百万像素摄像机在江苏成品油管线输油站应用浅析

2011-04-07 16:19:00 来源:安防知识网 作者:王莹
安全自动化杂志征稿

[摘要] 江苏成品油管线工程由多个分布在不同区域的站场组成,包括南京首站、镇江分输站、常州分输站、江阴分输站、无锡分输站、苏州末站、杨子泵站等七个站场及两个阀室。通过在这些站场的关键部位安装200万像素高清摄像机,实现远程网络监控,在高清显示终端显示高清图像,以便管理人员对各个现场进行实时高清监控,使有效保障厂区各点的安全。

  用户需求分析

  输油站场视频监控系统由输油站场生产场所电视监视系统和场站周界防范电视监控系统两部分组成。其主要用于对站场内工艺设备区、机房等区的生产情况和站区周界进行监视与报警。以实现对输油管道生产现场的远程实时监视,预防有人意外闯入。当发现险情时,能及时给予报警和确认等。

  按输油工艺站场生产区不同,还可分成防爆区和非防爆区,所以监控摄像机选型应根据现场环境和用户需求慎重选择。同时,合理选择摄像机,对安全生产和经济投资也非常重要。下面将结合工程实际,对输油站场监控摄像机的选择进行分析。

  在防爆区(泵棚、计量间等狭小区域),选用固定防爆高清摄像机;在大门口等开阔区域,选用固定非防爆高清摄像机。选择原因如下:

  · 节约成本。3~4个固定防爆高清摄像机的成本与1个旋转防爆摄像机的成本相当;

  · 方便监视。防爆场所摄像机一般利用建筑物棚架安装,限于位置,难免有遮挡,只有安装多个摄像机才能不留下死角,所以2台或多台固定摄像机组合使用比一台旋转防爆摄像机更经济,而且更有效;

  · 故障维修方便。防爆旋转摄像机由于有旋转云台部分,体积大、份量重,活动部分的维护量也比较频繁,根据长期实际经验,防爆旋转摄像机的故障主要在云台部分,相对而言,摄像机、镜头、防护罩出的问题并不是很多,所以选择固定摄像机还是比较经济和合理的;

  · 图像清晰度及视角表现突出。根据当前技术发展,以200万像素的网络高清防爆摄像机为例,其像素是普通摄像机(35万像素)的6倍左右(如图1所示),即使电子放大也可以看清图像细节(效果相当于数码相机4~6倍左右的变焦),而且多点电子变焦也相当于有一定范围的镜头旋转,监视范围也足够,一个百万像素摄像机的图像可以替代三个标清摄像机的图像效果。

图1  200万像素网络高清摄像机与标清摄像机监控效果比对图

  百万像素摄像机定义

  高清定义源自广电行业,按照有关标准,显示比例16﹕9、全帧率,至少能解析1080i(1920×1080)、720P(1280×720)、1080P(1920×1080)分辨率的数字信号,只有满足或超过以上标准的产品才能被归类为高清产品。

  高清百万像素网络摄像机是指能按大于12FPS 连续采集最大分辨率大于720P(1280×720),甚至超过Full HD(1080P,1920×1080)到更高的2048×1536画面的网络摄像机。[nextpage]

  满足上文高清定义中提及的高清指扫描线数垂直和水平方向都达到720P数字信号要求,可被理解为高清产品中百万像素级别。如市场上常见的1.3 Megapixel、2.0 Megapixel Video Network Camera等便是所谓的130万或200万像素网络摄像机。

  百万像素摄像机工作原理

  采用CMOS传感器作为成像器件加上高清光学镜头,逐行扫描的CMOS可以有效避免隔行扫描摄像机图像的运动模糊和撕裂等问题,画面更加细腻感人。比如某个采用1/3.5" 500万像素逐行扫描高分辨率图像传感器来实现720P、1080P高清。用500万像素CMOS作为百万像素(两百万像素)的信号源,再做后期处理,所得效果一定是百万像素源所无法媲美的。正是基于此,再配合优质的视频压缩算法(H264、MPEG4)和先进的滤波技术,使的IP摄像机具有卓越的图像画质(结构如图2所示)。

 

图2 百万像素摄像机工作原理示意图

  百万像素摄像机传输、编码压缩方式介绍

  现今,高清百万像素网络摄像机的信号传输一般有两种:一是为Mono/RAW传输,直接通过模数转换器芯片转换成数字信号不进行任何压缩编码就在网络上传输,直接将数据传输给计算机并借助计算机的处理手段在计算机中显示出来,代表产品如Prosilica GC-Series系列、Basler scout系列高清百万像素网络摄像机;另一种为编码压缩传输。目前百万像素网络摄像机编码压缩方式主要有如下几种。

