森林防火视频监控项目中常见问题的解决

　　森林火灾是林业最可怕的灾害，它会给森林带来最有害，具有毁灭性的后果。森林火灾不只是烧毁成片的森林，伤害林内的动物，而且还降低森林的更新能力，引起土壤的贫瘠和破坏森林涵养水源的作用，甚而导致生态环境失去平衡。尽管当今世界的科学在日新月异地向前发展，但是，人类在制服森林火灾上，却依然尚未取得长足的进展;于是森林火灾预防和发现比扑灭更具现实意义。森林防火视频监控就是利用长焦镜头配合低照度摄像机来获取图像，通过无线方式传输到监控中心，为火灾的预防和发生灾情时提供第一手资料起着至关重要的作用。下面就某市的森林防火视频监控系统中遇到的较为典型的问题和解决方法做个简单的分析，为类似系统建设时提供些许建议。
　　项目概述
　　某市的森林防火系统通过在辖区森林公园的主要高点安装视频监控点，来监控林区的日常情况，并利用视频分析软件定时对林区进行扫描，智能的判断是否有警情发生。前端监控点采用太阳能、风能互补供电，采用微波无线传输技术将图像传输到指挥中心。由指挥中心的林火识别软件对画面进行分析。系统结构相对简单，但对前端视频摄取图像系统、传输系统、视频分析系统的要求并不低。前端成像系统采用自动聚焦透雾镜头和超低照度透雾摄像机。
　　系统中的技术难点
　　下面就前端视频图像摄取系统中的技术难点作简单分析。
　　1、由于林区没有照明系统，且没有配置主动激光照明系统，满足夜间的防盗监控需求就对监控系统提出了考验。一些品牌采用在镜头和摄像机中加装可见光截止滤光片的方法实现透雾功能，使得夜间的图像质量不如人意，在透雾与低照度之间无法平衡。
　　2、本系统采用太阳能、风能供电，供电电压不够稳定。在供电不稳定(基本在系统正常工作范围内)的情况下，给依靠电压差来判断镜头预置位功能的解码器提出了更高的要求。往往造成了镜头预置位“跑偏”、模糊等现象。
　　3、本系统采用无线传输方式，在前端将摄像机输出的模拟视频经过编码器的编码转化为数字信号传输到监控中心，监控中心再将图像进行解码后显示在大屏幕上。由于编码、传输、解码的过程中不可避免的产生了延时，且不断的叠加，最终造成整体系统的延时较大。如果一旦监控目标不在清晰视场，监控中心的人员在有系统延时的情况下对前端的镜头进行聚焦操作是很难实现的。
　　4、由于长焦镜头多使用在全天候监控环境中，自动光圈技术的应用就必不可少了。但随之而来的问题是景深随光圈的调整不断变化，尤其是夜晚光圈全部打开，使得白天可以清晰观察到的物体在此时可能会变得模糊。另外，长焦镜头给我们带来了更加广泛的观测场景，在同一个画面中，可能会同时出现近、中、远景目标同时出现的情况，我们需要对不同距离的目标进行监控。通常监控人员需要不断对镜头进行聚焦，以达到理想的观察效果。如果画面模糊，将直接影响到监控中心视频检测软件的检测正确率，特别是在无人值守的情况下。
　　5、由于采用长焦距镜头，将镜头焦距拉到最长时，镜头的视场角不到1°，而云台受风力影响会造成云台的晃动，使得画面抖动较为厉害。这样画面对图像检测非常不利。
　　技术难点的解决思路
　　针对以上提出的问题，笔者认为可从以下几方面加以解决。
　　1、对于夜间监控问题，可以增加主动光源解决，例如采用激光夜视系统。但此系统造价较高，且激光的寿命和衰减影响夜视效果，不容忽视的问题。根本的解决办法是采用大口径、大光圈镜头配合超低照度摄像机来实现夜间的监控。镜头的前口径是决定镜头采集光的量的一个重要指标，目前镜头可达到100mm以上的前口径，进光面积较一般80mm口径的镜头增加50%以上。低F值将使大口径镜头获取的光线有效的加以利用，采用375mm镜头的F值有2.3，和一般镜头的2.5相比(平方数比较)提高了18%;配合最低照度可达0.004Lux(不适用帧累积)的摄像机。综合上述几个技术点，可以有效缓解夜间监控的迫切需要。
　　2、本项目中要求具备透雾功能。一般品牌镜头和摄像机组成的成像系统采用的是在镜头或摄像机中加装可见光截止滤光片的方式来实现白天的透雾。但是夜间照度降低，摄像机就会切换到黑白模式，此时CCD前就切换上了可见光截止滤光片上。原本夜间照度就差，现在又人为的将可见光全部过滤掉，得到的画面可想而知。KOWA镜头在对800nm以上波长的非可见光(透雾模式时的成像波长)增透外，并没有加装可见光截止滤光片，这样就保证了其优秀的光通量。日立摄像机的透雾模式是将靶面上成像的图像经过DSP分析后，将可见光滤除掉，只保留非可见光的成像。但在夜景模式时，又不开启滤除技术，这样就保证了夜间监控时获取完美的画面。
