高空瞭望监控系统设计规划解决方案研究

     高空了望是指在距离地面50～100米，乃至100米以上的位置布设云台摄像机以实现方圆一公里到十几乃至几十公里范围的视频图像监控。 

      高空了望不同于普通的图像监控，它着力于在较高的位置实现大范围的图像精确监控，是一种既兼顾大场面，又实现具体目标特写拍摄的视频监控手段。高空了望技术可以弥补普通图像监控手段无法避免环境物体阻挡、视野范围较小的缺点，从而实现基本无阻挡的大范围监控。

      高空了望用途很多，包括城市消防监控、城市重点目标监控、城市治安监控、森林消防监控、机场周界保安监控、城市环保监控、防空安全监控、边境防卫监控、小区防卫监控、厂区监控……

      在很多这类场合中，环境是相当复杂的，采用普通摄像机与监控设备的组合方式在5－20米的空中布设，由于环境阻挡以及摄像机本身的局限性，要完全实现基本无阻挡的全面监控相当困难，而普通前端云台的不稳定性更是造成了图像的“不可用”。而高空了望利用其足够的高度，配合摄像机云台的性能可以轻而易举地实现大范围的精确监控，如果再辅助以普通的图像监控，效果则更佳。

      高空了望系统的实施难度

      高空了望系统用途广泛，监控成果斐然，那么为什么真正成功实施的高空了望系统并不多呢？原因在于高空了望系统的实施有一定的难度，特别是其核心部分的云台摄像机系统的稳定性、望远能力、精确控制能力、夜视能力、自我保护能力是影响高空了望系统成功实施的重要因素，而周边配套设施的组合，特别是后端控制软件的实施也是影响其建设的重要因素。

      为什么说前端云台摄像机的性能会影响高空了望系统的实施呢？原因有以下几个方面：高空了望系统由于布设高度较高，一般在50米以上的高空，风速以及基础自身的晃动较为严重，因此云台的抗风能力以及自身的运行间隙控制是影响图像稳定的一个关键；由于云台摄像机布设位置极高，而目标的监控范围也至少在1公里以上，最远可能达到几十公里，那么如何配置摄像机、镜头辅以云台的稳定性使远处的图像尽收眼底也是系统配置的一个难点；由于高空了望所覆盖的范围较大，普通的照明灯根本不可能实现远距离的照射，因此设备自身的低照度能力就成为了夜间高空了望系统实施的唯一有效手段了；而架设于高空的云台摄像机如何自我清洁、防锈防雷、除霜抗冻也是高空了望系统中的一大难点。可见要成功实施一个高空了望系统是非常复杂的。

      高空了望解决方案

      难点并非不可克服的，以兆维泰奇推出的基于日本三神一体化高精度可编程云台摄像机系统所实现的高空了望解决方案为例，该方案形成了一套真正可应用于实践的解决方式，并由前端云台摄像机、传输线路以及后端计算机控制部分组成。

      作为整个高空了望解决方案核心的前端云台摄像机选择是极其重要的。有效的克服普通云台摄像机的弱点，是成功实现高空了望的关键。该解决方案选择了日本三神高精度一体化可编程云台摄像机作为整个系统的前端。

      高空了望的根本优势是“居高临下”，因此大面积的覆盖是必须达到的指标，三神一体化高精度可编程云台系列产品以其高稳定性和高精度的设计，可以搭载各类超长焦距镜头，无论20×、22×、23×、25×、35×、50×、55×、86×、100×变焦镜头皆可“海量以容之”。选择三神不同的云台产品，其内置的摄像机焦距范围可以从3.6mm延伸到2322mm，轻易实现10km以上的大范围高清晰度监控应用。

      另外，高空了望的范围可以从1公里到几十公里，不难想象，普通的照明灯、红外灯是根本无法实现夜间监控照明的，那么夜间的高空了望问题如何解决呢？该系列产品拥有专门为低照度环境而设计的超低照度产品，通过搭载专用3CCD超低照度摄像机，以及配套的大孔径专业镜头为辅助，配合专门设计的云台、防护罩电路，可以使夜间的图像变得清晰可见。最低0.00005Lux的照度指标无论是在夜间城市、森林、海港均可获得彩色的监控图像，无论物体在100m还是5km，无需红外灯，皆可清晰监视。

      几公里乃至几十公里的高空视频监控是一个很大的范围，因此利用必要的手段来“精确”操纵云台是一个很大的问题。该系列产品不是一般的简单转动机构，而是一个结合计算机和智能化技术所实现的一个可编程管理和控制的智能化设备。利用云台、护罩以及内置专用智能化电路功能，应用程序可以就设备的任何参数进行双向的控制和管理，包括水平转角、垂直转角、雨刷动作、回转速度、镜头光圈、变焦距离、对焦距离、快门速度、白平衡方式、增益强度等等均可双向传输和控制。利用这些特性，哪怕是基于精确的坐标定位的应用控制都变得轻而易举、唾手可得。