  JPEG压缩技术可以说是所有图像压缩技术的基础。它适合静态图像的压缩,直接处理整个画面,压缩倍数为20〜80倍,分辨率没有选择的余地。所以要等到整个压缩文件传输完成才开始进行解压缩成影像画面,而这样的方式传输一个高解析画面须耗时数十秒甚至数分钟。

  MJPEG(Motion JPEG)则是在JPEG基础发展起来的动态图像压缩技术,它只单独的对某一帧进行压缩,而基本不考虑视频流中不同帧之间的变化。通过此压缩技术可获取清晰度很高的视频图像,而且可灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数,并且压缩后的画面还可任意剪接。但它的缺陷也非常明显:其一、丢帧现象严重、实时性差,在保证每路都必须是高清晰的前提下,很难完成实时压缩;其二、压缩效率低,存储占用空间较大。[nextpage]

  后来又出现了多层式JPEG(ML-JPEG)压缩技术,它采取渐层式技术,先传输低解析的图档,然后再补送更细节的压缩资料,使画面品质改善。这种方式所需的时间虽然与原先的方式一样,但由于可以先看到画面,所以使用者会觉得这种方式较好。

  MPEG-4于1998年10月定案,在1999年1月成为国际性标准,随后为扩展用途又进行了第二版的开发,于1999年底结束。起初,MPEG-4主要应用于视像电话(VideoPhone),视像电子邮件(VidoEmail)和电子新闻(Electronicnews)等领域,其对传输速率要求较低,一般在4800〜64000bits/sec之间。这项技术利用很窄的带宽,通过帧重建技术,压缩和传送资料,以求以最少的数据获得最佳的图像质量。MPEG-4的特点是其更适于交互AV服务以及远程监控,这是一个有交互性的动态图像标准。

  目前,MPEG-4被主要应用于三个领域:数字电视、交互式的图形应用(包括内容上的合成技术)、交互式多媒体领域。MPEG-4提供了标准的技术使其能被整合到产品、分类、内容访问等过程中去。MPEG4在网络视频监控应用中的优势主要包括以下几方面:

  · 节约存储空间:视音频全同步,码流速度40M〜120M/路/小时,是同质量的MPEG1或MJPEG的1/10;节省存储硬盘成本投入以及后期的硬盘更换费用;

  · 占用网络传输带宽少:由于压缩比是同质量的MPEG1和MJEPG的十倍多,所以网络传输时占用的带宽是同质量的MPEG1和MJEPG的1/10。如在64K的带宽上,MPEG1和MJEPG平均只能传1/2帧,而MPEG4可以传5--7帧,将大幅度节省了传输线路的租用费;

  · 错误恢复能力强:当网络传输有误码或丢包现象时,MPEG4受的影响很小并且能够迅速恢复。如在误码达到1%时,MPEG1已经无法播放,而MPEG4只会有轻微的边缘模糊;再如当网络传输由瞬间丢包现象时,MPEG1恢复至少需要10多 秒,而MPEG4只需要1~3秒;

  · 图像质量高:可以达到接近DVD的效果;

  · 可变带宽:网络输出速率从512K〜1.8M可调。

  国内外大部分百万像素网络摄像机(如AXIS)都使用MJPEG/MPEG-4视频流编码传输。

  H.264是由国际电信联盟(iTU-T)所制定的新一代的视频压缩格式。H.264最具价值的部分是更高的数据压缩比。在同等的图像质量,H.264的数据压缩比能比当前DVD系统中使用的 MPEG-2高2〜3倍,比MPEG-4高1.5〜2倍。正因为如此,经过H.264压缩的视频数据,在网络传输过程中所需要的带宽更少,也更加经济。在 MPEG-2需要6Mbps的传输速率匹配时,H.264只需要1Mbps〜2Mbps的传输速率。目前H.264已经获得DVD Forum与Blu-ray Disc Association采纳,成为新一代HD DVD的标准,不过H.264解码算法更复杂,计算要求比WMA-HD还要高。我们知道ATI从Radeon X1000系列、NVIDIA从GeForce 6系列开始绝大部分显卡均加入了对H.264硬解码的支持。在国内,以海思Hi-3511芯片开发的高清百万像素摄像机一般采用H.264 Baseline Profile @Level 2.2压缩算法。

  高清百万像素网络摄像机应属当前数字视频产品中比较领先的,质量高、功能全,应该属于业内高端产品。但此类摄像机因为有网络资源占用、不同系统兼容、设备价格等各种原因,所以还没有引起市场更多的注意。

  百万像素摄像机性能

  下面以某公司200万像素高清摄像机为例介绍百万像素摄像机的性能:

  · 图像传感器:1/3.2英寸CMOS传感器,自动日/夜转换;

  · 分辨率:1600 ×1200 2百万像素,15FPS;

  · 压缩方式: H264 、MPEG4及 M-JPEG可选;

  · 灵敏度:彩色0.9Lux ,黑白0.03 Lux;

  · 信噪比:>45dB;

