2024年4月29日发(作者：华为g628)

长焦光学防抖镜头在铁路视频监控中的应用 王其成 等

长焦光学防抖镜头

在铁路视频监控中的应用

王其成，郭卫华

（深圳中天银河科技有限公司，广东 深圳 518048）

摘 要：随着安防监控的快速发展，以“光机电一体化”为发展方向的光学镜头相关技术在视频监控领域

得到广泛应用推广。以高清、透雾、防抖等为代表的视频图像技术逐渐成为安防监控领域长焦光学镜头

的标配功能。在铁路沿线环境恶劣情况下，如何保证前端设备稳定有效运行，减少环境因素对视频图像

的干扰，是亟须解决的问题。重点分析铁路沿线监控前端设备抖动对成像质量的影响，从技术原理及实

际应用出发阐述长焦镜头光学防抖技术的特点，对比应用效果及优势，为铁路视频监控系统的建设提供

更多选择，推动行业技术应用与发展。

关键词：长焦光学镜头；光机电一体化；高清 ；透雾；防抖

中图分类号：

U284

文献标识码：

A

文章编号：

1001-683X（2018）10-0090-05

DOI：

10.19549/.1001-683x.2018.10.090

随

技术达到新的高度。为保证轨道交通运输安全

与效益，视频监控系统的建设、应用及维护管理越来

越受到重视。

在列车运行时，监控中心能够实时发现铁路沿线行

车前方障碍物并提前作出反应是确保运营安全性、及时性

的重点所在，突发的泥石流、滑坡等情况更是给行车安

全带来较大隐患。铁路沿线风霜雨雪雾较多，环境因素经

常导致视频前端的监控图像效果不佳。由于大雾造成可视

范围降低，大风、列车运行监控上的设备抖动造成图像模

糊，无法正确分辨目标物，影响视频监控的有效性。目

前，我国在铁路视频监控防抖应用方面，较多采用摄像机

数字防抖技术，但效果并不明显，特别是镜头在长焦状

态下，画面的分辨率下降明显。因此，基于高清长焦镜头

第一作者：王其成（1977—），男，工程师。

着我国轨道交通建设的飞速发展，视频与安全的光学防抖技术应运而生，将推动行业技术应用与发展。

1 抖动对长焦镜头成像的影响

铁路沿线环境恶劣，尤其是当监控前端设备安装

在较高的铁塔上时，稍有风吹或地面振动均可引起设

备抖动。当长焦镜头处于广角状态时，较小的设备抖

动对画面效果影响有限，但当镜头处于长焦状态时，

微小的抖动都将引起图像模糊。因此，设备抖动对长

焦镜头影响较大（见图1、图2），需进一步研究。

以长焦焦距1 000 mm镜头为例（见图3），当设备

抖动0.1°时，广角端抖动幅度占整个画面的0.45%，

画面抖动不明显；但当镜头处于长焦段时，抖动幅度

占整个画面的22.00%，画面抖动严重，无法监看。因

此，在铁路沿线的视频监控中，设备抖动对图像质量

的影响不可忽视，如何减小设备抖动对图像的影响是

铁路视频监控系统亟须解决的问题。

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2.1 电子防抖技术

目前，电子防抖技术在视频监控领域应用较多，

基于数字信号（DSP）处理器及软件算法实现，常见有

摄像机内置的数字防抖功能及电子稳像器防抖等，算

法的优劣直接影响防抖性能。电子防抖完全依靠数字

处理技术实现，通过降低画质来补偿抖动。该技术试

图在画质和画面抖动之间取得平衡，虽然成本较低，

但效果较差。

图1 设备抖动对广角端的画面影响

电子防抖技术实质上就是对多副图片边缘处理并

合成的过程，因此开启电子防抖后对视频成像的视角

及像素均有影响（见图4）。

1

2

3

图2 设备抖动对长焦端的画面影响

电子防抖OFF电子防抖ON

图4 图像电子防抖技术原理

水平抖动0.1°

θ

2

=24.90°

θ

1

=0.45°

上下抖动0.1°

2.2 光学防抖技术

光学防抖（Optical Image Stabilization，OIS）是通

