動車組車廂視頻監控的可視化設計方法

張海雁 莊緒明 陳曉輝 李勇序

摘 要：為更好的輔助鐵路安保工作，所有車型的動車組都要求在車廂公共區域設置監控攝像頭。為預防監控設備裝車后出現的監控盲區，造成大量返工整改問題，需要研究開發一種可視化監控分析方法。能夠在設計階段預測監控的范圍及程度，提高車廂視頻監控設計質量。

關鍵詞：視頻監控;可視化設計;焦距;視場角;攝像頭;三維模型;盲區

0 引言

隨著技術的不斷發展和進步，視頻監控技術已成為社會公共安全防范技術的重要組成部分，被廣泛應用于金融、交通運輸管理、商業、醫院、工廠、學校、住宅小區等各種安防應用領域。而時至今日，動車組已成為當下主要的交通工具，是一個具有流動性大、人員高度集中的公共場所;尤其需要運用視頻監控技術對整個列車的內部環境進行監控，方便列車工作人員的安全管理[2-3]。

目前，動車組車廂視頻監控設計工作中，因為前期視頻監控分析不夠清晰、準確而造成監控盲區問題。其整改帶來大量返工，影響整車生產進度及質量問題。為此，研發一種可視化監控設計方法來提高車廂設計質量、保證車輛生產效率刻不容緩。

1 視頻監控相關定義及設備選型

1.1 定義

焦距：指平行光入射時從透鏡光心到光聚集之焦點的距離。

視場角：以鏡頭為頂點，以被測目標的物像可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構成的夾角。

1.2 車廂視頻監控設備選型

目前，動車組車廂視頻監控設備主要選用有全景網絡攝像機和半球網絡攝像機[1]，其主要設備參數如下：

1.2.1 全景網絡攝像機

（1）視場角： 180°;

（2）方位視場角： 360°;

（3）焦距： 1.3 mm～1.4 mm，范圍內定焦可選;

（4）道光孔徑： 2.0。

1.2.2 半球網絡攝像頭

（1）水平視場角 ：>55°;

（2）垂直視場角：> 28°;

（3）焦距： 2.8 mm、4 mm、6 mm 可選;

（4）道光孔徑： 2.0。

半球網絡攝像機視場角及焦距示意圖可參見圖1。

2 車廂視頻監控設計現狀及典型案例

2.1 車廂視頻監控要求

動車組車廂視頻監控要求車廂內客室、端部上、下門及小走廊區域、餐車廚房及吧臺等公共區域，要求監控清晰、無死角[1]。

2.2 視頻監控設備設置

動車組上的視頻監控設備設置如下：在端部小走廊及上、下門區域、餐車廚房及吧臺等敞開式的公共區域內，選擇視場角廣大、焦距小的全景網絡攝像機;

在較長的客室車廂內部，選擇視場角小、焦距大的半球網絡攝像機[8]。

2.3 視頻監控分析現狀[4-6]

在攝像頭視野角度一定的情況下，攝像頭位置的設置直接影響著車廂內監控范圍。由于車廂內的還有其他設備，如吊頂電視、行李架等可能會出現遮擋問題。在設計階段，我們會使用二維CAD進行簡單的監控視角分析，二維分析見圖2，陰影部分為監控盲區。

因二維分析不夠直觀、準確，有時無法發現視頻監控準確范圍及盲區問題。等到后期車輛調試階段出現車廂視頻監控盲區問題時，再進行設計整改，就會造成大量返工，直接影響設計質量及生產進度。

2.4 視頻監控的典型案例分析

在之前項目中，由于設計階段分析不夠清晰、準確，導致后期車輛調試階段發現一些視頻監控盲區問題。主要盲區問題如下，現車監控圖像見圖3。

（1）被行李架遮擋，客室端部靠近側窗側的乘客，監控不到清晰的人臉面部圖像;

（2）被車廂吊頂電視遮擋，靠近端部的乘客，起身站立在門口時，監控不到乘客肩部以上的部位。

解決此監控盲區問題，需要重新調整監攝像機位置。但此時調整位置，就必須拆除車廂內的頂板、燈具等設備，甚至需要重新布線。整個加改過程會浪費大量人力、物力，還耽誤車輛生產周期。

