公路机电工程闭路电视监视系统传输通道指标检测研究

摘要：对闭路电视监视系统传输通道及各项指标作出介绍，并对各项指标的测量方法及结果分析进行讨论。

关键词：视频传输通道；失真；通道指标

中图分类号：TN943.6文献标识码：B

闭路电视监视系统是公路机电工程中重要的组成部分，随着高速公路运营管理水平的日益提高，管理单位对监视画面的传输质量要求也在不断提升。而视频传输通道指标能够客观的反映监视画面质量的好坏与否，故也是机电工程质量检测中的关键项目。

1 视频传输通道的基础知识

1.1 电视信号及制式

闭路电视监视系统传输通道指标通常是指传输模拟电视信号的通道测试概念。我国模拟电视信号采用的是PAL制，又称为帕尔制。PAL是英文Phase Alteration Line“正交平衡調幅逐行倒相制”的缩写，意思是逐行倒相，也属于同时制。

1.2 传输通道的构成

通俗地讲，视频传输通道是指不论其中间环节对信号有怎样的处理过程，整个通道或设备的输出与输入都是视频信号。而目前高速公路闭路电视信号一般是通过光纤，跨越光编、解码器等设备，以级联的方式架构起传输通道[3]。故一般构建的测试通道为：信号发生器→外场光端机→光纤线路→局端机或光平台→视频质量测试仪。

1.3 传输通道测试的意义

传输系统在传输过程中必然受到干扰并产生失真。检测的意义就是通过对传输通道的各项技术指标进行测试，找出问题，把干扰和失真限制在允许的容限之内，保证完好的工作状态。

1.4 失真的分类、概念及与通道指标的关系

在传输通道中，失真是指信号在传输过程中与原有信号或标准相比所发生的偏离。失真主要分为三类：线性失真、非线性失真和噪声。

线性失真是由于系统特性，既电路中存在电抗性元件（即电感、电容，简单的说就是用电设备）及各种分布参量引起而产生的失真。输出信号与输入信号之间由于通道的特性而保持线性关系，与信号本身幅度无关；

非线性失真是由非线性元器件（非电阻类，如二极管、运放等）引起，信号在传输中引起的失真是受信号电平影响的，即与被传输信号本身的幅度有关；

噪声是任何电气系统中都存在的扰动，它可能是规则的也可能是随机的。其产生原因宏观上受系统外部的各种自然以及人为造成的干扰，微观上受系统内部电子或载流子无规则的热运动的干扰。由于噪声的大小和信号幅度大小成相对关系，所以通常在讨论噪声失真时采用信噪比的概念而不是噪声的绝对值。

在2004年颁布实施的我国交通行业标准《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/22004 第二册 机电工程）（以下简称“检評标准”）中规定的十项视频传输通道指标中，回波E（K系数）、色度/亮度增益差、色度/亮度时延差、幅频特性四项指标属于线性失真范畴，视频电平、同步脉冲幅度、亮度非线性、微分增益、微分相位五项指标属于非线性失真范畴，而视频信杂比则属于噪声范畴。

2 十项视频传输通道指标概念、测试方法及影响

在行业内以往的多篇著作、论文中有大量关于视频传输通道指标的专业学术谈论。在本文中，将试图以较为浅显、明了的方式来介绍十项指标的概念、测试方法以及对监视画面质量的影响。

2.1 视频电平

标准的视频信号幅度为1Vpp，Vpp既峰—峰值，是代表信号电压的交流信号，由视频电平及同步脉冲幅度两个指标构成。

视频电平也叫白电平，对应的也有一个黑电平的概念。所谓黑电平，简单的可以理解为定义图像数据为0时对应的信号电平，而低于此规定水平的信号都将会被显示为黑色。而白电平定义的是当图像数据为255时对应的信号电平，它与黑电平的差值从另一角度定义了增益的大小，在相当多的应用中用户看不到白电平调节，原因是白电平已在硬件电路中固定，《检评标准》中规定为700mV±30mV。

在《检评标准》规定的测试方法中，利用视频信号发生器发射75%彩条信号，正常情况下会得到700mV左右的测试结果，也就是白电平的正常幅度。如果结果值偏大，画面亮度将会偏高，对比度下降，图像缺乏层次，泛灰白，清晰度不佳；如果结果值偏小，画面将变得暗淡，图像色彩也会因为色度的降低而变得不清晰。

