长焦光学防抖镜头在铁路视频监控中的应用

着我国轨道交通建设的飞速发展，视频与安全技术达到新的高度。

为保证轨道交通运输安全
与效益，视频监控系统的建设、应用及维护管理越来越受到重视。

在列车运行时，监控中心能够实时发现铁路沿线行车前方障碍物并提前作出反应是确保运营安全性、及时性的重点所在，突发的泥石流、滑坡等情况更是给行车安全带来较大隐患。

铁路沿线风霜雨雪雾较多，环境因素经常导致视频前端的监控图像效果不佳。

由于大雾造成可视范围降低，大风、列车运行监控上的设备抖动造成图像模糊，无法正确分辨目标物，影响视频监控的有效性。

目前，我国在铁路视频监控防抖应用方面，较多采用摄像机数字防抖技术，但效果并不明显，特别是镜头在长焦状态下，画面的分辨率下降明显。

因此，基于高清长焦镜头
的光学防抖技术应运而生，将推动行业技术应用与发展。

1 抖动对长焦镜头成像的影响
铁路沿线环境恶劣，尤其是当监控前端设备安装在较高的铁塔上时，稍有风吹或地面振动均可引起设备抖动。

当长焦镜头处于广角状态时，较小的设备抖动对画面效果影响有限，但当镜头处于长焦状态时，微小的抖动都将引起图像模糊。

因此，设备抖动对长焦镜头影响较大（见图1、图2），需进一步研究。

以长焦焦距1 000 mm镜头为例（见图3），当设备抖动0.1°时，广角端抖动幅度占整个画面的0.45%，画面抖动不明显；但当镜头处于长焦段时，抖动幅度占整个画面的22.00%，画面抖动严重，无法监看。

因此，在铁路沿线的视频监控中，设备抖动对图像质量的影响不可忽视，如何减小设备抖动对图像的影响是铁路视频监控系统亟须解决的问题。

长焦光学防抖镜头在铁路视频监控中的应用
王其成，郭卫华
（深圳中天银河科技有限公司，广东 深圳 518048）
第一作者：王其成（1977—），男，工程师。

摘 要：随着安防监控的快速发展，以“光机电一体化”为发展方向的光学镜头相关技术在视频监控领域 得到广泛应用推广。

以高清、透雾、防抖等为代表的视频图像技术逐渐成为安防监控领域长焦光学镜头 的标配功能。

在铁路沿线环境恶劣情况下，如何保证前端设备稳定有效运行，减少环境因素对视频图像的干扰，是亟须解决的问题。

重点分析铁路沿线监控前端设备抖动对成像质量的影响，从技术原理及实际应用出发阐述长焦镜头光学防抖技术的特点，对比应用效果及优势，为铁路视频监控系统的建设提供更多选择，推动行业技术应用与发展。

关键词：长焦光学镜头；光机电一体化；高清 ；透雾；防抖
随中图分类号：U284 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2018）10-0090-05DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2018.10.090
2 技术特点及应用效果
减小因设备抖动引起的图像模糊常用3种方案：（1）陀螺平台+伺服机构。

主要应用在军事上，如飞机、坦克、军舰等，但成本高、体积大，在安防上几乎无法应用。

（2）电子稳像技术（电子防抖技术）。

其技术性能主要取决于软件算法的优劣，效果千差万别。

（3）光学防抖技术。

在广播电视领域应用多年，技术成熟，取得较好效果。

2.1 电子防抖技术
目前，电子防抖技术在视频监控领域应用较多，基于数字信号（DSP）处理器及软件算法实现，常见有摄像机内置的数字防抖功能及电子稳像器防抖等，算法的优劣直接影响防抖性能。

电子防抖完全依靠数字处理技术实现，通过降低画质来补偿抖动。

该技术试图在画质和画面抖动之间取得平衡，虽然成本较低，但效果较差。

电子防抖技术实质上就是对多副图片边缘处理并合成的过程，因此开启电子防抖后对视频成像的视角及像素均有影响（见图4）。

2.2 光学防抖技术
光学防抖（Optical Image Stabilization，OIS）是通过镜头内置的陀螺仪侦测到微小的位移或角度偏移，将抖动信息转化成电信号发送给OIS控制驱动器。