      拥有了优秀的前端云台摄像机就意味着能够构建成功的高空了望系统了吗？答案是否定的。用户对未来的监控系统要求是一个以计算机、网络技术为基础的、结合全方位的设备控制能力，而实现的一个基于视频的快速反应系统。因此，高空了望系统也同样需要先进的后端处理平台来实现全方位的系统控制。前端云台摄像机的图像和控制可以通过光端机或者先进的数字视频编解码设备传输至后端控制中心，该选型可以因地制宜。

      后端管理中心获取了控制信息和视频信息后如何进行处理呢？简单地通过矩阵或者传统的DVR、云台控制键盘实现人工非定量的控制是绝对不可能真正发挥高空了望系统的功效的。原因有三：第一，高空了望摄像机监控范围极广，从几公里到几十公里的范围，即使后端再慢速的控制也会导致前端图像聚焦点极快的移动速度，这样根本不可能精确地把一个需要监控的图像放置在画面的合适位置；第二，由于监控距离极远，因此可能导致视角范围只有零点几度，过小的视角范围，人眼很难分辨所监控的位置实际是在哪里；第三，假如需要跟踪变速运行的物体（如起飞的飞机），仅仅通过手动摇杆操纵根本不可能实现云台、聚焦点的联动变速。因此在不排除控制键盘的前提下，真正能够发挥高空了望系统功效的是一个以GIS（地理信息系统）为基础，以全功能云台直接控制为手段，辅助云台全方位的控制能力实现的一个“所选即所见、所见即所现”的高空了望系统。

      针对一个高空了望的区域环境，可以首先建立该区域的GIS系统，以形成一个监控范围的数字化地标。每一个被安装的高空了望摄像机可以以定点的方式在地图上进行显示。构建完基础平台后，可以通过RS485直接、精确控制前端云台的每一个动作，并通过云台的返回状态功能精确地获知云台的当前状态。

      合理地组合各种功能，可以实现应对于各行各业的高空了望解决方案，以下就几个基本的高空了望功能进行简单地描述：

      *固定重点监控位置的快速定位：任何一个高空了望区域中必定存在一些固定的重要目标（该特点在城市高空了望监控中尤为突出，一些城市的重要建筑往往是固定不变的重要目标），这些目标在监控的时候，需要快速地定位视频图像。可以利用云台所拥有的255个预置位以及极高精度的预置位再现能力实现对这些固定目标的监控图像再现。GIS系统可以以固定点位的方式显示这些重点目标，一旦用户选择该目标，则可监视该目标的一台或者多台摄像机可以通过计算机直接获得预置位再现指令，此时监控管理计算机或者监视器可以同时显示出该目标的一个或者多个摄像机的多角度图像。充分利用智能路径选择功能以及高速回转能力，实现该目标的定位往往时间不会超过2秒；

      *任意位置的监控定位：除了固定目标外，也许用户需要任意选择一个位置进行视频实时监控（该特点在森林或者海域、空域监控中尤为突出，往往这些环境中任何一个位置都是需要进行监视的，而该环境又没有特定的重点目标）。针对这样的监控点，预置位的再现是无法覆盖的，因为这样的点也许是无限多的；而针对这样的监控，普通的云台摄像机也是无法完成的，因为普通的云台摄像机根本不可能实现绝对位置的精确定位。然而，利用先进的云台摄像机系统以及GIS系统却可以毫不费力地定位每一个视频监控点。用户可以直接在GIS系统上点击一个位置，利用GIS的计算功能，系统能够自动选择1－4台可“看到”该点的高空摄像机。利用简单的立体几何计算，系统可以马上计算出每一个云台“看到”该目标点所需要转动的水平角、垂直角、焦距，计算机把这些参数传递给前端的云台摄像机，那么不超过3秒的时间，后端的管理人员就可以马上在PC或者监视器上看到该目标不同角度的图像；

      *监控目标的地图定位：监控人员看到一个目标后，也许根本不知道该图像在地图上是那个位置（该特点在森林、城市的夜间监控中尤为突出，以消防应用为例，超大范围的图像监控在发现远距离的火灾点后管理人员也许根本无法在夜间快速定位该火灾位置在哪里），此时利用该云台的信息回传能力，控制计算机可以快速获得发现该图像的云台当前的水平转角、垂直转角、镜头变焦值、镜头焦距等几个重要参数。在GIS系统中快速计算这几个参数，那么GIS就可以在最多1秒钟的时间内显示出该摄像机当前所监控区域的扇形角，以及聚焦位置的大致地图范围。该功能为广域的图像定位提供了一个较为快捷与精确的手段。

      当然，高空了望的控制系统决不仅仅是实现以上三个功能，各种不同的应用场合可以根据自身的需要定义不同的应用，包括高空摄像机的定轨迹寻检、随意轨迹寻检、监控目标跟踪监控、监控位置坐标定位等各种功能。甚至可以把视频智能检测的应用引入到高空了望中，诸如通过高空了望摄像机实现高空不明飞行物的检测、水域异常行进船只的识别等等。

      需要高空了望解决方案的场合往往是很特殊的场合，如：山区的低温、森林的高潮湿环境、海岸的高腐蚀性，即使是城市高空了望也必须面对50米以上高空的强大风力。这样也就需要组成高空了望解决方案的核心设备——高精度可编程云台一体机可以针对这些特殊环境提供专门的解决方案。