　　3、鉴于系统采用的风能、太阳能的互补供电方式，造成电压的不稳定是不可避免的，若要从根本上解决精度问题，只能想办法将镜头的预置位信号更换为数字信号。自动聚焦镜头采用内置解码技术，将镜头中的预置位信息转化为RS485信号，将预置位信息数字化。在系统调用一个预置位时，不再需要聚焦位电压多少伏，而是直接告诉镜头，我要将焦距聚到多少毫米上，由镜头自己完成聚焦工作。这种方式将大大提高预置位的调用精度。
　　4、以上问题需求中提到的需要人工聚焦的情况，如果采用自动聚焦的镜头，将彻底解决此类问题，也将终结延时对前端聚焦的影响，因为无论延时多久，镜头已经在图像输出时将画面聚焦清晰了。由于长焦镜头焦距的增长使得控制聚焦成为了操作员工作中的一个主要操作。在早期的短焦产品(100mm以下)中，监控距离最多几百米。由于距离短，只要调整好摄像机和镜头后焦，几乎不需要对监控物体进行聚焦操作。但是随着焦距增长到1000mm的今天，监控距离延伸到了几公里甚至十几公里，在这么长的纵向距离上进行聚焦操作就成了一件痛苦的事情。同时，云台每变动一个角度，都要对画面聚焦。增加工作量的同时也对清晰画面的获取带了障碍。针对这种情况，可选用自动聚焦系列产品，自动聚焦产品将有助于改善这种局面。下面我们来看看自动聚焦的如何提高了监控效率。
　　• 画面发生变化
　　当画面中的物体有移动时，也就是我们关注的画面的焦点发生了变化，这是需要重新聚焦，而镜头可以自动执行聚焦操作，让整个画面始终保持清晰。比如画面中的人物由远及近时，镜头自动聚焦功能会不断分析当前画面并聚焦，使人物在画面中始终保持清晰状态。
　　• 执行变焦操作
　　当我们放大或缩小一个画面，这中间必然会有一个变焦的过程，这使我们的关注点也不同了。在变焦过程中镜头会不断的自动聚焦，使得停止变焦后马上得到清晰画面。
　　• 对云台进行操作
　　当我们对云台进行转动操作时，画面必然发生变化，即使是轻微的变化，镜头也会启动自动聚焦功能，让每个画面始终清晰如一。
　　如果没有自动聚焦，操作人员几乎在每个操控动作后都要进行聚焦操作，是件非常繁琐的事情。
　　5、对于画面晃动的问题，可以通过以下方法解决。
　　• 利用更加稳定云台、护罩
　　护罩除了采用传统的方形护罩外，还可以采用风阻系数更小的圆筒型护罩。这类护罩由于有弧面将大大减少风力对整体稳定性的影响。另外云台的机械间隙也是造成画面晃动的重要因素，云台一旦制造出来，机械间隙就固定存在了，故无法解决。
　  • 加入图像稳定器
　　视频稳定算法的主要原理是：估计当前帧相对于前一帧(或者参考帧)的运动，并通过算法得到描述两帧图像间变化的变换矩阵;然后，利用变换矩阵对当前帧图像进行校正，使得视频信息相对稳定。其主要功能为：稳定的视频可以更好地表现图像细节，从而提高视频监视的质量;实际中，图像抖动不利于人眼对图像的分析和观测，又易引起监控人员的视觉疲劳，视频稳定可改善这一状况;另外，稳定的图像为后端的数字视频记录设备提供了更有利于压缩的视频源，可大大提高压缩比，在相同码流下可以获得更高质量的图像(如图1)，或者说在相同图像质量下，大大降低数据流量，利于多点同时观看。
     
　　图1　加入图像稳定器后的效果对比
　　其他森林防火监控中遇到的其他问题
　　森林防火监控的摄像头一般安装在山顶，所处环境温度比较低，尤其是北方的山脉。这样就对前端设备的抗低温能力提出更高的要求。一般镜头的最低工作温度为零下10度左右，但在北方寒冷的气候环境中低于此温度的情况普遍存在，如何保障镜头在这种环境下正常工作成了镜头厂商需要面对的棘手问题。针对这种情况，有厂家对产品进行了改进，并在专业的实验室进行测试，镜头可以在零下20度的环境稳定运行。同时，护罩应该具备一些保护功能，例如预加热功能等，保证北方寒冷环境下设备工作的需要(如图2)。
      
　　图2　普通护罩和圆筒形护罩比对图
　　森林防火监控系统未来的发展趋势
　　森林防火在高端视频监控应用领域中占据一席之地，面对环境、技术的挑战，监控系统不断的完善和成熟，人性化和智能化的趋势也是日益明显，相信不久的将来，随着技术的不断发展和创新，监控系统将更为人性化及智能化是不可逆转的趋势，人为干预的操作将越来越少。