2.2 同步脉冲幅度

同步脉冲幅度实际上也是一个标准信号，代表黑电平与消隐电平之间的差值[3]，《检评标准》中规定为300mV±20mV。消隐电平的作用，可以简单的理解为了提高图象的对比度，消除图象模糊的感觉，在黑电平到白电平之间设置消隐电平，消隐电平以上范围为有效像素，以下为黑色信息，融合了同步信号。所以准确的来讲，同步脉冲幅度是一个负值。

在《检评标准》规定的测试方法中，利用视频信号发生器发射75%彩条信号，正常情况下会得到300mV左右的测试结果，偏大或偏小会影响到TV端对同步头的失锁，导致画面扭曲，甚至图像不稳定无法观看。

2.3 回波E

回波E也叫K系数，是指在规定的测试条件下，既利用视频信号发生器发射2T正弦平方脉冲信号，测得的系统中由于反射而产生的滞后于原信号并与原信号相同内容相同的干扰信号的值[3]。它是把各种波形失真较人眼视觉特性，给予不同评价的基础上来度量图像损伤的一套系统方法[5]，用百分数来表示，绝对值越小越好。

K系数偏大时，可能会导致图象出现轮廓多重的现象，形成重影，使得清晰度下降 。严重时，由于图像沿水平方向界限不清，会产生明显的拖影现象。

2.4 亮度非线性

亮度非线性指标是指亮度信号在不同电平上产生的增益变化[3]。也就是当图像电平为某一定值时，将起始电平从消隐电平逐步增加到白电平的小幅度阶跃信号（5阶，每阶140mV）加载至视频传输通道中，测得输出端相应各阶跃幅度比值间的最大差值与最大阶跃幅度值的比值，既亮度非线性（%）=（AmaxAmin）/Amax×100%。测试时，利用视频信号发生器发射2T正弦平方脉冲信号。

亮度非线性是比值关系，用百分数表示，值越小越好。如果结果偏大，图像会失去灰度，层次感减小。且由于色度信号是叠加在亮度信号上的，也会造成图像分辨率降低，色饱和度下降甚至是颜色失真。

2.5 色度/亮度增益差

在彩色图像信号中，如上条所述，色度信号是叠加在亮度信号上的，在经过传输通道时会得到放大（既增益），但往往传输通道对色度分量和亮度分量的增益放大是不一致的。所以在测试时，将一个规定亮度与色度分量幅度的测试信号（2T正弦平方脉冲信号）经输入端灌入测试通道，在输出端会得到增益后的亮度与色度分量幅度，分别计算输出端色度分量幅度与输入端色度分量幅度的比值以及输出端亮度分量幅度与输入端亮度分量幅度的比值，两者的差值就是色度/亮度增益差，单位为百分数。

从理想结果来看，色度/亮度增益差越接近0%越好，如果结果为负且偏小，则图像色彩会变得暗淡，人物肤色也会不正常；如果结果为正且偏大，图像则会颜色过浓，主体轮廓变得不分明，与背景混为一色，缺乏真实感。

2.6 色度/亮度时延差

如上所述，在传输通道中，视频信号的亮度分量与色度分量调制包络波形的相应部分在时间关系上也会出现差值，既产生时延。所以在测试时，同样用信号发射器发射规定亮度与色度分量幅度的测试信号（2T正弦平方脉冲信号）经输入端灌入测试通道，在输出端会得到亮度与色度分量调制包络波形的相应部分在时间关系上的差值，计算输出端色度分量时延与亮度分量时延的差值，就是色度/亮度时延差，单位为ns。

时延差越大，即代表色度信号与亮度信号不能同时到达显示端的程度越大。图像上可以直观观察到色彩套色不准，物体的彩色边框可能会出现跳跃、抖动的情况，对图像损伤极大。

2.7 微分增益

微分增益是色度信号的幅度变化随亮度信号幅度变化的函数关系[3]，既由于亮度信号幅度变化导致的色度信号幅度（色饱和度）的失真，既微分增益的是在不同亮度电平下的色彩幅度变化。在测试时，在输入端用信号发生器发射调制的五阶梯测试信号（五阶梯上叠加幅度和相位都相同的色副载波），计算输出端各阶梯电平上色副载波幅度（峰峰值）最大值与最小值的差值，其与消隐电平上色副载波幅度（峰峰值）的比值为微分增益，单位为百分数。