為此，我們需要開發一種可視化監控設計方法，在設計階段就可以預視監控的程度及范圍，提高車輛設計質量。

3 可視化監控設計方法

利用現有的CATIA軟件，開發一種可視化監控方法。以復興號（CR400AF）車廂內部半球攝像頭視野分析為例，其具體操作如下。

3.1 搭建車廂內裝三維模型

建立車廂內裝（如頂板、墻板、端墻、地板等）及車廂內設備布置三維模型，車廂設備布置應包含可能影響攝像頭視野的設備（如：行李架、吊掛電視、座椅等），對于前期方案分析，可采用美工發布的三維模型，建好的車廂三維模型見圖4。

3.2 建立攝像頭視野邊界三維模型

車廂視頻監控目前采用半球攝像頭。根據選定的攝像頭視角參數，分別定義垂直視角、水平視角邊界曲面及視角中心線;視角中心線可用于調整垂直方向視線方向，視角邊界曲面設置為半透明，方便后續視野分析[10-11]。

3.3 攝像頭在車廂內的布置

將攝像頭視野邊界三維模型裝配至車廂內裝三維模型中，半球攝像頭一般布置在車廂內裝頂板上，采用兩個攝像頭對向布置。具體布置如下：

視線與攝像頭視線重合。

通過攝像頭的視野邊界曲面，并適當調整兩個攝像頭之間的位置，以消除攝像頭覆蓋范圍的視野盲區，圖紙中標注出的位置。

3.4 視野可視化操作過程

可視化方法是利用人機工程中人體模型的視野（Vision）可視化功能，將人體模型的眼睛移至車廂攝像頭位置，模擬仿真攝像頭成像[7]。

（1）選中帶有攝像頭的內裝三維模型產品，從開始種進入“人機工程學設計與分析”界面—Human Builder。

（2）通過如下命令創建人體模型，選默認設置即可，并選中”Camera field of view analysis.product”。

（3）右鍵顯示人眼視線，以用于裝配模型中人眼。

（4）將人眼移至攝像頭透鏡位置，將人眼視線（藍色線）與攝像頭視角中心線（白色線）進行相合約束。此處可借助羅盤坐標系對人體位置進行微調，直至眼視線與攝像頭視角中心線接近重合。

（5）通過人眼視窗功能，從人眼視角模擬可視化角度，通過調節人眼睛上下、左右角度，可以模擬攝像機鏡頭上下、左右調整功能，從而得到整個車廂客室內部的可視化圖像，如圖7所示。

3.5 可視化結果分析

動車組視頻監控是通過GPRS網絡，把中心控制模塊構建的數據幀上傳到監控中心，其成像清晰可辨[9]。我們將與模型分析相同車廂監控圖像調出，將監控圖像（圖9）與視頻監控分析圖（圖8）進行對比。從車廂監控左右范圍、座椅的排數、內端門處高度可以看出，可視化監控設計效果與實車監控結果并無差異。

由此可見，車廂視頻監控的可視化設計方法對于車輛的視頻監控設計工作大大裨益。

4 結束語

人類在進步，科技在發展;同樣伴隨著快速發展的腳步，一些涉及安全的危險性事件也在不斷發生。動車組車廂視頻監控作為鐵路安保工作一個重要組成部分，勢必要與時俱進。為了適用快節奏的發展腳步，提高設計質量、避免返工性設計加改是每個設計師努力的保持方向。而利用現有資源，視頻監控可視性設計方法的研發是具有代表性的一個階段性提升。

在3D設計盛行的時代，動車組雖然內部結構復雜、包含設備繁多，但是也在大力發展整車的3D設計。設計出可視化產品結構模型，為后續出產高質量、高品質的動車組提供基礎。

參考文獻：

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[11]康瑞婷.基于CATIA的客車駕駛室人機工程學的設計與研究[D].河北工程大學，2015，