公路機電工程閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)傳輸通道指標檢測研究

摘要：對閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)傳輸通道及各項指標作出介紹，并對各項指標的測量方法及結(jié)果分析進行討論。

關(guān)鍵詞：視頻傳輸通道；失真；通道指標

中圖分類號：TN943.6文獻標識碼：B

閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)是公路機電工程中重要的組成部分，隨著高速公路運營管理水平的日益提高，管理單位對監(jiān)視畫面的傳輸質(zhì)量要求也在不斷提升。而視頻傳輸通道指標能夠客觀的反映監(jiān)視畫面質(zhì)量的好壞與否，故也是機電工程質(zhì)量檢測中的關(guān)鍵項目。

1 視頻傳輸通道的基礎知識

1.1 電視信號及制式

閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)傳輸通道指標通常是指傳輸模擬電視信號的通道測試概念。我國模擬電視信號采用的是PAL制，又稱為帕爾制。PAL是英文Phase Alteration Line“正交平衡調(diào)幅逐行倒相制”的縮寫，意思是逐行倒相，也屬于同時制。

1.2 傳輸通道的構(gòu)成

通俗地講，視頻傳輸通道是指不論其中間環(huán)節(jié)對信號有怎樣的處理過程，整個通道或設備的輸出與輸入都是視頻信號。而目前高速公路閉路電視信號一般是通過光纖，跨越光編、解碼器等設備，以級聯(lián)的方式架構(gòu)起傳輸通道[3]。故一般構(gòu)建的測試通道為：信號發(fā)生器→外場光端機→光纖線路→局端機或光平臺→視頻質(zhì)量測試儀。

1.3 傳輸通道測試的意義

傳輸系統(tǒng)在傳輸過程中必然受到干擾并產(chǎn)生失真。檢測的意義就是通過對傳輸通道的各項技術(shù)指標進行測試，找出問題，把干擾和失真限制在允許的容限之內(nèi)，保證完好的工作狀態(tài)。

1.4 失真的分類、概念及與通道指標的關(guān)系

在傳輸通道中，失真是指信號在傳輸過程中與原有信號或標準相比所發(fā)生的偏離。失真主要分為三類：線性失真、非線性失真和噪聲。

線性失真是由于系統(tǒng)特性，既電路中存在電抗性元件（即電感、電容，簡單的說就是用電設備）及各種分布參量引起而產(chǎn)生的失真。輸出信號與輸入信號之間由于通道的特性而保持線性關(guān)系，與信號本身幅度無關(guān)；

非線性失真是由非線性元器件（非電阻類，如二極管、運放等）引起，信號在傳輸中引起的失真是受信號電平影響的，即與被傳輸信號本身的幅度有關(guān)；

噪聲是任何電氣系統(tǒng)中都存在的擾動，它可能是規(guī)則的也可能是隨機的。其產(chǎn)生原因宏觀上受系統(tǒng)外部的各種自然以及人為造成的干擾，微觀上受系統(tǒng)內(nèi)部電子或載流子無規(guī)則的熱運動的干擾。由于噪聲的大小和信號幅度大小成相對關(guān)系，所以通常在討論噪聲失真時采用信噪比的概念而不是噪聲的絕對值。

在2004年頒布實施的我國交通行業(yè)標準《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》（JTG F80/22004 第二冊 機電工程）（以下簡稱“檢評標準”）中規(guī)定的十項視頻傳輸通道指標中，回波E（K系數(shù)）、色度/亮度增益差、色度/亮度時延差、幅頻特性四項指標屬于線性失真范疇，視頻電平、同步脈沖幅度、亮度非線性、微分增益、微分相位五項指標屬于非線性失真范疇，而視頻信雜比則屬于噪聲范疇。

2 十項視頻傳輸通道指標概念、測試方法及影響

在行業(yè)內(nèi)以往的多篇著作、論文中有大量關(guān)于視頻傳輸通道指標的專業(yè)學術(shù)談論。在本文中，將試圖以較為淺顯、明了的方式來介紹十項指標的概念、測試方法以及對監(jiān)視畫面質(zhì)量的影響。

2.1 視頻電平

標準的視頻信號幅度為1Vpp，Vpp既峰—峰值，是代表信號電壓的交流信號，由視頻電平及同步脈沖幅度兩個指標構(gòu)成。

視頻電平也叫白電平，對應的也有一個黑電平的概念。所謂黑電平，簡單的可以理解為定義圖像數(shù)據(jù)為0時對應的信號電平，而低于此規(guī)定水平的信號都將會被顯示為黑色。而白電平定義的是當圖像數(shù)據(jù)為255時對應的信號電平，它與黑電平的差值從另一角度定義了增益的大小，在相當多的應用中用戶看不到白電平調(diào)節(jié)，原因是白電平已在硬件電路中固定，《檢評標準》中規(guī)定為700mV±30mV。

