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高速球型摄像机功能与技术并进应用与创新共存

高速球作为监控市场的主力军,各项技术已发展的相当成熟,而其在交通、机场、能源、公共场所等多个领域均可见其身影...
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    高速球作为监控市场的主力军,各项技术已发展的相当成熟,而其在交通、机场、能源、公共场所等多个领域均可见其身影。据A&S【2007/2008中国摄像机市场调查】显示,2007年中国摄像机市场总量约800万台,其中球形摄像机(包括高速球、匀速球等摄像机)占市场总量的10%,由此得知,2007年中国已有近80万台球机在应用。


    而随着球机使用的规模化,用户对其也开始了解与熟悉,但在安防业内还存在一定程度的假产品、假指标等各种不和谐因素的干扰,这对市场的健康发展造成了阻碍。


     据A&S【2007/2008中国摄像机市场调查】显示,2007年中国摄像机市场总量约800万台,根据摄像机的外形,统计出枪型摄像机、球形摄像机(包括高速球、匀速球等摄像机)、半球型摄像机分别占市场总量的55%、10%、35%。由此得知,2007年中国已有近80万台球机在应用。


   在人们的印象中,球机一般指高速球,匀速球因其转速低等缺陷制约了其发展。在现实生活中,交通道路、机场、校园、公共广场等诸多领域均可见高速球的身影。从上述数据可知,高速球在当前中国的安防应用中已具一定规模,同时越来越多的用户也开始对其有所了解和熟悉,但在安防业内还存在一定程度的假产品、假指标等各种不和谐因素的干扰,这对市场的健康发展造成了阻碍。


主要元器件,球机的基础保证
    高速球作为集成度相当高的产品,已逐渐向模块化方向发展,其将云台系统、通讯及控制系统、摄像机系统集成到一个球体内。据广州伟昊科技有限公司技术推广工程师刘奕介绍,任何厂家的高速球,都有一个起着主导作用的集成机芯,其由一体化彩色摄像机、控制主板(含解码器)、云台电机、导电滑环及机械传动部件等组成。


一体化摄像机
    一体化摄像机(也称机芯)是球机的“眼睛”,是优质视频的保证。当前各球机厂家采用的机芯主要分为日系与韩系两大类,其中日系机芯主要有索尼(SONY)与日立(HITACHI)。


    据金三立视频科技(深圳)有限公司市场部工程师张治国介绍,这两家公司所生产的机芯内嵌镜头变焦倍数不尽相同,但却是互补的,一般18倍与26倍的较多是SONY机芯,而13倍、23倍及35倍则多采用日立机芯,两类机芯所实现功能及视频效果基本相同,但在细节处还有一定差异。SONY机芯的视频图像的彩色偏暖,色彩柔和,较符中国人的视觉效果,而日立机芯偏冷。其次,SONY机芯的照度较低,自动聚焦速度及彩转黑速度也略胜一筹。另一方面,SONY机芯技术稍稳定,界面友好,二次开发较灵活。天津嘉杰电子有限公司开发工程师李运通解释道:“除此之外,SONY的价格透明度较高,索尼公司、总代理与分代理之间的价格相差很小。”


    正因如此,SONY机芯在中国市场的认可度处于优势地位,据天津亚安科技有限公司总工程师张藻介绍,在全国平安城市建设中所使用的摄像机SONY机芯占绝大部分。同时天津天地伟业数码科技有限公司智能球产品经理亢力也表示,甲方与工程承包商对SONY机芯认可度相对较高,在工程招标时某些甲方甚至会指定摄像机机芯必须是SONY的。而日立为了更好的满足中国市场需求,最新推出的机芯采用其最新改进版DSP,其具宽动态、高灵敏度、高分辨率、低噪点、数字图像翻转等特点,另外隐私区域屏蔽达4个点位,同时具有模拟和数字输出功能,数字输出无须通过解码器即可直接输出高质量图像,大大降低了系统成本。

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    另外,在监控市场上,包括LG、CNB、三星在内的韩系机芯在某些球机厂家也有使用。但由于韩系机芯在光线处理方面略显不足,导致视频颜色存在差异,传输方面也易出现丢祯现象,但因其价格较便宜,因此在中低端市场较多使用。金三立的张治国认为,机芯与球机厂家所生产的产品定位一致,若公司注重高端产品,其所选用的机芯会相应高档,而球机厂家会根据客户要求灵活选配一体化机芯。


