关于城轨车辆视频监控画面频闪的研究

林浩

摘  要  本文根据城轨车辆上使用的摄像机和LED照明系统的工作原理，结合实际案例，对城轨车辆视频监控画面频闪的原因进行分析和试验，最终确定频闪现象是由于摄像机快门时间与LED照明驱动脉冲信号的频率不匹配导致，并总结一些在设计中可以避免的措施，也为今后城轨车辆上出现类似问题提供借鉴和参考。

关键词 城轨车辆  视频监控 频闪 

引言

如今，国内城市轨道交通发展迅速，各种新技术、新产品不断应用，其中视频监控和照明作为车辆最基本的两个功能，其技术也在不断更新发展。旨在提高车辆舒适性、安全性的同时，这两个系统之间也可能会产生了一种棘手的问题——频闪。本文结合实例对城轨车辆监控视频画面频闪现象进行研究，分析频闪产生的原因，总结出避免城轨车辆视频监控画面频闪的措施。

1  概述

1.1  频闪

频闪，是指在一个电器的屏幕里看另一种电器的屏幕，另一种电器的屏幕会有一条亮线从屏幕的底部推移到顶部，又从底部出现，反复循环下去的一种现象，给人的感觉就是图像在闪烁。在生活中，如果将手机对着LED灯光或者电脑屏幕拍照时，也常常会观察到这种现象，如图1。

图1  生活中的频闪现象

1.2  车辆案例

如图2所示，在城轨车辆有时也会出现频闪现象，从司机室监控显示屏上可以观察到客室监控画面出现亮暗交替的横向条纹，亮暗条纹分布呈现一定规律并从下往上推移。现场试验发现，只有在车辆客室照明打开时，才能从司机室触摸显示屏上面观察到客室监控画面的频闪现象，当客室照明关闭时，客室监控画面恢复正常。

图1  城轨车辆上的频闪现象

1.3  危害

城轨车辆上出现频闪现象会影响视频监控系统的使用。这样的画面会直接妨碍车辆驾驶员以及地面OCC工作人员对车内状态、乘客情况的观察了解，影响后续监控视频的查看，严重影响车辆的安全运营。另外，频闪会使人注意力分散，长期注视会导致头痛和眼疲劳，视力下降，这对城轨车辆司机来说非常危险。

2  分析

2.1  车载摄像机

图3  车载网络摄像机

城轨车辆视频监控所使用的摄像机如上图所示，其工作原理是利用CMOS图像传感器把光学图像信号转变为电信号，电信号经过处理形成数字信号，最后转换为视频信号。

摄像机利用快门机构控制感光元件有效曝光时间，快门时间指的是快门动作一次的所需时间，它影响拍摄出来的图像效果。摄像机的快门时间有一定的范围，在规定范围内，快门时间越短，捕捉运动图像越细致，但是形成的视频画面反而不流畅。快门时间越长，图像更容易在强烈光线下发生过曝。所以摄像机快门时间的选取需要综合考虑监控视频画面效果和外界环境的亮度。

通常车载摄像机快门时间有手动和自动两种模式，自动模式通过摄像机内部传感器感受外部环境光线的强弱自动调节快门时间，以保证监控视频效果良好。手动模式更适用于固定的环境下，通过设置固定的快门时间或者特定范围，让视频图像显示效果达到最佳。

2.2  车载照明系统

图4  车载照明系统

目前，城轨车辆照明系统全部应用LED照明，如图4所示。系统由灯具、电源模块、自动调光器、传感器组成。电源模块通过将车辆DC110V电源转换为低电压下的电流脉冲，驱动LED灯具发光，同时接收自动调光器的脉宽调制（PWM）信号。PWM信号并不直接用于控制LED,而是控制一个开关,向LED提供所需的电流。自动调光技术通过在车窗附近安装亮度传感器自动控制调光控制器发出相应调光指令，调整脉冲占空比，从而调整输出电流大小实现亮度自动调节。

2.3  分析研究

结合系统的工作原理，猜测摄像机分辨频率高，观察到LED的闪烁变化，导致出现频闪。为了验证，对频闪现象的车辆进行试验。

该车辆照明系统的驱动脉冲频率为200Hz，摄像机快门时间采用自动调节模式，当照明系统工作时，视频监控画面上出现严重的频闪。

试验过程和现象如下：

1）不改变照明驱动脉冲频率，手动调整快门时间

当在客室LED照明处在某一特定亮度下，通过设置固定的快门时间可消除监控视频画面的频闪现象，但是当亮度一旦发生变化，频闪现象又会出现。

2）改变照明驱动脉冲频率，自动调整快门时间

将照明驱动脉冲频率在200Hz～1000Hz之间随机调整时，快门时间自动模式下，同样视频监控画面出现频闪，但是随着照明驱动脉冲频率的提高，频闪有所减轻，调整亮度也不会出现明显的频闪。

3）改变照明驱动脉冲频率，手动调整快门时间

将照明驱动脉冲频率分别设置为400 Hz、600 Hz、800 Hz和1000 Hz，然后手动调整快门快门时间，发现当快门时间设置为某几个特定数值时，视频监控画面频闪消失，并且不受照明亮度变化的影响。但是试验过程中发现快门时间设置为固定数值后，在外界光线较强时，会导致监控视频画面会出现过曝。

4）试验结果

综上，该车载摄像机快门时间自动模式下，无论照明驱动脉冲频率怎样调整，都会出现一定频闪现象。只有当照明驱动脉冲频率较高时，设置固定快门时间数值可消除频闪现象。照明驱动脉冲低频率下，改变其占空比同样会导致频闪现象。

2.4  分析结论

图5  LED驱动电流脉冲信号

如图5所示，PWM信号调光状态下，LED会有亮和暗两个状态，不同PWM占空比下可以呈现出不同的亮度，当PWM信号的频率过低的时候更容易会出现频闪问题。如图6，当PWM信号调光频率过慢的时候，如左图会出现摄影机在某些影格里面是没有亮灯的情况，显示在影片画面上会出现所谓的频闪现象。当频率加快16倍如右图的时候，每个影格皆可抓取到正常亮度，最终显示在影片画面上就不会有频闪现象。

图6  低频信号和高频信号下的摄像对比

所以，城轨车辆监控视频画面出现频闪就是车载摄像机快门时间与照明驱动脉冲频率的不匹配导致。

3建议

为避免城轨车辆视频监控画面出现频闪，可以从车辆的设计中进行优化和规避。

首先，车辆照明系统的PWM频率要尽量采用高频率。通过对国内车载照明系统的调研，并结合应用经验，建议车载照明系统的PWM频率采用800Hz以上，可保证PWM调光过程中不会被摄像机捕捉到暗图像，引起频闪。并且，照明舒适度也更高。

其次，提升车载视频监控系统与车载照明系统的匹配性，优化相关算法和产品硬件，能够适应车辆复杂的应用场景，保证视频监控画面效果良好。推荐在装车前进行组合试验，进一步确保不会产生频闪。

5  总结

本文从城轨车辆监控画面频闪现象出发，对频闪和产生原因进行了详细研究，通过相关试验和分析，确定快门时间和照明驱动脉冲频率不匹配是产生频闪的原因，对今后车辆设计和类似问题处理提供借鉴和参考。