在《檢評標準》規(guī)定的測試方法中，利用視頻信號發(fā)生器發(fā)射75%彩條信號，正常情況下會得到700mV左右的測試結(jié)果，也就是白電平的正常幅度。如果結(jié)果值偏大，畫面亮度將會偏高，對比度下降，圖像缺乏層次，泛灰白，清晰度不佳；如果結(jié)果值偏小，畫面將變得暗淡，圖像色彩也會因為色度的降低而變得不清晰。

2.2 同步脈沖幅度

同步脈沖幅度實際上也是一個標準信號，代表黑電平與消隱電平之間的差值[3]，《檢評標準》中規(guī)定為300mV±20mV。消隱電平的作用，可以簡單的理解為了提高圖象的對比度，消除圖象模糊的感覺，在黑電平到白電平之間設置消隱電平，消隱電平以上范圍為有效像素，以下為黑色信息，融合了同步信號。所以準確的來講，同步脈沖幅度是一個負值。

在《檢評標準》規(guī)定的測試方法中，利用視頻信號發(fā)生器發(fā)射75%彩條信號，正常情況下會得到300mV左右的測試結(jié)果，偏大或偏小會影響到TV端對同步頭的失鎖，導致畫面扭曲，甚至圖像不穩(wěn)定無法觀看。

2.3 回波E

回波E也叫K系數(shù)，是指在規(guī)定的測試條件下，既利用視頻信號發(fā)生器發(fā)射2T正弦平方脈沖信號，測得的系統(tǒng)中由于反射而產(chǎn)生的滯后于原信號并與原信號相同內(nèi)容相同的干擾信號的值[3]。它是把各種波形失真較人眼視覺特性，給予不同評價的基礎上來度量圖像損傷的一套系統(tǒng)方法[5]，用百分數(shù)來表示，絕對值越小越好。

K系數(shù)偏大時，可能會導致圖象出現(xiàn)輪廓多重的現(xiàn)象，形成重影，使得清晰度下降 。嚴重時，由于圖像沿水平方向界限不清，會產(chǎn)生明顯的拖影現(xiàn)象。

2.4 亮度非線性

亮度非線性指標是指亮度信號在不同電平上產(chǎn)生的增益變化[3]。也就是當圖像電平為某一定值時，將起始電平從消隱電平逐步增加到白電平的小幅度階躍信號（5階，每階140mV）加載至視頻傳輸通道中，測得輸出端相應各階躍幅度比值間的最大差值與最大階躍幅度值的比值，既亮度非線性（%）=（AmaxAmin）/Amax×100%。測試時，利用視頻信號發(fā)生器發(fā)射2T正弦平方脈沖信號。

亮度非線性是比值關(guān)系，用百分數(shù)表示，值越小越好。如果結(jié)果偏大，圖像會失去灰度，層次感減小。且由于色度信號是疊加在亮度信號上的，也會造成圖像分辨率降低，色飽和度下降甚至是顏色失真。

2.5 色度/亮度增益差

在彩色圖像信號中，如上條所述，色度信號是疊加在亮度信號上的，在經(jīng)過傳輸通道時會得到放大（既增益），但往往傳輸通道對色度分量和亮度分量的增益放大是不一致的。所以在測試時，將一個規(guī)定亮度與色度分量幅度的測試信號（2T正弦平方脈沖信號）經(jīng)輸入端灌入測試通道，在輸出端會得到增益后的亮度與色度分量幅度，分別計算輸出端色度分量幅度與輸入端色度分量幅度的比值以及輸出端亮度分量幅度與輸入端亮度分量幅度的比值，兩者的差值就是色度/亮度增益差，單位為百分數(shù)。

從理想結(jié)果來看，色度/亮度增益差越接近0%越好，如果結(jié)果為負且偏小，則圖像色彩會變得暗淡，人物膚色也會不正常；如果結(jié)果為正且偏大，圖像則會顏色過濃，主體輪廓變得不分明，與背景混為一色，缺乏真實感。

2.6 色度/亮度時延差

如上所述，在傳輸通道中，視頻信號的亮度分量與色度分量調(diào)制包絡波形的相應部分在時間關(guān)系上也會出現(xiàn)差值，既產(chǎn)生時延。所以在測試時，同樣用信號發(fā)射器發(fā)射規(guī)定亮度與色度分量幅度的測試信號（2T正弦平方脈沖信號）經(jīng)輸入端灌入測試通道，在輸出端會得到亮度與色度分量調(diào)制包絡波形的相應部分在時間關(guān)系上的差值，計算輸出端色度分量時延與亮度分量時延的差值，就是色度/亮度時延差，單位為ns。

時延差越大，即代表色度信號與亮度信號不能同時到達顯示端的程度越大。圖像上可以直觀觀察到色彩套色不準，物體的彩色邊框可能會出現(xiàn)跳躍、抖動的情況，對圖像損傷極大。

2.7 微分增益

微分增益是色度信號的幅度變化隨亮度信號幅度變化的函數(shù)關(guān)系[3]，既由于亮度信號幅度變化導致的色度信號幅度（色飽和度）的失真，既微分增益的是在不同亮度電平下的色彩幅度變化。在測試時，在輸入端用信號發(fā)生器發(fā)射調(diào)制的五階梯測試信號（五階梯上疊加幅度和相位都相同的色副載波），計算輸出端各階梯電平上色副載波幅度（峰峰值）最大值與最小值的差值，其與消隱電平上色副載波幅度（峰峰值）的比值為微分增益，單位為百分數(shù)。