电机
    高速球的大脑为控制主板,而电机在其中扮演着发动机的作用,二者优势的结合实现了球机旋转的精确定位。对电机最主要是要求在旋转过程中平滑性要好,转动时不能产生惯性,以免图像缺乏稳定或定位不精确,因此电机的可靠性决定了高速球的稳定和不间断使用的性能。


    据上海美赞美数码科技有限公司总经理唐海峰介绍,当前国内球机厂家较多使用步进电机和传动皮带,以令机芯进行水平与垂直方向的转动。其具有制造成本低、定位控制精确、使用寿命长等诸多优点,并解决了控制和噪音问题。其通过高细分精准的电机驱动方式,最大程度地提高了球机定位精度,又减少了在低速高变倍状态下的图像抖动,减轻了监控人员的视觉疲劳。据介绍,美赞美公司球机就选用日本富士高细分步进电机,其不仅指定供应的电机要增加细分型驱动器,更要求能将精确计算出的球机负载、转矩、惯量、转速、精度及加减速度提供给球机中央处理器。天津亚安张藻也表示,电机厂家会统一根据客户的要求,对各参数进行修改,以适应高速球厂家的要求。


    目前,某些国外球机厂家也有采用直流电机,直流电机运行时噪音较小,比较平稳,使用寿命也更长。据厂家资料显示,三星、松下采用的涡轮涡杆传动方式的直流电机结构紧凑,传动比大,工作稳定,解决了齿轮的降速比不能太大的矛盾,而蜗轮也可达到精确的小角度转动,还可自锁。而三洋则采用精密齿轮组的直流电机,此种方式可有效解决皮带传动的松弛现象,提高机器的整体性能。深圳金三立的张治国则表示,步进电机产品成本高,控制系统较复杂,若厂家改换直流电机,整个球机的控制及设计也要随之修改。


导电滑环
    导电滑环即电刷,其由大小两个环构成,其中一个环静止不动,而另一个则可以转动,在两环间存在电刷。控制线、电源线与视频线进入球机后则连接在导电滑环一端,转动环端出线连接摄像机、电机与解码板,这样球机内的机芯就可通过电刷的转动实现水平360°无限制的绕圈运动,并可实现90°垂直自动翻转。


    据深圳英飞拓科技股份有限公司市场总监黎志洪介绍,在选择滑环时主要考虑其使用寿命、耐磨性、表面光洁度和安装尺寸,若在旋转过程中产生摩擦,则会影响视频效果。据笔者采访调查得知,由于国内制造业的日益发达,球机厂家目前所选用的滑环也逐渐倾向于价格较低,供货周期短的国产品牌,较之进口品牌,国产滑环已有明显优势。


    除此之外,高速球还包括解码板、主控CPU板、字符叠加器等部分,PELCO技术支持经理田亚平认为,高速球内部的各个部件是相辅相成的,在选择高速球时不仅要看其某个元器件,还要看其综合效果。


关键性指标,工程商重要选择
    随着高速球的日益发展,球机厂家也使出浑身解数,在产品的各种技术性能指标上下功夫。一些中小企业为了追求“高”指标进行虚报,使得充满泡沫的指标在一些厂家普遍存在。


    据上海安保飞沃特设备工程有限公司技术总监庄子恒介绍,在选用高速球时除清晰度与照度等最基础指标外,比较关注的包括监看距离、预置位、转速及精确度等。

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监看距离
    高速球所能监看的距离远近与其镜头的焦距有关,理论上其光学变焦倍数越大,所能看到的范围就越大。


    由于球机的监看范围是全方位的,因此其视场角与其它摄像机不同,所监看的范围也不尽相同。在厂家标明的变焦倍数中,要看清楚其长焦与短焦的数值,而看的距离的远近事实上是成像问题,因为还要涉及看到景物的大小。本刊技术顾问凌宁解释说,球机的监看距离要以能看清目标物体为准。比如,可以清晰地看清路上行驶车辆的牌照和看清更远距离的建筑物,这两者相比则看清车牌的变焦倍数较为出众。


    天津嘉杰李运通解释说,一般带26倍光学变焦的一体机可以看清100米左右的范围,而随着当前用户的需求,球机的变焦倍数也逐渐朝大倍数方向发展,随着SONY的36倍光学变焦一体机的推出,LG、三星光电子也先后推出具有37倍光学变焦的一体机。而其同时认为,要根据实际情况选择球机倍数,不必一味追求大倍变焦。


