七種方法為智能交通系統(tǒng)選擇適用的相機(jī)

智能交通系統(tǒng)中（ITS）是將先進(jìn)的信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合的運(yùn)輸和管理系統(tǒng)。這其中，相機(jī)的應(yīng)用無處不在。作為ITS的“智慧之眼”，相機(jī)質(zhì)量與性能至關(guān)重要。

智能交通領(lǐng)域所需的感光芯片通常需要具備全局快門技術(shù)及高靈敏度，通常采用大像素，這樣即使在曝光時(shí)間很短的情況下也能清晰成像，因此符合高速成像的要求。

集成商和 OEM 可以遵循以下指南來為 ITS 找到合適的相機(jī)。

智能運(yùn)輸系統(tǒng) （ITS） 可提高運(yùn)輸?shù)陌踩院蜋C(jī)動(dòng)性、提高生產(chǎn)力、促進(jìn)執(zhí)法并最終有助于創(chuàng)收。但是，在為 ITS 選擇相機(jī)時(shí)，如果不考慮惡劣環(huán)境和特定應(yīng)用的需求，就會(huì)使系統(tǒng)難以成功。此外，眾多的選擇也讓人很難知道應(yīng)該從何處著手。

相機(jī)在 ITS 技術(shù)中主要應(yīng)用于交通監(jiān)控、自動(dòng)車牌識(shí)別（ALPR；在英國叫做自動(dòng)號(hào)牌識(shí)別，簡稱 ANPR）、訪問控制、高承載車輛 （HOV） 的車道監(jiān)控、停車執(zhí)法、速度管控執(zhí)法和資產(chǎn)保護(hù)等應(yīng)用場景。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，可能需要不同類型的相機(jī)和系統(tǒng)。所有設(shè)置都會(huì)帶來各種難題，例如相機(jī)設(shè)置需要較長的電纜，必須能夠承受惡劣環(huán)境，以及為了快速反饋而需要具有邊緣處理能力的嵌入式系統(tǒng)等。仔細(xì)考慮這些因素可以確保系統(tǒng)成功、降低擁有成本并且其運(yùn)作可適應(yīng)未來的需求。本文介紹了一些常見的難題，以及應(yīng)對(duì)這些難題和成功實(shí)現(xiàn) ITS 的方法。

01

圖像質(zhì)量

在為 ITS 應(yīng)用程序研究相機(jī)時(shí)，所有計(jì)劃都必須從圖像質(zhì)量開始。對(duì)于 ANPR/ALPR 應(yīng)用場景，系統(tǒng)有兩個(gè)主要任務(wù)：識(shí)別相機(jī)的視場中是否有數(shù)字/車牌，然后解碼車牌。兩個(gè)任務(wù)都可能出錯(cuò)。成功的 ANPR/ALPR 系統(tǒng)需要高質(zhì)量的圖像，以便軟件能夠執(zhí)行光學(xué)字符識(shí)別 （OCR） 和光學(xué)字符驗(yàn)證 （OCV） 任務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和集成商需要功能強(qiáng)大的相機(jī)。

圖像傳感器質(zhì)量差的相機(jī)無法生成高質(zhì)量的圖像，因此圖像傳感器一定是關(guān)鍵考慮因素之一。由于室外照明條件的變化，ITS 場景的亮度可能變化很大，而無論光照條件如何，相機(jī)都必須能夠捕獲圖像中最亮和最暗的部分并提供其數(shù)據(jù)和細(xì)節(jié)。對(duì)相機(jī)檢測高光強(qiáng)度、最大和最小光強(qiáng)度的能力的衡量稱為“動(dòng)態(tài)范圍”；分貝值 （dB） 越高越好。Sony Pregius 和 Pregius S 系列等高品質(zhì)圖像傳感器采用全局快門 CMOS 圖像傳感器，可提供較高的動(dòng)態(tài)范圍靈敏度，是各種 ITS 應(yīng)用的理想選擇。

