视频监控系统图像质量分析

目前，视频监控已在安防领域里广泛的应用，但是存在实时监视和图像回放不清晰的现象，导致对识别、取证、事件分析造成困难。本文就摄像机性能、视频线缆性能、视频图像压缩和显示设备四大部分作出分析，并提出提高视频图像清晰度的整体系统设计思想，以供参考。
文/黄小菲

电视监控系统在我国已经非常普及，包括银行、军队、政府、企业都已经安装了大量的摄像机。但据初步了解，绝大多数的电视监控系统存在实时监视和回放图像不清晰的问题，从而导致对识别、取证、事件分析造成困难，甚至使嫌疑人面部特征无法辨认。

本文在频域分析技术和视频信息数字处理技术的基础上，对影响清晰度的摄像机性能、视频线缆性能、视频图像压缩和显示四大部分作出分析，并提出提高视频图像清晰度的整体系统设计思想，以提高现有的电视监控系统的图像清晰度，最终给出使用vqt-3000视频图像质量测试仪和市场两种常用摄像机清晰度的测试结果，以供参考。

前言
随着中国经济的飞速发展，各大城市已经建有大量的电视监控系统。但是尽管安装了众多的监控摄像机，案情发生后的图像回放都存在图像不清晰的问题，特别是嫌疑人面部特征不清晰，难以辨认，这给公安部门的破案、法院的取证都带来了极大的麻烦。本项目就是在频域分析技术和视频信息数字处理技术的基础上，重点解决图像清晰化的问题。

当我们花费很大的资金安装了电视监控系统，却得不到清晰的图像（具体请见图1、2、3），这给实际工作带来很大的问题：
1、无法判别现场细节；
2、无法辨认犯罪嫌疑人面部特征；
3、无法成为现场取证资料。

视频监控系统图像质量分析
根据我们认真分析，影响视频监控系统图像显示质量的主要因素有：
1、镜头；
2、摄像机；
3、视频bnc接头；
4、视频电缆传输；
5、视频服务器和硬盘录像机图像压缩算法；
6、监视器。

镜头对图像质量的影响
镜头镀膜对镜头有影响。镜头镀膜的作用是为了增加透光性和降低反光，好的镀膜不会影响色彩平衡和镜头参数。

非球面镜片，民用级的一般是树脂镜片；因为民用级的摄像机，一般只采用成本较低的复合型非球面镜片或铸造成型的非球面镜片。复合型非球面镜片，就是在光学玻璃的球面镜片上，先涂覆一层光学树脂，再将涂覆的树脂部分加工成非球面的形状。铸造成型的非球面镜片，则是用精密铸造的方法，将光学树脂直接铸造成型，比复合型的简单，成像质量就比全玻璃的球面镜有所改善。

综上所述，就光学镜头和树脂镜头来说，影响图像质量的主要指标是透光率和透光特性。具体数据请见表1。

摄像机图像质量分析
1、垂直分辨率
垂直分辨率由电视制式的扫描线数决定。pal制式表示1帧有效扫描线为625线，平均1个场有20线垂直消隐时间，因此，实际画面只出现585线。另外，由于cctv采用的是逐行扫描方式，因此分辨率下降。其比例被称为凯尔系数，按照经验，使用0.7数值。这样，最终垂直分辨率hv=（625-20x2）x0.7，约410线左右是垂直分辨率的界限。如上所述，垂直分辨率由电视制式决定，并不表示摄像机的性能。

2、水平分辨率
这是cctv监控摄像机性能的重要指标之一。实际使用的ccd决定了时钟频率和采样频率。使用高分辨率的ccd的采样频率为14.18mhz，根据香农采样原理（采样频率必须为连续信号拥有频率上限的2倍以上），图像信号频率被限制在约7mhz。
另外，如果图像信号成份存在超过采样频率1/2的频率成份，将产生折叠现象，产生假信号/摩尔纹图像不纯。为了防止这种现象，需要使用高效带通滤波器7mhz以上频率。实际上很难制造出这样的滤波器，因此，图像信号频率变为6mhz左右，水平分辨率达到480线。