预置位
    用户可根据监控需求,设置一系列预置点、每个预置点监看时间及由若干预置点组成的巡航组,即可使快球在预设时间内对不同区域按某一路径进行巡视。天地伟业亢力介绍,天地伟业所生产的智能球机内置看门狗定时激活功能,可根据用户需求在菜单中预设某一时间监看某一方位,在预定的驻留时间后,仍可继续监看其他预置点,极大程度地降低了监看人员的劳动力。


    针对当前某些厂家的产品其预置点数已达300多个,上海安保飞沃特庄子恒认为,在工程中并不需要太多预置位,如在十字路口一般只需10个左右的预置点即可,某些厂家声称有多少个预置点,事实上工程中并不会用到,仅仅是为了投标进行的炒作而已。由于高速球在某段时间仅能监看一个区域,因此工程商常常会采用多个固定方向、固定焦距的摄像机取代之,也能达到类似的监看效果。


转速与精确度
    高速球发展至今,基础技术已较为成熟,其旋转速度也是较重要的指标之一。据查看多数厂家资料得知,当前球机的预置位转速已普遍在280°/s以上,某些厂家已高达450°/s。美赞美的唐海峰认为,摄像机的自动聚焦速度与人眼是无法相比的,因此某些厂家号称高转速其实无实际意义,一味的高速反而降低了球机的可靠性。事实上,转速越快,对电机的性能影响也就越大,会降低电机的使用寿命。


    天地伟业亢力认为,用户除关注转速外,对其定位精度也较为注重,其不仅与电机性能、机械传动部件的精度有关,也与球机控制的软件算法有关,因此在选购器材及算法上要非常注意。目前国内主流厂家的预置位定位精确度一般控制在±0.1°,据说某些厂家可达到±0.05°。


    除此之外,一些厂家还开发出一些特殊功能,如上海诚丰数码设备有限公司的球机具备预置位误差自动校准功能,可在预置位偏移情况下自动进行校准。

 
    另外,手控转速也是用户常关注的,当前球机厂家手控水平速度最快可达500°/s,垂直为360°/s,但天津嘉杰的李运通认为,高速球手动控制并不是越快越好,在高速情况下,人眼根本无法看清任何物体,因此在300°/s左右是最理想的,而高速球的比例限速功能也可在摄像机倍数越大的情况下将速度变慢,有利于定位监视。


    而用户在慢速下的手动控制极为看重。天津天下数码视频有限公司总经理韩冰解释说,随着高速球的变倍数越做越高,则会要求最低速度越来越低,而从应用的角度看,手控速度的大小要以看清画面为基本原则。天津亚安的张藻举例说,其公司对低速做过相关试验,若在0.01°/s的低速下,看300米远的目标物体,每转动0.01°,目标所转距离约为0.3米,而在0.1°/s的速度下,每转动0.1°其距离则为3米,因此手动控制的低速要非常低才最好。


    除以上几个技术指标外,其清晰度、最低照度等也在工程商的考虑范围之内。

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    因此美赞美唐海峰认为,多数工程商除对球机的旋转平滑稳定度、成像清晰度关注外,还会在选择时查看球机的机械结构是否合理可靠、摄像机机芯品质,而不是一味相信厂家所提供的技术指标。PELCO的田亚平认为,某些球机在最初使用时效果很好,但过不了多久就需要维护或调试,因此在产品选择上要实际了解用户的需求及球机长期工作的稳定性,而指标仅仅是作为投标时的“敲门砖”,不能完全相信技术指标。


环境适应性,解决多区域使用
    众所周知,高速球经常被使用在室外视野开阔的区域,需要每天24小时连续不间断的工作,因此其不但要具备高度稳定性,在不同环境下的适应问题也要充分考虑。


注重防水
    由于夏季雨水较多,雨水进入球机内部会影响机器电路和视频效果,因此多数厂家除采用双层球罩外,在防护罩与球罩间的连接处也较多采用防水胶圈以避免防护罩进水。


    除此之外,也有不少厂家在防水方面下了诸多功夫,如天津嘉杰的球机通过遮阳罩上的导水盘及其间的透气道开闭装置,可同时满足南方多雨透气及北方冰冻保湿的不同需求。而遮阳罩透气孔外延的挡边设计及球罩底部的防水槽,可有效阻止污水进入球机透明罩内影响视频效果,同时在球机内置干燥剂,可针对进水温度降低产生的雾气,除潮去湿。


    针对雨水浸入球机问题,PELCO也在出售产品的同时为客户配备润滑密封油,将其涂抹在球罩四周,即可保证球机的密封性及润滑性,增强球机的防护等级,但由于工程商在安装时常易忽略,因此较少有人在使用。