Teledyne FLIR 的 Blackfly S 系列相機(jī)提供一系列基于 Sony Pregius 和 Pregius S 圖像傳感器的相機(jī)型號(hào)。這些相機(jī)從 160 萬像素到 2600 萬像素不等，適用于各種不同的 ITS 任務(wù)。例如，BFS-PGE-161S7C-C（彩色）和 BFS-PGE-161S7M-C（單色）相機(jī)配備 1610 萬像素的 Sony IMX542 Pregius S 傳感器，動(dòng)態(tài)范圍 70.46 dB，飽和能力 9609 e-，在 470 nm（藍(lán)光）下測得的量子效率為 45.76%，525 nm（綠光）下為 52.26%，630 nm（紅光）下為 33.49％。在應(yīng)用場景不需要高分辨率相機(jī)的情況下購買這種相機(jī)會(huì)增加整個(gè)項(xiàng)目的成本，但如果考慮到未來的場景，這樣做就是合理的。例如，集成商和 OEM 制造商可以考慮未來的運(yùn)營情況，為道路的擴(kuò)展提前做好準(zhǔn)備，以避免以后更換低分辨率的相機(jī)。

02

捕捉顏色

顏色是另一個(gè)重要的質(zhì)量指標(biāo)。在 ANPR/ALPR 的情況下，黑白圖像用來顯示車牌，而彩色圖像則用來為具體的情況提供背景信息（交通燈、顏色編碼的道路交通標(biāo)志等）。在用車輛上安裝的相機(jī)來檢查是否存在車輛停放不當(dāng)?shù)那闆r下，顏色也很重要。例如，在西班牙，街道上的藍(lán)線表示駕駛員必須付費(fèi)的停車位，而綠線則表示該停車位是留給附近居民的。嵌入式視覺系統(tǒng)可以自動(dòng)檢查是否存在違規(guī)行為，但需要高質(zhì)量的色彩再現(xiàn)才能做到這一點(diǎn)。

圖像傳感器對(duì)光照有特定的響應(yīng)（量子效應(yīng)），而每一種光照條件（例如，日光）都有其自身的發(fā)射光譜，從而影響圖像捕捉時(shí)的顯示情況。量子效率決定了圖像傳感器將光子轉(zhuǎn)換為電子的能力，而這種效率會(huì)隨著波長的不同而變化。色彩收集工具將每個(gè)顏色通道與其他通道之間的相互作用考慮在內(nèi)，并獨(dú)立設(shè)置每個(gè)顏色通道的幅值。顏色校正矩陣測量并補(bǔ)償這些相互作用，以更準(zhǔn)確地再現(xiàn)特定對(duì)象的真實(shí)顏色。這在細(xì)微的顏色差異就會(huì)對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響的應(yīng)用場景中尤其重要。

相機(jī)和視覺系統(tǒng)有時(shí)在處理反射和反射面（如玻璃）的眩光時(shí)可能會(huì)遇到困難。例如，如果 ITS 在進(jìn)行 HOV 車道監(jiān)控時(shí)想要觀察一輛車的內(nèi)部情況，而太陽光的反射和眩光可能導(dǎo)致相機(jī)無法捕捉車內(nèi)的圖像。Teledyne FLIR 提供兩個(gè)基于 500 萬像素 Sony IMX250MZR 單色偏振傳感器的相機(jī)（一個(gè) GigE 相機(jī)，一個(gè) USB 相機(jī)），以及一個(gè)基于 500 萬像素 Sony IMX250MYR RGB 偏振傳感器的相機(jī)（USB3 相機(jī)）。

圖 2：偏振相機(jī)即使在可能存在眩光或反射的困難情況下也能捕捉汽車內(nèi)部的圖像。

03

硬件專家

ITS 行業(yè)中的有些集成商和 OEM 可能在軟件而非硬件方面擁有更多專業(yè)知識(shí)。選擇、測試和優(yōu)化硬件是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但有經(jīng)驗(yàn)的相機(jī)供應(yīng)商可以提供項(xiàng)目技術(shù)咨詢并在相機(jī)的選擇和設(shè)置方面提供幫助。對(duì)于并非由供應(yīng)商提供的附件和服務(wù)，包括鏡頭、線路、外殼和軟件開發(fā)，還應(yīng)推薦值得信賴的合作伙伴。