控制器中心处理单元立即计算需要补偿的位移或角度，通过驱动马达控制补偿镜片组件动作，根据镜头的抖动方向及位移量加以补偿镜片相应调整位置和角度，使光路保持稳定，避免因抖动引起图像模糊。

光学防抖镜头单元组成结构见图5。

在光学防抖镜
图1 设备抖动对广角端的画面影响
图2 设备抖动对长焦端的画面影响
图3 设备抖动对镜头成像的影响
图4 图像电子防抖技术原理
图5 光学防抖镜头单元组成结构
水平抖动0.1°
上下抖动0.1°
云台
广角 短焦画面 长焦画面
窄角
θ2=24.90°
θ1=0.45°
1
2
3
电子防抖OFF 电子防抖ON
水平移动
垂直移动
透镜
陀螺仪
光学防抖控制器
光学防抖单元
头中，补偿镜片通过以下方式实现垂直、水平移动：首先，补偿镜片被磁力包裹，处于悬浮状态，因此当马达控制补偿镜片的组件移动时镜片没有任何物理磨损；其次，为提高光学防抖单元长期工作的稳定性，对光学防抖控制器中的驱动器集成电路（driver IC）选择很关键；另外，与driver IC匹配的光学防抖马达的选择至关重要，这些技术的应用及硬件的选择将决定光学防抖镜头长期工作的精准性及可靠性。

目前，在安防监控领域，光学防抖镜头防抖动频率可达到3～10 Hz，有效防抖动幅度（补偿量）为0.05°。

防抖部件充分考虑到产品的耐用性、可靠性，达到工业级应用水平，可长期使用。

镜头防抖幅度示意见图6，图中箭头方向为镜头光轴在摄像机成像面上移动的方向（垂直或水平）。

假设摄像机成像面大小为AB ，镜头的光心为C ，当设备开始抖动时，镜头内的补偿镜片进行移动补偿，使目标点成像焦点落在成像面的对应点上。

当加大设备抖动的频率或振幅时，目标点的图像在画面中开始移动，达到补偿镜片的最大光学补偿幅度范围，可定义此时的抖动幅度（补偿镜片的光学补偿幅度）为镜头在该焦距下的最大防抖动振幅。

以1 000 mm长焦光学防抖镜头为例，防抖振幅（镜片的光学补偿幅度）计算如下：
OA （OB ）= f 2×tan b =1 000 mm×tan0.05°=
0.872 66 mm≈0.87 mm，
式中：OA 、OB 为设备抖动时补偿镜片在成像面上移动幅度的大小；f 1为广角时的焦距；a 为广角时设备最大抖动角度；f 2为长焦时焦距；b 为长焦时设备最大抖动角度。

高清摄像机常用靶面规格为1/2.0 in和1/1.8 in，若配合1 000 mm镜头使用，当防抖振幅约0.87 mm时，计算视频图像偏出量对显示屏画面占比见表1。

例如，
使用1/2.0 in靶面的高清摄像机匹配防抖镜头使用，补偿镜片在水平及垂直方向上移动的最大幅度占摄像机靶面的比例为：0.87÷6.97≈0.12=12%（水平）；0.87÷3.92≈0.22=22%（垂直）。

计算可知，补偿镜片的补偿移动幅度较大，如镜头没有光学防抖功能，画面抖动严重，无法监看。

镜头的光学防抖技术是由抖动补偿透镜装置根据光轴偏移进行移动，通过磁力滑动悬空状态的抖动补偿透镜，可使成像焦点处于摄像机CMOS（互补金属氧化
物半导体）的成像面上。

镜头的光学防抖过程见图7。

表1 视频图像偏出量对显示屏画面占比 mm
注：宽∶高为16∶9
图6 镜头防抖幅度示意图
图7 镜头的光学防抖过程
（a）没有抖动时，光轴与成像面垂直，
焦点在CMOS成像面上，图像清晰
（b）抖动发生时，光轴与成像面形成夹角，
焦点不在CMOS成像面上，图像模糊
（c）开启光学防抖，补偿镜片组移动使得光轴
与CMOS成像面重新垂直，图像清晰
成像面
A
O B
C （+）目标点
a b
f 1
f 2
应采用不低于1 080P、750 mm长焦激光高清摄像机进行昼夜监视，线路单点监控范围不应小于1.5 km，全天24 h高清监控”，对铁路沿线视频监控系统的建设和完善提出了更高要求。