高低温设计
    中国地域辽阔,不同区域气候差异较大,南方多雨潮湿,北方干燥寒冷,因此高速球在不同区域使用时的高低温适应能力要特别强调。美国诺尔升安控集团市场部经理陈秋根解释说:“高速球经过近几年的发展,自身性能已可适应不同环境的使用,厂家大多在球机内安装加热或排热装置,来达到内部温度平衡。”


    针对高温环境下球机的散热问题,天下数码韩冰说,球机的遮阳罩可起到降低内部温度的作用,除此之外,内设的抽风装置(即风扇)可将外部空气抽入球机内得到有效的冷热空气循环。风扇一般安装在球机内壁上,可对球机内部进行散热,而某些厂家则将其安装在电源板底部或机芯上端,以进行针对性散热。据PELCO田亚平介绍,由于球芯内大规模集成电路在工作中会散发热量,因此PELCO在集成电路表面添加一层特殊的导热材料,可通过这些材料将热量散发出去。某些厂家会根据球机所使用的不同区域增加降温设计,如销往北方地区只安装一个风扇,而在南方地区使用的球机安装两个风扇,以促使内部空气流通。


    另外在低温环境下球机要保持正常工作,就必须安装加热模块,其可通过温度传感器感应球机内部温度,在温度较低情况下,自动加热。天地伟业亢力介绍说,除利用温度传感器外,还可采用数字温控模块,其可直接控制风扇与加热器,在低温时加热,同时开启风扇转动,将内部温度搅匀。


    球机厂家除设计增降温装置外,对球机所能适应的温度范围也有严格的检验。据天津亚安张藻介绍,其公司所设计的每一款产品都会做相应的高低温测试,每年会对所生产的产品做4次例行检验,即随意抽查部分球机在-40°-70°的环境下连续180小时工作,通过检验才可出厂,以保证产品可适应-35°-65°的环境。


    另外,美赞美唐海峰表示,球机在某些特别恶劣环境下使用时更要特别注意。如在西藏使用的球机要经过特殊处理,除内置温控处理外,也要根据西藏地区特有的地磁、强光等问题进行针对性设计,又如在藏南环境恶劣地区,球机内也可能要充惰性气体,以保持球内环境及保护元器件不受氧化。

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避雷问题
    由于夏季易发生雷雨天气,而球机又多使用在室外空旷区域,雷击可能导致球机内部电路被破坏,因此球机避雷问题也尤为重要。据金三立张治国介绍,雷电是无法预见的,因此厂家要考虑在球机内置防浪涌及防感应雷保护电路,尽管不能将雷击问题100%的解决,但是能尽量地减少雷害的破坏。


    雷电可分为直击雷与感应雷两种,直击雷即直接击中球机,可通过安装避雷针进行化解。而感应雷则是通过球机的视频电缆、控制电缆、电源电缆感应出高电压强电流来损坏球机,因此常常需要在球机内增加防雷模块。当然在工程实施中工程商也会采取一些辅助措施,比如球机的视频电缆、控制电缆、电源电缆尽可能全程钢管穿敷,钢管埋地,这样对线缆进行屏蔽保护,使最大限度地降低感应雷侵袭的几率。


未来:多方向发展
    随着高速球使用的普及、用户认知度的不断提高,以及人们对特殊场合运用等综合因素的考虑,基础态的高速球已无法完全满足用户的需求,而高速球功能也随技术的不断发展日趋更新与完善。近年来,不少球机厂家根据用户的特殊需求,逐渐开发出更多适应发展趋势的产品,以满足监控市场的需求。


网络高速球
    据了解,目前主流厂家基本已实现网络化。据PELCO田亚平介绍,从模拟球机过渡到网络球机,仅需在球机内部增加一个网络模块,这样既具模拟摄像机的基本功能,又可实现网络化,完成了模拟球机到网络球机的升级,有效降低成本。


    但天津嘉杰的李运通表示,网络球机涉及到网络平台的问题,需运营商提供一个平台,但网络平台是不会免费提供的。由于网络问题,当前网络高速球需求并不大。用户在使用网络球时主要考虑其清晰度及网络带宽的问题,而清晰度当前一般都可达到CIF,因此带宽则是当前主要考虑的问题。球机图像传输与存储都需要传输网络的带宽支持。目前网络高速球普遍还存在延迟问题,PELCO田亚平解释说:“其延迟主要包括三个方面,即高速球本身的延迟、编码器延迟与中心解码器的延迟,而高速球的延迟仅占其中1/3,因此PELCO网络球所标明的117ms的延迟为这三者之和。”