过镜头内置的陀螺仪侦测到微小的位移或角度偏移，

将抖动信息转化成电信号发送给OIS控制驱动器。控制

器中心处理单元立即计算需要补偿的位移或角度，通

过驱动马达控制补偿镜片组件动作，根据镜头的抖动

方向及位移量加以补偿镜片相应调整位置和角度，使

光路保持稳定，避免因抖动引起图像模糊。

光学防抖镜头单元组成结构见图5。在光学防抖镜

云台

广角 窄角

短焦画面 长焦画面

图3 设备抖动对镜头成像的影响

2 技术特点及应用效果

水平移动

减小因设备抖动引起的图像模糊常用3种方案：

（1）陀螺平台+伺服机构。主要应用在军事上，如飞

机、坦克、军舰等，但成本高、体积大，在安防上几

乎无法应用。（2）电子稳像技术（电子防抖技术）。

其技术性能主要取决于软件算法的优劣，效果千差万

别。（3）光学防抖技术。在广播电视领域应用多年，

技术成熟，取得较好效果。

垂

直

移

动

透镜

光学防抖

控制器

陀螺仪

光学防抖单元

图5 光学防抖镜头单元组成结构

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头中，补偿镜片通过以下方式实现垂直、水平移动：

首先，补偿镜片被磁力包裹，处于悬浮状态，因此当

马达控制补偿镜片的组件移动时镜片没有任何物理磨

损；其次，为提高光学防抖单元长期工作的稳定性，

对光学防抖控制器中的驱动器集成电路（driver IC）选

择很关键；另外，与driver IC匹配的光学防抖马达的选

择至关重要，这些技术的应用及硬件的选择将决定光

学防抖镜头长期工作的精准性及可靠性。

目前，在安防监控领域，光学防抖镜头防抖动

频率可达到3～10 Hz，有效防抖动幅度（补偿量）为

0.05°。防抖部件充分考虑到产品的耐用性、可靠性，

达到工业级应用水平，可长期使用。

镜头防抖幅度示意见图6，图中箭头方向为镜头光

轴在摄像机成像面上移动的方向（垂直或水平）。假设

摄像机成像面大小为

AB

，镜头的光心为

C

，当设备开始

抖动时，镜头内的补偿镜片进行移动补偿，使目标点成

像焦点落在成像面的对应点上。当加大设备抖动的频率

或振幅时，目标点的图像在画面中开始移动，达到补偿

镜片的最大光学补偿幅度范围，可定义此时的抖动幅度

（补偿镜片的光学补偿幅度）为镜头在该焦距下的最大

防抖动振幅。以1 000 mm长焦光学防抖镜头为例，防抖

振幅（镜片的光学补偿幅度）计算如下：

长焦光学防抖镜头在铁路视频监控中的应用 王其成 等

使用1/2.0 in靶面的高清摄像机匹配防抖镜头使用，

补偿镜片在水平及垂直方向上移动的最大幅度占摄像

机靶面的比例为：0.87÷6.97≈0.12=12%（水平）；

0.87÷3.92≈0.22=22%（垂直）。计算可知，补偿镜片

的补偿移动幅度较大，如镜头没有光学防抖功能，画

面抖动严重，无法监看。

表1 视频图像偏出量对显示屏画面占比 mm

1/2.0 in

规格

传感器尺寸

宽

高

6.97

3.92

振幅在画面

的占比/%

12

22

1/1.8 in

传感器尺寸

7.76

4.36

振幅在画面

的占比/%

11

20

注：宽∶高为16∶9

镜头的光学防抖技术是由抖动补偿透镜装置根据

光轴偏移进行移动，通过磁力滑动悬空状态的抖动补偿

透镜，可使成像焦点处于摄像机CMOS（互补金属氧化

物半导体）的成像面上。镜头的光学防抖过程见图7。

OA

（

OB

）=

f

2

×tan

b

=1 000 mm×tan0.05°=

0.872 66 mm≈0.87 mm，

（a）没有抖动时，光轴与成像面垂直，

焦点在CMOS成像面上，图像清晰

式中：

OA

、

OB

为设备抖动时补偿镜片在成像面上移动幅

度的大小；

f