微分增益对图像最大的影响就是彩色效果的影响，数值越小越好。在实际监视画面中，场景背景有可能从低亮度向高亮度变化，此时若微分增益偏大，会导致目标图像的颜色的鲜艳程度加深或变低。

2.8 微分相位

如上所述，微分相位失真也是由于亮度信号幅度变化导致的色度信号相位的失真。其测试信号也是调制的五阶梯测试信号，以消隐电平上副载波信号的相位角为基准，计算各阶梯上的色度副载波的相位角和消隐电平上副载波信号的相位角之差，规定超前为正。最大相位角之差与最小相位角之差的差值即为微分相位失真，单位为度（°）。

由于彩色矢量角的变化代表了色调的变化，所以微分相位实际上是亮度信号幅度变化导致色调变化的一个参数。故与微分增益失真带来的色饱和度失真不同，如果微分相位失真偏大，则在监视画面场景背景从低亮度向高亮度变化时，主目标图像的颜色有可能会变色。

2.9 幅频特性

幅频特性也叫频率响应，其定义是从场频到系统标称截止频率的频带范围内，通道输入与输出之间相对于基准点频率（250kHz）的增益变化，单位为dB。通俗点理解，幅频特性就是电压放大倍数与频率之间的联系。通常的测试方法是发射多波群与250kHz方波，但在《检评标准》中规定为发射sinx/x信号（该方法可同时检测群延时指标，该指标会影响到色度/亮度时延差指标）。电视测量中使用到的sinx/x信号是由两个极性相反的sinx/x信号叠加在不同的亮度电平上，并附加在相应的同步信号上得到的。由于我国模拟电视视频信号的带宽为6MHz[4]，为了完全覆盖电视的视频带宽，《检评标准》规定sinx/x信号的截止频率选为5.8MHz。测试时选择250kHz为基准频率点，其对应的幅度为0dB。

幅频特性指标不佳，通常也会和色度/亮度增益差以及K系数两项指标产生互相关联的影响。它会影响图像的清晰度，如果高频部分衰减大，图像的细节会变淡，边缘轮廓也会不清。

2.10 视频信杂比

杂波（噪声）的概念和产生原因在前面已经介绍过，具体到视频概念中，视频杂波是让图像受到各种形式视频寄生干扰的总称[3]。噪声有可能是随机的也有可能是规则的，且随视频信号的处理与传输导致其幅值并非恒定，测量噪声的绝对大小没有太大意义，故而引入信噪比的概念，既有效视频信号与视频随机杂波信号的比值称为视频信杂比（信噪比）。在这里，视频信杂比是指加权随机杂波信杂比。原因是由于测试中高频杂波在图像上的表现是细小的雪花微粒，相较于低频杂波产生的较为明显的大粒雪花干扰，是难以人眼观测的。故加上加权网络，使干擾的情况符合人眼观看的实际情况。

视频信杂比是衡量图像受干扰程度大小的测试指标，在测试中发射多波群信号予以检测。视频信杂比偏离越大，具体会表现在图像上会出现雪花，横纹，斜纹等，影响正常观看。

3 结论

闭路电视监视系统传输通道指标可以客观的反映视频传输质量优劣。正确的理解各项指标概念，初步掌握测试理论及方法，增强测试结果分析能力，可以更好的服务于公路机电工程闭路电视系统的检测、分析工作。

参考文献：

[1]翁小熊.公路工程质量检验评定标准（第二册）机电工程技术手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]韩文元，朱立伟.公路水运工程试验检测专业技术人员职业资格考试用书 交通工程[M].北京：人民交通出版社，2016.

[3]鲁燚.JTG F80/22004《公路工程质量检验评定标准》（机电工程）中闭路电视监视系统传输通道指标解析[J].交通标准化， 2009（23）：1415.

[4]刘雷.Sinx/x视频测试信号的分析與研究[J].电子测量技术，2011（05）：7376.

[5]刘玉山.VM700A在视频通道指标测试中的应用[J].电视技术，2003（01）：8284.

作者简介：丁亮（1984），男，甘肃兰州人，本科，甘肃省交通科学研究院有限公司，工程师。