(tǒng)調(diào)用一個預(yù)置位時，不再需要聚焦位電壓多少伏，而是直接告訴鏡頭，我要將焦距聚到多少毫米上，由鏡頭自己完成聚焦工作。這種方式將大大提高預(yù)置位的調(diào)用精度。

　　4、以上問題需求中提到的需要人工聚焦的情況，如果采用自動聚焦的鏡頭，將徹底解決此類問題，也將終結(jié)延時對前端聚焦的影響，因?yàn)闊o論延時多久，鏡頭已經(jīng)在圖像輸出時將畫面聚焦清晰了。由于長焦鏡頭焦距的增長使得控制聚焦成為了操作員工作中的一個主要操作。在早期的短焦產(chǎn)品(100mm以下)中，監(jiān)控距離最多幾百米。由于距離短，只要調(diào)整好攝像機(jī)和鏡頭后焦，幾乎不需要對監(jiān)控物體進(jìn)行聚焦操作。但是隨著焦距增長到1000mm的今天，監(jiān)控距離延伸到了幾公里甚至十幾公里，在這么長的縱向距離上進(jìn)行聚焦操作就成了一件痛苦的事情。同時，云臺每變動一個角度，都要對畫面聚焦。增加工作量的同時也對清晰畫面的獲取帶了障礙。針對這種情況，可選用自動聚焦系列產(chǎn)品，自動聚焦產(chǎn)品將有助于改善這種局面。下面我們來看看自動聚焦的如何提高了監(jiān)控效率。

　　· 畫面發(fā)生變化

　　當(dāng)畫面中的物體有移動時，也就是我們關(guān)注的畫面的焦點(diǎn)發(fā)生了變化，這是需要重新聚焦，而鏡頭可以自動執(zhí)行聚焦操作，讓整個畫面始終保持清晰。比如畫面中的人物由遠(yuǎn)及近時，鏡頭自動聚焦功能會不斷分析當(dāng)前畫面并聚焦，使人物在畫面中始終保持清晰狀態(tài)。

　　· 執(zhí)行變焦操作

　　當(dāng)我們放大或縮小一個畫面，這中間必然會有一個變焦的過程，這使我們的關(guān)注點(diǎn)也不同了。在變焦過程中鏡頭會不斷的自動聚焦，使得停止變焦后馬上得到清晰畫面。

　　· 對云臺進(jìn)行操作

　　當(dāng)我們對云臺進(jìn)行轉(zhuǎn)動操作時，畫面必然發(fā)生變化，即使是輕微的變化，鏡頭也會啟動自動聚焦功能，讓每個畫面始終清晰如一。

　　如果沒有自動聚焦，操作人員幾乎在每個操控動作后都要進(jìn)行聚焦操作，是件非常繁瑣的事情。

　　5、對于畫面晃動的問題，可以通過以下方法解決。

　　· 利用更加穩(wěn)定云臺、護(hù)罩

　　護(hù)罩除了采用傳統(tǒng)的方形護(hù)罩外，還可以采用風(fēng)阻系數(shù)更小的圓筒型護(hù)罩。這類護(hù)罩由于有弧面將大大減少風(fēng)力對整體穩(wěn)定性的影響。另外云臺的機(jī)械間隙也是造成畫面晃動的重要因素，云臺一旦制造出來，機(jī)械間隙就固定存在了，故無法解決。[nextpage]

　　· 加入圖像穩(wěn)定器

　　視頻穩(wěn)定算法的主要原理是：估計(jì)當(dāng)前幀相對于前一幀(或者參考幀)的運(yùn)動，并通過算法得到描述兩幀圖像間變化的變換矩陣;然后，利用變換矩陣對當(dāng)前幀圖像進(jìn)行校正，使得視頻信息相對穩(wěn)定。其主要功能為：穩(wěn)定的視頻可以更好地表現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)，從而提高視頻監(jiān)視的質(zhì)量;實(shí)際中，圖像抖動不利于人眼對圖像的分析和觀測，又易引起監(jiān)控人員的視覺疲勞，視頻穩(wěn)定可改善這一狀況;另外，穩(wěn)定的圖像為后端的數(shù)字視頻記錄設(shè)備提供了更有利于壓縮的視頻源，可大大提高壓縮比，在相同碼流下可以獲得更高質(zhì)量的圖像(如圖1)，或者說在相同圖像質(zhì)量下，大大降低數(shù)據(jù)流量，利于多點(diǎn)同時觀看。

圖1　加入圖像穩(wěn)定器后的效果對比

　　其他森林防火監(jiān)控中遇到的其他問題

　　森林防火監(jiān)控的攝像頭一般安裝在山頂，所處環(huán)境溫度比較低，尤其是北方的山脈。這樣就對前端設(shè)備的抗低溫能力提出更高的要求。一般鏡頭的最低工作溫度為零下10度左右，但在北方寒冷的氣候環(huán)境中低于此溫度的情況普遍存在，如何保障鏡頭在這種環(huán)境下正常工作成了鏡頭廠商需要面對的棘手問題。針對這種情況，有廠家對產(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn)，并在專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，鏡頭可以在零下20度的環(huán)境穩(wěn)定運(yùn)行。同時，護(hù)罩應(yīng)該具備一些保護(hù)功能，例如預(yù)加熱功能等，保證北方寒冷環(huán)境下設(shè)備工作的需要(如圖2)。

圖2　普通護(hù)罩和圓筒形護(hù)罩比對圖

　　森林防火監(jiān)控系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢

　　森林防火在高端視頻監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)一席之地，面對環(huán)境、技術(shù)的挑戰(zhàn)，監(jiān)控系統(tǒng)不斷的完善和成熟，人性化和智能化的趨勢也是日益明顯，相信不久的將來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，監(jiān)控系統(tǒng)將更為人性化及智能化是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，人為干預(yù)的操作將越來越少。