1

为广角时的焦距；

a

为广角时设备最大抖动

角度；

f

2

为长焦时焦距；

b

为长焦时设备最大抖动角度。

成像面

A

O

f

1

a

f

2

b

C

（+）目标点

（b）抖动发生时，光轴与成像面形成夹角，

焦点不在CMOS成像面上，图像模糊

B

图6 镜头防抖幅度示意图

高清摄像机常用靶面规格为1/2.0 in和1/1.8 in，若

配合1 000 mm镜头使用，当防抖振幅约0.87 mm时，计

算视频图像偏出量对显示屏画面占比见表1。例如，

（c）开启光学防抖，补偿镜片组移动使得光轴

与CMOS成像面重新垂直，图像清晰

图7 镜头的光学防抖过程

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长焦光学防抖镜头在铁路视频监控中的应用 王其成 等

应采用不低于1 080P、750 mm长焦激光高清摄像机进

行昼夜监视，线路单点监控范围不应小于1.5 km，全天

24 h高清监控”，对铁路沿线视频监控系统的建设和完

善提出了更高要求。在铁路沿线恶劣的环境下，不仅

要求随时“看得见”而且还要“看得清”，光学防抖

镜头具备以下优点：

（1）防抖技术在广播电视、电影、摄像等领域应

用较早，技术成熟，符合铁路视频监控系统建设稳定

可靠的先导原则。

（2）铁路监控用光学防抖镜头防抖级别低于广播

电视等领域，满足铁路视频监控建设经济性要求

[2]

。

（3）长焦防抖镜头在整个焦段能够进行有效防

抖。通过相关应用测试及对监控视频画面的分析表明，

因操控（云台的水平与俯仰动作）、拍打和环境等影

2.3 光学防抖与电子防抖技术区别

光学防抖技术：利用补偿镜片组的补偿，通过摄像机

CMOS图像传感器清晰成像后再由摄像机内置DSP图像处

理器进行压缩处理，然后进行视频传输。

电子防抖技术：镜头只负责图像采集，摄像机传

感器成像后需先通过内置图像处理器内核算法进行图

像防抖处理，然后再进行视频压缩处理，最后进行视

频传输。光学防抖与电子防抖技术区别见图8。

光学防抖

Optical Image Stabilization

镜头内 光学补偿镜片群

OIS

电子防抖

Electronic Image Stabilization

传感器

EIS

图像处理

图8 光学防抖与电子防抖技术区别

响，长焦防抖镜头产生的抖动频率为3～10 Hz，抖动幅

度不超过整个画面的1/10。可见，抖动频率越高，可接

受的抖动幅度越小。因此，长焦防抖镜头在长焦端的防

抖能力应在抖动频率、抖动幅度这两方面综合评估。

电子防抖开启后，图像视角变窄，视频传输延时增

大，因此电子防抖是通过缩小图像拍摄区域处理抖动图

像，显示时再次放大，图像清晰度不佳。光学防抖开启

后，图像视角不发生变化，视频传输无影响，图像清晰

度不会因抖动的补偿而下降，抖动幅度更广、更大。

3 结束语

随着视频监控技术向着高清化、网络化、智能化

方向发展，深度学习、机器视觉技术的快速发展也加速

了视频监控的智能化应用发展，镜头及前端设备不断改

进。长焦监控镜头作为整个铁路沿线的“眼睛”，其质

量及功能将直接影响整个监控系统的性能。镜头光学防

抖技术作为一项成熟可靠的实用技术，不仅能大幅改善

铁路沿线恶劣环境下的视频图像质量，提高应急处理效

率及管理水平，也为铁路视频监控工作迈向智能高效的

道路上提供更好的选择。

2.4 应用效果

镜头的光学防抖技术是通过镜头本身进行光学性

的修正，视频无延时，视角无变化，是全高清、全画

面、有效的防抖技术。设备在一定抖动频率及振幅下

对光学防抖影响对比见图9，开启后图像清晰度得到保

障，达到高清图像标准及要求。

铁总建设〔2016〕18号文件

[1]

规定：“铁路线路

参考文献

（a）抖动频率下

[1]