OEM 和集成商還需要在設(shè)計(jì)和開發(fā)階段提供支持，并在系統(tǒng)設(shè)置和軟件咨詢方面提供幫助。用戶應(yīng)選擇那些通過系統(tǒng)工程師和支持團(tuán)隊(duì)相結(jié)合的方式提供這些服務(wù)，并且經(jīng)常打電話確認(rèn)的相機(jī)公司。在選擇硬件提供商之前，最終用戶還應(yīng)就系統(tǒng)支持，以及提供商處理客戶關(guān)系的方式提問。

04

SWaP-C 和性能

SWaP-C 是研發(fā)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域的常用術(shù)語，它代表“尺寸、重量、功率和成本”。所有應(yīng)用類型都需要 SWaP-C 最佳的設(shè)備、系統(tǒng)和程序。ITS 應(yīng)用也不例外。近年來，低成本的板級(jí) ITS 相機(jī)已逐漸普及。但性能縮水的相機(jī)并不能滿足要求。這些相機(jī)必須在 SWaP-C 和性能之間取得平衡。Teledyne FLIR 取得這種平衡的一種方式是保證其所有板級(jí)相機(jī)的功能集與盒裝版相機(jī)相同。

圖 3：盡管采用緊湊型設(shè)計(jì)，Teledyne FLIR 板級(jí)相機(jī)提供的功能集與盒裝相機(jī)相同。

ITS 的一個(gè)趨勢是部署高分辨率相機(jī)，以覆蓋公路上的多個(gè)車道。例如，以前使用配備低分辨率圖像傳感器的板級(jí)相機(jī)的集成商可能會(huì)希望將 130 萬像素的相機(jī)升級(jí)為 890 萬像素，或 1200 萬像素的相機(jī)。但如果新相機(jī)與之前型號(hào)的相機(jī)外形不同，集成商就要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和重新認(rèn)證。Teledyne FLIR 為不同分辨率的板級(jí)相機(jī)采用相同的外形規(guī)格，因此，集成商可以更容易地升級(jí)系統(tǒng)。

05

嵌入式轉(zhuǎn)變

和機(jī)器視覺市場一樣，ITS 已經(jīng)開始向采用低功耗、小型化設(shè)計(jì)、具有邊緣計(jì)算功能的嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。一提到 ITS 中的嵌入式系統(tǒng)，首先想到的應(yīng)用場景可能是車載系統(tǒng)，但嵌入式系統(tǒng)幾乎可以適應(yīng)任何 ITS 或智能城市應(yīng)用場景。

集成商應(yīng)對(duì)一些流行的嵌入式硬件選擇進(jìn)行適用性評(píng)估。例如，相機(jī)能否與 NVIDIA 的 Jetson TX2 或 Xavier 嵌入式模塊配合使用？許多 ITS 應(yīng)用場景涉及復(fù)雜的算法，需要一個(gè)能夠處理這些算法的系統(tǒng)。

為此，Teledyne FLIR 推出了適用于 TX2 的 Quartet 載板。它專為 ITS 應(yīng)用場景而定制，允許客戶直接將四個(gè)板級(jí) USB3 相機(jī)連接到 TX2，無需集線器或轉(zhuǎn)換器。采用同軸線纜供電的電路板中每個(gè)連接器都有自己的總線，因此不需要與其他連接共享帶寬。例如，利用 Quartet，集成商可以同時(shí)部署用于總體背景的高分辨率彩色相機(jī)、用于 ANPR/ALPR 的單色相機(jī)，以及偏振相機(jī)，以觀察擋風(fēng)玻璃后的情況，所有這一切都可以通過單一連接的一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

圖4：Quartet 載板專為 Jetson TX2 而設(shè)計(jì)，可在空間受限的應(yīng)用場景下連接四個(gè)相機(jī)。

06

堅(jiān)固耐用、可靠

ITS 應(yīng)用場景下采用的相機(jī)必須能夠在物理方面滿足處理任務(wù)的要求。例如，對(duì)于車載應(yīng)用，集成商必須考慮相機(jī)在極端溫度下運(yùn)行的能力。雖然許多相機(jī)集成在保護(hù)性外殼中，以承受風(fēng)雨天氣的影響，但相機(jī)仍需具備在高溫（超過 50 攝氏度）下工作的能力；Teledyne FLIR 確保其所有型號(hào)的相機(jī)都成功通過 HALT 試驗(yàn)（高加速壽命試驗(yàn)），保證相機(jī)在 -30 到 80 攝氏度之間不會(huì)發(fā)生故障。