微分增益對圖像最大的影響就是彩色效果的影響，數(shù)值越小越好。在實際監(jiān)視畫面中，場景背景有可能從低亮度向高亮度變化，此時若微分增益偏大，會導致目標圖像的顏色的鮮艷程度加深或變低。

2.8 微分相位

如上所述，微分相位失真也是由于亮度信號幅度變化導致的色度信號相位的失真。其測試信號也是調(diào)制的五階梯測試信號，以消隱電平上副載波信號的相位角為基準，計算各階梯上的色度副載波的相位角和消隱電平上副載波信號的相位角之差，規(guī)定超前為正。最大相位角之差與最小相位角之差的差值即為微分相位失真，單位為度（°）。

由于彩色矢量角的變化代表了色調(diào)的變化，所以微分相位實際上是亮度信號幅度變化導致色調(diào)變化的一個參數(shù)。故與微分增益失真帶來的色飽和度失真不同，如果微分相位失真偏大，則在監(jiān)視畫面場景背景從低亮度向高亮度變化時，主目標圖像的顏色有可能會變色。

2.9 幅頻特性

幅頻特性也叫頻率響應，其定義是從場頻到系統(tǒng)標稱截止頻率的頻帶范圍內(nèi)，通道輸入與輸出之間相對于基準點頻率（250kHz）的增益變化，單位為dB。通俗點理解，幅頻特性就是電壓放大倍數(shù)與頻率之間的聯(lián)系。通常的測試方法是發(fā)射多波群與250kHz方波，但在《檢評標準》中規(guī)定為發(fā)射sinx/x信號（該方法可同時檢測群延時指標，該指標會影響到色度/亮度時延差指標）。電視測量中使用到的sinx/x信號是由兩個極性相反的sinx/x信號疊加在不同的亮度電平上，并附加在相應的同步信號上得到的。由于我國模擬電視視頻信號的帶寬為6MHz[4]，為了完全覆蓋電視的視頻帶寬，《檢評標準》規(guī)定sinx/x信號的截止頻率選為5.8MHz。測試時選擇250kHz為基準頻率點，其對應的幅度為0dB。

幅頻特性指標不佳，通常也會和色度/亮度增益差以及K系數(shù)兩項指標產(chǎn)生互相關(guān)聯(lián)的影響。它會影響圖像的清晰度，如果高頻部分衰減大，圖像的細節(jié)會變淡，邊緣輪廓也會不清。

2.10 視頻信雜比

雜波（噪聲）的概念和產(chǎn)生原因在前面已經(jīng)介紹過，具體到視頻概念中，視頻雜波是讓圖像受到各種形式視頻寄生干擾的總稱[3]。噪聲有可能是隨機的也有可能是規(guī)則的，且隨視頻信號的處理與傳輸導致其幅值并非恒定，測量噪聲的絕對大小沒有太大意義，故而引入信噪比的概念，既有效視頻信號與視頻隨機雜波信號的比值稱為視頻信雜比（信噪比）。在這里，視頻信雜比是指加權(quán)隨機雜波信雜比。原因是由于測試中高頻雜波在圖像上的表現(xiàn)是細小的雪花微粒，相較于低頻雜波產(chǎn)生的較為明顯的大粒雪花干擾，是難以人眼觀測的。故加上加權(quán)網(wǎng)絡，使干擾的情況符合人眼觀看的實際情況。

視頻信雜比是衡量圖像受干擾程度大小的測試指標，在測試中發(fā)射多波群信號予以檢測。視頻信雜比偏離越大，具體會表現(xiàn)在圖像上會出現(xiàn)雪花，橫紋，斜紋等，影響正常觀看。

3 結(jié)論

閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)傳輸通道指標可以客觀的反映視頻傳輸質(zhì)量優(yōu)劣。正確的理解各項指標概念，初步掌握測試理論及方法，增強測試結(jié)果分析能力，可以更好的服務于公路機電工程閉路電視系統(tǒng)的檢測、分析工作。

參考文獻：

[1]翁小熊.公路工程質(zhì)量檢驗評定標準（第二冊）機電工程技術(shù)手冊[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]韓文元，朱立偉.公路水運工程試驗檢測專業(yè)技術(shù)人員職業(yè)資格考試用書 交通工程[M].北京：人民交通出版社，2016.

[3]魯燚.JTG F80/22004《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》（機電工程）中閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)傳輸通道指標解析[J].交通標準化， 2009（23）：1415.

[4]劉雷.Sinx/x視頻測試信號的分析與研究[J].電子測量技術(shù)，2011（05）：7376.

[5]劉玉山.VM700A在視頻通道指標測試中的應用[J].電視技術(shù)，2003（01）：8284.

作者簡介：丁亮（1984），男，甘肅蘭州人，本科，甘肅省交通科學研究院有限公司，工程師。