在铁路沿线恶劣的环境下，不仅要求随时“看得见”而且还要“看得清”，光学防抖镜头具备以下优点：
（1）防抖技术在广播电视、电影、摄像等领域应用较早，技术成熟，符合铁路视频监控系统建设稳定可靠的先导原则。

（2）铁路监控用光学防抖镜头防抖级别低于广播电视等领域，满足铁路视频监控建设经济性要求[2]。

（3）长焦防抖镜头在整个焦段能够进行有效防抖。

通过相关应用测试及对监控视频画面的分析表明，因操控（云台的水平与俯仰动作）、拍打和环境等影
响，长焦防抖镜头产生的抖动频率为3～10 Hz，抖动幅度不超过整个画面的1/10。

可见，抖动频率越高，可接受的抖动幅度越小。

因此，长焦防抖镜头在长焦端的防抖能力应在抖动频率、抖动幅度这两方面综合评估。

3 结束语
随着视频监控技术向着高清化、网络化、智能化方向发展，深度学习、机器视觉技术的快速发展也加速了视频监控的智能化应用发展，镜头及前端设备不断改进。

长焦监控镜头作为整个铁路沿线的“眼睛”，其质量及功能将直接影响整个监控系统的性能。

镜头光学防抖技术作为一项成熟可靠的实用技术，不仅能大幅改善铁路沿线恶劣环境下的视频图像质量，提高应急处理效率及管理水平，也为铁路视频监控工作迈向智能高效的道路上提供更好的选择。

参考文献
[1] 铁总建设〔2016〕18号 中国铁路总公司关于发布 设计时速200 km及以上铁路区间线路视频监控设置 有关补充标准的通知[S].
[2] 于格，张超岳，田长超. 高铁线路高清长焦激光
摄像机关键技术指标[J]. 中国铁路，2016(11)：
54-59.
责任编辑 李葳
收稿日期 2018-05-23
2.3 光学防抖与电子防抖技术区别
光学防抖技术：利用补偿镜片组的补偿，通过摄像机CMOS图像传感器清晰成像后再由摄像机内置DSP图像处理器进行压缩处理，然后进行视频传输。

电子防抖技术：镜头只负责图像采集，摄像机传感器成像后需先通过内置图像处理器内核算法进行图像防抖处理，然后再进行视频压缩处理，最后进行视频传输。

光学防抖与电子防抖技术区别见图8。

电子防抖开启后，图像视角变窄，视频传输延时增大，因此电子防抖是通过缩小图像拍摄区域处理抖动图像，显示时再次放大，图像清晰度不佳。

光学防抖开启后，图像视角不发生变化，视频传输无影响，图像清晰度不会因抖动的补偿而下降，抖动幅度更广、更大。

2.4 应用效果
镜头的光学防抖技术是通过镜头本身进行光学性的修正，视频无延时，视角无变化，是全高清、全画面、有效的防抖技术。

设备在一定抖动频率及振幅下对光学防抖影响对比见图9，开启后图像清晰度得到保障，达到高清图像标准及要求。

铁总建设〔2016〕18号文件[1]
规定：“铁路线路
图8 光学防抖与电子防抖技术区别
（a）抖动频率下
图9 设备在一定条件下对光学防抖影响对比
（b）振幅下
光学防抖
O ptical I mage S tabilization 电子防抖
E lectronic I mage S tabilization 镜头内 OIS
光学补偿镜片群 传感器
EIS 图像处理
Abstract ：Following the rapid development of security and protection monitoring, the optical lenses related technologies with the optical, mechanical and electronic integration as the development trend has been widely applied and promoted. The VI technology with such advantage as high definition, anti-fog and anti-shake performance has gradually become the standard configuration function of telephoto lens used for security and protection monitoring. When the railway operation environment is poor, it becomes quite urgent to guarantee stable and effective function of the front-end equipment and reduce the interference to the VI from environmental factors. The paper analyzes the influence of front-end equipment shake onto the imaging quality, explains the features of optical anti-shake technology of telephoto lens, compares its application advantage with other lens, in a bid to provide more options for railway video monitoring and promote the application and development of the technology.
Keywords ：telephoto and optical lens ；optical, mechanical and electronic integration ；high definition ；anti-fog ；anti-shake
WANG Qicheng ，GUO Weihua
(ZhongTian Galaxy ，Shenzhen Guangdong 518048，
China)。