红外夜视高速球
    为了解决低照度下视频图像的监控效果,目前高速球厂家大多采用彩转黑摄像机,当环境照度达到较低的数值时,摄像机由彩色模式转换为黑白模式,以使其适应夜晚低照度环境。但由于此种模式在夜晚更低照度下还不能达到令人满意的效果,因此有的球机厂家也尝试增加红外光源来解决图像监控效果的问题。


    据笔者采访得知,当前红外高速球主要有两种设计,一种是当前较多使用的在球体内的一体机两旁添加红外灯,但由于透明罩的反光,会影响视频效果,所以一体机和光源要分开设计,同时要解决红外灯的散热问题;另一种是直接去掉透明罩,添加红外灯。


    但对于红外灯的诸多问题,球机厂家已开始针对性地解决。据美赞美唐海峰透露,其公司已研发一款红外高速球,目前正在检测完善中。据介绍,在防反射方面,红外光源模块与摄像机分区域隔离,以有效解决反射问题,而在散热问题上,主要采取低功耗设计,采选带后置外散热设计的红外发光源,而在球机内部设计进出流通散热通道,以保证内部环境的热量及时排除。另外发光源的灯体散热性能也是选择发光源的关注重点。据了解,该款球机的发光源模块独立成型可进行更换,在使用时可直接嵌入到球体内部,这样当发光源寿命达到极限时只需要更换光源模块即可。

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无线传输方式
    由于某些地区偏僻,不易布线,因此在使用球机时也有人曾设想通过无线方式进行信号传输,以解决边远地区无法敷线的困难。


    天下数码韩冰介绍说,这些应用一般会通过GPRS或GSM方式进行传输,但由于带宽问题,图像信号传输会有延迟。,另外,也可通过IP模块构建一个无线的局域网,这样在网内进行监看,可以适当改善延迟问题。“除上述方法外,还可以通过微波进行传输,但要求区域空旷无阻挡,因此若传输区域内存在阻隔,可相应增加中继器,此种方式较多使用在山区、港口或海军基地等特殊区域。”PELCO田亚平接着解释。


视频智能分析技术
    据天地伟业亢力介绍,目前业界所称的“智能球机”仅是通俗叫法,并未实现真正的智能。其仅是在球机基本功能基础上增加一些特殊功能,如自动巡航、目标快速定位等。而真正的智能化可有两种实现方法,一是增加智能模块,将模块的智能功能输入到球机的控制中;另一种则是将模块的算法直接植入球机的DSP芯片中。智能功能可包括图像智能分析、视频处理、人脸识别等功能。


    当前部分厂家(如松下、三洋、三星等)开发出的自动跟踪功能,其主要利用高速DSP芯片对图像进行差分计算,可自动识别视场范围内物体运动的方向,并自动控制云台对移动物体进行追踪,再辅以高清晰的自动变焦镜头,自动跟踪随目标物体进入球机视场范围直至离开视场的所有时间内,并将其所有的动作清晰地传往至监控中心,为监控中心监控提供了可靠证据。此自动跟踪功能,较适合使用于防范等级较高的无人值守的场合。


    而除以上多个发展方向外,球机厂家还在其他方面对球机进行改进。如利达斯系统有限公司所生产的机器人高速球机,将球机从传统相似的造型中解放出来。其公司经理助理金宗敏介绍,该球机虽与普通球机原理无太大差别,但厂家在结构设计上进行了重大改进,其具防水、防爆、防弹、防破坏、防腐蚀等五项设计标准,且其镜头内配备雨刷,可防止雨水进入影响视频效果,另外部分机器人球机还可进行水平、垂直360°翻转,以实现全方位无盲区监控。

 
    当前,一体化摄像机光学变焦的倍数逐渐增大,变焦后的图像不可避免出现抖动现象(特别是桥梁、铁路、港口等领域),于是市面上也出现了相关的防抖技术。但是,据实际了解效果并不十分明显。另外,内置光端机等类型的快球也逐渐应用在一些特殊领域里,使得快球的应用领域更加广泛。


结语
    随着高速球的广泛使用,其已成为监控市场不可或缺的角色。美赞美唐海峰表示,随着电机、摄像机、智能控制技术的提升,其可靠性也会进一步提高,也会更加适应各种环境。另外随着行业的细分,球机也将朝着模块化方向发展,高画质精确成像、联动性能也将是其未来重点研发方向。诺尔升公司的陈秋根也认为,目前高速球的发展方向已逐步和IT业靠近,在未来也会出现更人性化的智能化产品,以满足监控市场的需求。

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