编者按：当今治安卡口抓拍的图片清晰度由标清→140万高清像素→200万高清像素方向发展，本文从嵌入式一体化设备的选用、芯片内置ISP的AWB和AE算法优化、自动偏振等各方面，立足用户体验，介绍高清智能卡口抓拍相机的高清成像技术。

1 概述

近年来，随着社会经济的高速发展，机动车普及发展进程不断加快, 交通和治安形势日益严峻和复杂。治安卡口系统主要服务于交通治安管理，国安安保，公安刑侦等不同业务部门，提供完整、清晰、有效的取证依据。国内的卡口系统从最初的90年代初期发展至今，目前市面上的产品种类繁多，针对不同的用户对象和应用环境，有不同的组成配置、安装方式和功能特点。早期卡口系统使用“标清卡口+工控机识别”的卡口应用模式，其图像清晰度不高，车牌识别率无法得到有效保证。

在构建平安城市、共建和谐社会的大背景下，伴随着工业高清数字摄像机的技术成熟和广泛应用，治安卡口系统迎来了高清数字建设的新时代。治安卡口抓拍的图片清晰度由标清→140万高清像素→200万高清像素方向发展，卡口系统的作用也不再局限于识别车牌，对相机抓拍图片的亮度和色彩提出了更高的要求，而且需要能够看清车内驾乘人员。

高清卡口相机采用百万像素以上的CCD感光元件进行路口断面图像的采集，相机采用ISP成像控制技术，芯片内嵌自动曝光和自动白平衡算法，完成对快门和增益的调整以及抓拍图片的白平衡校正，镜头前加装自动偏振镜装置来过滤车前挡风玻璃反射的偏振光，减弱白天强光对东西方向安装的高清抓拍摄像机和夜间机动车大灯对高清抓拍摄像机拍照的影响，从而捕获高清、亮度适中和色彩真实的图像，抓拍图片上能清晰呈现车辆正面全貌、车牌及司乘人员面部特征。

2 技术原理

抓拍相机对环境亮度进行实时监测，由自动曝光算法控制CCD电荷耦合元件（相机感光元件）每一次抓拍动作所需要的快门和增益大小；自动白平衡算法参照算法中的最佳设置方案对CCD捕获的图像进行色彩调节，得到色彩适中的图像供后续车辆识别使用；根据环境亮度变化，相机控制自动偏振系统对图像进行预处理，根据偏振镜的使用状态匹配对应的曝光优化算法，达到白天识别人脸和夜间增加图像亮度的目的。

2.1 自动曝光

自动曝光(AE)的目的是保证每个时段拍摄目标的亮度适中，DSP智能算法能够正常对抓拍图片进行识别，不偏亮或者偏暗。抓拍相机进行图片抓拍时，需要闪光灯同步对车辆内外进行补光，以达到识别车辆和驾乘人员的目的。全天24小时内环境光照亮度一直在变化，需要对不同时段的环境光进行监测，判断当前环境光的亮度，再结合爆闪灯的闪光强度计算出当前抓拍动作需要的快门速度和增益。

自动曝光算法进行分析的图片来源有两种：一是上一张过车抓拍图片，二是相机所产生的最后一帧视频流图片。前者应用的局限性较大，在车流量小或者光线变化迅速的环境中，使用上一张过车图片作为曝光参考，光照变化后很容易导致本次抓拍图像曝光失常；后者实时分析当前环境亮度，受光照变化因素影响小，但对相机的软硬件性能要求高，而且内嵌的多种DSP智能识别算法消耗大量系统资源，传统的卡口相机无法满足该模式的应用。

图1 自动曝光效果图

白天光照强度高，使用高快门和低增益就可以得到曝光正确的图片；夜间光照强度低，使用较慢快门和高增益才能正确曝光。抓拍相机的自动曝光算法控制快门值和增益值随着环境亮度的变化而变化，但会限定其值的上限。

为什么要限定上限呢？这是因为，捕获快速运动的车辆时，夜间快门值过大，会导致抓拍车辆的车牌模糊，DSP算法识别精度下降；而夜间为了提高图像亮度时增益过高，会导致图片噪点增多，同样影响DSP算法的识别准确率，而且图片整体效果体验差。

图2 慢快门和高增益效果图

2.2 自动白平衡

在生活中日光的色温是不断变化的，可以说没有两个地方的色温会完全一样，不同的地域、季节、地面环境、天气、早晚等等都会对色温造成影响，还有大量的人工光源，色温也不尽相同。