3、灵敏度
cctv监控摄像机的另外一个重要性能是最低被摄物体的照度（灵敏度）。所谓最低被摄物体照度，就是“为了获得可识别被摄物体最低限界的图像输出水平而所需的必要的被摄物体照度”，用lux（勒克斯）表示。

4、环境照度
表2中列出了办公室、公共用室、生活用室、星级饭店照明设计参考值
从表3可以看出，饭店的照度最高1,500lux，大部分为100~300 lux。在这样条件下对摄像机进行测试，和我们得到的各厂家摄象机性能有很大的差别，这是因为各厂家摄象机性能指标很多是在理想情况下（由各厂家自行定义）获得的，通常室外照度变化最大，可以在0.2~100,000 lux的范围内变化。

因此建议工程商对需要安装的摄像机（含镜头）进行较为全面的测试，重点包括垂直和水平分辨率测试、色彩还原测试、线性度测试、聚焦测试、面部识别等级测试、阻抗匹配特征测试，特别是在安装环境照度下的测试，当不能确认安装环境照度时，参考办公室、公共用室、生活用室、星级饭店照明设计参考值。由于工程商在视频监控项目较多的情况下，应当购置专用设备对摄像机（含镜头）进行全面测试。

视频电缆传输图像质量分析
1、视频电缆传输特性
在监控市场迅猛发展的今天，许多工程人员越来越需要对监控系统的传输性能进行全面细致的了解。

视频传输目前主要有两种方式，视频基带传输和视频载波传输（射频）。习惯上分别采用syv-75系列和sywv-75系列同轴电缆传输。

首先我们从图5的频谱上看一看视频基带和视频载波（射频）的分布特点。通常同轴电缆可传输接近1ghz的信号，从图中看出，传统的视频基带传输只占了电缆可传输频率的极少部分(6mhz)，电缆大部分频谱资源是空闲的。在视频载波（射频）传输中，是利用50mhz到1000mhz的频谱进行信号传输。同轴电缆在传输信号中，对各种频率的衰减程度是不同的。

从图6中可以看出，同轴电缆对不同的频率传输衰减也不同，无论是基带视频传输还是载波传输，通过电缆传输后的信号都会产生频率失真，频率越高衰减越大。因此，必须对这种电缆在传输中造成的频率失真进行补偿。表4是两种电缆对不同频率的衰减表。

同轴传输特性基本特点：
1、电缆越细，衰减越大；
2、电缆越长，衰减越大。
同类syv-75-5型号下面有3个不同的型号，分别代表64匝，96匝，128匝，当然匝数越大越好，当然匝数越高，价格也越贵，目前常用的为128匝。
以上所述仅仅为视频传输中原理性信号衰减，将导致视频图像的不清晰。
显然，视频电缆生产厂家、视频插头的质量好坏更是直接影响视频图像质量的重要因素，测试通过的视频电缆质量必须与实际工程中的视频电缆一致才有意义。

2、视频电缆传输干扰分析
同轴电缆对各种频率的隔离程度，即抗干扰能力有较大差别，图7是同轴电缆在外界施加不同频率的等幅干扰电压情况下，测到的感应电压。

从图7的曲线可以看出，同轴电缆对低频的屏蔽隔离较差，频率越高，隔离越好。目前出现干扰最多的是低频信号干扰，220v 50hz的频率窜入视频信号，表现为画面上有滚动的双条纹，解决方法有两种，视频走线管道要求采用铁管走线，防止附近的灯，风机的低频信号窜入，同时要求铁管之间很好的连接。另外可以使用ups，ups设计要考虑到余量，一般对监控要求不高的地方，ups断电维持时间为15分钟左右即可，ups一个用途是滤波，防止一些非正常信号窜入，另外一个用途为稳压作用，因为电压不稳定造成监控主机频繁重启的故障。