  · 工作温度: 0〜50摄氏度;

  · 相对湿度:90%相对湿度,无冷凝;

  · 工作要求:24小时连续工作;

  · 手动变焦高清镜头;

  · 焦距:3.8〜12mm等效变焦镜头;

  · 光圈:F1.4。[nextpage]

  百万像素视频系统在江南成品油管线输油站的实现

  系统结构

  百万像素摄像机是江南成品油管线输油站数字工业电视系统的前端设备,在摄像机与操作显示终端间采用以太网络连接,用户可通过系统操作软件在显示终端进行高清图像浏览,通过网络在数字录像机上进行录像存储,整体结构如下图3。

图3  江南成品油管线输油站数字工业电视系统图

  前端百万像素摄像机安装

  在江南成品油管线的南京首站、镇江分输泵站、常州分输站、江阴分输泵站、无锡分输站,苏州末站,扬子泵站的输油泵棚及阀组区都安装百万像素高清摄像机,由于现场为防爆区域,因此摄像机应安装在防爆防护罩内,以满足现场防爆要求。进出防爆防护罩的专用电缆包括摄像机电源线及UTP网线,线缆自防爆防护罩连接到安装于防爆箱内的摄像机电源及以太网光收发器,之后再连接到站内网络交换机。通过传输网络及网络交换机,实现与站内的NVR、浏览终端及远程调控中心网络设备联网。

  前端百万像素摄像机图像及本地浏览

  百万像素摄像机的网络图像可以通过网络无缝接入站内工业电视主机,用户通过工业电视主机软件,在同一软件界面下,可以调用百万像素的视频图像(1600×1200),同时也可以浏览本站的标清摄像机的视频图像(720×488)。高清图像可以由工业电视主机实现高清录像,用户可以实现高清录像回放。图四是高清摄像机的浏览软件界面及高清图像视频效果。

  前端百万像素摄像机图像远程调控中心视频浏览

  百万像素摄像机的图像可以通过网络无缝接入到站内的工业电视主机,并与远程调控中心以专用千兆网络联网。在调控中心设置客户端,用户可通过工业电视主机软件,调用整个江南管线所有站的百万像素视频图像(1600×1200);同时也可以浏览整个江南管线所有站点的标清摄像机图像。根据用户要求在调控中心设高清DLP大屏幕,通过增加支持高清解码的网络虚拟矩阵控制器,可以同时解码高清视频及标清视频,并在50寸大屏上显示,从而可获得极佳的视频效果。图五是江南线百万像素摄像机在DLP屏上的显示效果。[nextpage]

  百万像素摄像机特点及未来选择

  在可预期的将来,百万像素摄像机将不断的发展。百万像素网络摄像机较传统标清模拟摄像机、普通标清网络摄像机具如下优势:

  · 采用百万像素级传感器,能获得更多的视频信息,一般可达1280×1024、1392×1024、1628×1236甚至2048×1536的分辨率;

  · 图像显示质量更高,能够更好地捕捉细节;

  · 逐行扫描CCD/COMS的动态画面表现得更流畅;

  · 可支持HDTV的宽屏输出模式(16∶9);

  · 覆盖面更广,相同监视区域可替代多个标清固定点摄像机和一个带云台和变焦镜摄像机。

  从当前市场推出的高清百万像素网络摄像机来看,采用的压缩方式仍然以RWR/MJPEG/MPEG4 /H264为主,而在其带宽、传输速率方面没有更加明确的量化数据,使得用户虽然了解其超高的图象质量,但仍然对其在如此高图质下的图像连续性和传输所需的带宽产生疑虑。因此这类产品在选择时需要注意如下几点:

  · 确切了解高质量图像的实际带宽、传输速率等量化指标,并针对项目的网络资源进行科学评估;

  · 采用CCD还是COMS感光芯片,若CCD芯片方案,其采用何种(单通道/多通道)“输出平衡”技术,帧速率是否满足实际需求;

  · 光学镜头的配合问题,必须配套使用工业级百万像素镜头,否则无法体现出高清摄像机的高清画质优点;

  · 充分考察此类产品在低照度环境下的实际表现,尤其是厂商采用何种技术来补偿低照度下的成像质量;

  · 考察此类产品的软件功能及SDK技术支持,以便与其它系统或其它设备兼容使用。

  结语

  随着用户对现场细节高清显示的需要提高,加之千兆光纤网络通讯的日益普及,网络带宽将不再是百万像素摄像机应用的瓶颈。百万像素摄像机能从130万到500万,甚至1000万像素,可有多种选择来满足不同用户的要求;同时基于百万像素摄像机的高清PTZ球、高清压力球及防爆高清摄像机等多种类产品的推出,使得一定能满足用户在不同应用下的需求。可以相信,百万像素摄像机在各种石油石化环境下势必越来越普及,应用将会更加广泛。

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[责任编辑:kunny]

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