自动白平衡（AWB）调节就是针对不同色温条件下，自动调整相机内部的色彩电路使抓拍的图像抵消偏色，更接近人眼的视觉习惯。白平衡可以简单地理解为在任意色温条件下，摄像机镜头所拍摄的标准白色经过电路的调整，使之成像后仍然为白色。

相机中有一结构复杂的矩形图，存贮有针对某些通用光源的最佳化色调设置方案，此方案可决定画面中的白平衡基准点，以此来达到白平衡调校。白平衡调教的过程是相机根据通过其镜头和白平衡感测器的光线情况，自动探测出被摄物体的色温值，以此判断摄像条件，并选择最接近的色调设置方案，由色温校正电路对图像加以校正，白平衡自动控制电路自动将白平衡调到合适的位置。这种自动白平衡的准确率是非常高的，但是在某些场景下效果不理想，例如清晨、傍晚、多云等天气下，可能会导致偏色。

图 3 自动白平衡效果图

2.3 偏振光处理

2.3.1 自然光与偏振光

在垂直于光传播方向的平面上，光矢量在各个可能方向上的取向是均匀的，光矢量的大小、方向具有无规律性变化，这种光称为自然光，也称为非偏振光。自然光可以沿着与光传播方向垂直的任意方向上分解成两束振动方向相互垂直、振幅相等、无固定相位差的非相干光。

偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规则地变化的光波。自然光在电介质界面上（例如玻璃和空气）反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光。部分偏振光可视为一个平面偏振光和一个自然光的混合体。在卡口相机采集的图像中，反射光属于车前档玻璃反射的自然光，折射光属于车内光线透过车前档玻璃折射的自然光。

图4 自然光与偏振光

2.3.2 偏振镜的使用

抓拍相机使用CCD感光元件对入射光线进行采集生成图片，而CCD同人眼一样，对于光的偏振状态是无法分辨的。当车前档玻璃的反射光和折射光叠加在一起入射到抓拍相机时，相机同时对这两种光线成像，其中反射光严重影响对车内驾乘人员的识别。所以，需要使用偏振镜滤除反射的偏振光，保留车内光线透过玻璃的折射的偏振光入射。偏振镜的功用是能有选择地让某个方向振动的光线通过。部分驾驶员夜间行车时佩戴的偏振眼镜可以减弱来车强光对人眼的影响，从而提高行车安全性，也是基于这个道理。

图5偏振镜工作原理

抓拍相机车前档玻璃反射和折射的光线一般都是部分偏振光，反射光中垂直方向的光能量多于平行方向，折射光中平行方向的光能量多于垂直方向。

在白天环境光照强的环境下，需要滤除玻璃反射的偏振光。部分偏振光经过偏振镜后，与偏振镜光栅方向不同的光线被过滤，过滤后的光线包含大部分车内光线，仅含少量车窗反光。这样，光透过偏振镜到达抓拍相机CCD成的像可以大大提高对识别驾乘人员的效果。

图6偏振镜滤光

2.3.3 自动偏振

相机自动曝光可以达到全天24小时的高质量成像。但是在夜间或环境光照弱的环境下，此时玻璃环境反射光很少甚至于消失，爆闪灯无法将环境亮度提高至白天阳光照射的效果。偏振镜在夜间使用会将车内折射的偏振光和环境自然反射光进行过滤，导致抓拍图片变暗。

有上述因素可知，需要对偏振镜的使用进行控制，使其白天自动移动到相机镜头前对偏振光进行过滤，达到过滤车窗反射光，识别驾乘人员的目的；晚上自动将其从相机镜头前移开，达到提高图像整体亮度的目的。

抓拍相机需要对环境光进行检测，根据不同的光照强度判断是否需要过滤车窗反射的偏振光，进而实现自动偏振，来保证图片的抓拍效果。

图7 偏振镜效果示意图

3 结语

本文介绍高清智能卡口抓拍相机的高清成像技术，从嵌入式一体化设备的选用、芯片内置ISP的AWB和AE算法优化、自动偏振等各方面，都体现了技术路线的先进性。现今行业内各厂家的卡口抓拍相机功能和性能越来越强大，特别是对前端采集图像效果更加完善。但抓拍图像如何给用户带来更好的业务体验、更高的使用价值，这将是卡口抓拍相机发展最重要的落脚点。

本文见刊于《中国智能交通》2012年7月刊 总第111期