视频压缩算法对视频图像质量影响
高清晰视频图像除了通常所熟悉的像素指标外，还有像素深度，它是用来度量图像的分辨率，像素深度决定视频图像各个像素的颜色数值，在高清晰视频图像中，每一个彩色视频图像像素深度用r、g、b（红色、绿色、蓝色）三个分量表示，每个颜色分量用8位2进制表示，因此r、g、b（红色、绿色、蓝色）三个分量的颜色组合为224= 16777216种。

鉴于未经压缩的数字视频图像传输和存储占用空间和带宽很大，因此必须对数字视频图像进行压缩，一般情况下，因为监视器颜色分辨率的限制、人的眼睛分辨率的限制，不一定要求很深的像素深度。但是过浅的像素深度将导致视频图像颜色失真和粗糙。由于人眼对颜色细节的分辨能力远比对亮度（黑白）细节的分辨能力低，而且使眼睛逐渐远离屏幕，当你分辨不出彩条时，黑白条仍然能够分辨出来。

我们选择红、绿、蓝三基色相互组合经过测试，我们得出下述结论并作为彩色视频无损压缩的依据：亮度分辨率同彩色分辨率之比大约在1：0.32 ?0.72。

根据这个原理，利用不同的颜色空间也能压缩图像数据。保持亮度分量的分辨率而把彩色分量的分辨率降低，这样并不会明显降低图像的质量。实际中可以把几个相邻像素的颜色值当作相同的颜色值来处理，从而减少所需的存贮容量。

视频压缩的三种基本方式：第一种方法是将相同的或相似的视频数据或数据特征归类，使用较少的数据量描述原始数据，达到减少视频数据量的目的。这种压缩一般为无损压缩。第二种方法是利用人眼的视觉特性有针对性地简化不重要的颜色数据，以减少总的数据量。这种压缩一般为有损压缩，只要损失的数据不太影响人眼主观接收的效果，就可采用。第三种方法是帧间压缩方式，或者称为动态压缩方式。

因此在存储设备和网络带宽允许的情况下，硬盘录象机的码流设置应当尽量提高，以保证图像清晰度。通过我们对某型国产硬盘录象机码流变化测试，当码流从220mb/小时降到150mb/小时，图像分辨率下降18％。

监视器分辨率对视频图像质量影响
据专家统计得出，人眼睛的分辨率为350dpi，换算到15"显示器对应的分辨率为：4200 x 3150。

光在视网膜中转变为神经电信号需要一段时间。研究表明，视网膜上准确的物体影像，在物体消失后，仍会持续10-20毫秒之久，之后该影像才快速隐退，如果物体足够明亮，还会留下一个轮廓。因此，光在眼睛上建立的视觉图像需要一段时间才能消失，这种现象叫做视觉残留。人眼的视觉残留时间大约为0.04s（0.005秒到0.1秒），所以人眼能对出现在人的视觉中维持时间大于这个值的影像准确分辨和定位，也就是说，必须以大于每秒24帧以上的速度连续播放影像，才可以在人眼中形成连续的动画。

余辉时间短于10μs为极短余辉，10μs-1ms为短余辉，1ms-0.1s为中余辉，0.1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般液晶显示器的余辉时间大约在25毫秒左右。综合摄像机垂直和水平分辨率、视频信号传输、视频图像压缩综合因素，选择的彩色监视器应该在500线以上。

vqt-3000视频图像质量测试仪测试结果
我们从银行随机抽取的几台正在工作的摄像机（其中有国产和进口品牌），并对这几台摄像机进行了如下多个指标测试（测试结果如图8）：
·垂直和水平分辨率测试
·带宽测试
·色彩还原测试
·线性度测试
·聚焦测试
·面部识别等级测试
·阻抗匹配特征测试
·γ特性测试
·nsw测试
·信噪比测试

结论
经过我们对影响整个视频监控系统图像清晰度四大因素的数字分析，同时对应用在监控工程中的镜头、摄像机、视频电缆和接插件（含布线）、最优压缩算法和监视器的选择，我们获得了非常令人满意的视频图像清晰度。今后我们还要在色彩还原、三维自由立体显示进行更加深入的研究。