在選擇相機(jī)時(shí)，集成商還必須考慮沖擊和振動(dòng)。相機(jī)必須符合沖擊和振動(dòng)的行業(yè)規(guī)范，以確保圖像質(zhì)量和系統(tǒng)的長期可靠性。在購買相機(jī)時(shí)，集成商應(yīng)研究其所接受的測試類型。Teledyne FLIR 相機(jī)的振動(dòng)測試是有公開記錄的。

一般而言，ITS 相機(jī)必須有極高的可靠性。借用體育界的一句老話，“最重要的能力是能上場”。相機(jī)必須能夠長時(shí)間執(zhí)行所需的任務(wù)，而不會(huì)發(fā)生故障或損壞，并且無需更換。所有 ITS 集成商都知道在已經(jīng)部署的系統(tǒng)中更換相機(jī)的成本和麻煩。集成商可以通過選擇經(jīng)驗(yàn)證可在 ITS 環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行多年的高品質(zhì)相機(jī)來避免這種不便和尷尬。

07

時(shí)間戳和 GPS 數(shù)據(jù)

GigE Vision 相機(jī)之所以在 ITS 應(yīng)用中很受歡迎，原因有很多，其中就包括支持超長的電纜。另一個(gè)原因知道的人略少一些，那就是其能夠支持 IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議 （PTP）。支持 IEEE 1588 PTP 的相機(jī)可在曝光的時(shí)間點(diǎn)準(zhǔn)確地為圖像加蓋時(shí)間戳。此外，該標(biāo)準(zhǔn)還提供了一些高級(jí)功能，例如允許多個(gè)相機(jī)根據(jù)基于時(shí)間的內(nèi)部命令來進(jìn)行圖像的同步采集，而無需外部觸發(fā)。

圖5：路徑延遲經(jīng)計(jì)算可納入同步設(shè)備時(shí)鐘過程中。主設(shè)備將兩個(gè)信號(hào)發(fā)送到位于 （1） 和 （2） 的從動(dòng)裝置。然后輔助設(shè)備將信號(hào)發(fā)回 （3），計(jì)算路徑延遲并用于同步時(shí)鐘 （4）。

該標(biāo)準(zhǔn)很重要，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)與外部硬件同步，并將 GPS 數(shù)據(jù)嵌入到圖像流。例如，準(zhǔn)確檢測出違反限速（無雷達(dá)）的車輛。兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間戳可以幫助確定車速是否超出速度限制，而兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的精確圖像時(shí)間也可以簡化高精度速度分析的過程。

時(shí)間戳對(duì)基于門架的自動(dòng)收費(fèi)執(zhí)行也很重要。時(shí)間戳不準(zhǔn)就不會(huì)生成整車圖像；時(shí)間戳必須同步才能執(zhí)行收費(fèi)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，購買前必須考慮時(shí)間戳的需要。

系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)

目前市場上的一些相機(jī)不可避免地會(huì)出現(xiàn)故障，令人頭痛，更不用提損失的時(shí)間、資金、聲譽(yù)和公眾信任了。請(qǐng)記住，在評(píng)估相機(jī)時(shí)一定要考慮圖像質(zhì)量、硬件靈活性、嵌入功能、物理設(shè)計(jì)和可靠性，以及時(shí)間戳和 GPS 數(shù)據(jù)的重要性。只要考慮了這些因素，集成商就為整個(gè)系統(tǒng)的成功奠定了基礎(chǔ)。

Teledyne FLIR 提供一系列堅(jiān)固耐用的緊湊型工業(yè)相機(jī)，能夠可靠地部署到各種 ITS 項(xiàng)目中，可以滿足從低分辨率 （130 萬像素）一直到針對(duì)多車道覆蓋的高分辨率（2000 萬像素以上）的各種需求。立即聯(lián)系我們，了解我們的相機(jī)如何改變您的 ITS 應(yīng)用，無論是現(xiàn)成產(chǎn)品，還是根據(jù)您的特定需求提供定制產(chǎn)品。

圖 6：Teledyne FLIR 的 Blackfly S 等相機(jī)采用 Sony 最新的 Pregius 和 Pregius S 系列 CMOS 圖像傳感器技術(shù)。

審核編輯 ：李倩