新型監控視訊信号的設計與實作

1.引言

    視訊安防監控系統的測試監測裝置在國内屬于起步階段，近年安防監控系統各種國家标準的頒布，也對安防監控系統的測試裝置提出要求，即一是小型化，便于攜帶；二是檢測功能齊全，即要求能在監控中心測試錄像機、硬碟錄像機、切換器、配置設定器等裝置的所有視訊名額參數。随着技術的發展及數字電視的應用，高品質的裝置器件已被大量采用，圖像品質已經可以達到電視廣播級水準，是以可以采用廣播級的視訊技術标準參數來檢測要求圖像品質。 

    視訊監控系統的基本測量方法，是将一标準的視訊測試信号送入視訊通道前端，在它的末端通過測試儀器檢驗該信号的失真及參數改變，進而判定通道的傳輸性能及品質。

    目前中國的電視制式是 PAL制（625 線，50Hz，隔行掃描），根據國家行業标準《GY-T-177-2001  電視發射機技術要求和測量方法》，測量方法上采用625 行制第 17 行、第 18 行、第 330 行、第 331 行等測量信号，其顯著特點是廣播系統的大多數主要名額都可以用它作為測量信号進行線上測量 。

    目前高清硬碟播放器正處于繁榮階段，數字技術的成熟，使得高清硬碟播放器性能優秀，一般硬碟播放器都具有AV 複合接口，分量YPbPr 接口，HDMI 高清接口。根據國标《GB-T-3659-1983  電視視訊通道測試方法》，視訊測試信号以12bit 的BMP 檔案形式存儲在硬碟存儲器中，播放時，對信号進行解碼後通過複合模拟輸出口輸出 PAL 制的測試信号。信号經過泰克視訊信号分析儀VM700 校準，達到高精度名額要求

2.測試原理與信号分析 

2.1信号失真

    失真是一個相對的概念，相對于理想狀态或原有事物的變化程度，利用失真這一概念，通過檢查信号在傳輸前後的變化情況來分析裝置的性能。失真一般分為線性失真和非線性失真。

2.1.1線性失真

   1）定義：定義：由于系統特性而産生的失真，與信号本身幅度無關，輸出信号與輸入信号之間保持線性關系

   2）線性失真的分類。

2.1.2非線性失真

   1）定義：信号在傳輸中引起的失真與被傳輸信号本身的幅度有關時，這種失真稱為非線性失真。

   2）非線性失真的分類 

2.1.3主要測試名額分析

1.K系數

    定義：把各種波形失真按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方法。K 系數包括行時間波形失真 Kb、2T 正弦平方波與條脈沖的幅度比 Kpb、2T 正弦平方波失真Kp。在測定的Kb、Kpb、Kp 中，取絕對值最大者，作為K 系數名額。

    測試信号：白條與2T 正弦平方脈沖

2.色亮增益差△K 

    定義：把一個具有規定的亮度和色度分量幅度的測試信号送到被測系統的輸入端，輸出端信号中亮度分量和色度分量幅度比與輸入端幅度比的改變，稱為色度-亮度增益差。

    測試信号：實測信号為副載波填充的 20T  脈沖，其電平為标準彩條信号振幅的 50%；色度信号由該亮度信号 100%調制彩色副載波的調幅信号組成。

3.色亮延時差Δτ 

    定義：把一個具有規定的亮度和色度分量幅度的測試信号送到被測系統的輸入端，輸出端信号中亮度分量和色度分量的調制色絡波形的相應部分在時間關系上出現的內插補點，稱為色度-亮度延時差，用Δτ表示，機關為ns ，規定色度分量延時大于亮度分量時Δτ為正，反之為負。

    測試信号：同色亮增益差

4.幅頻特性 

    定義：從場頻50Hz 至系統标稱截止頻率(6MHz)的頻帶範圍内，通道輸入與輸出之間相對于基準頻率(100~250kHz)的增益變化。

    測試信号：多波群

5.亮度非線性 

    定義：亮度信号經過亮度通道傳輸以後，因通道對不同的電平有不同的放大量而造成的失真，隻與亮度信号的幅度有關。

   測試信号：5 階梯信号

6.微分增益失真DG 

    定義：在彩色電視通道中，疊加在不同亮度信号電平上的色度副載波産生不同的增益變化，稱為微分增益。

    測試信号：調制 5 階梯

7.微分相位失真DP 

   定義：疊加在不同亮度信号電平上的色度副載波産生不同的相位變化，稱為微分相位。

   測試信号：調制 5 階梯

8.色度-亮度交調失真 

       定義：把規定幅度的色度信号疊加在恒定幅度的亮度信号上并加至被測通道的輸入端，而平均圖像電平保持在某一特定值時，輸出端由于疊加的色度信号而引起亮度信号幅度的變化，稱為色度信号對亮度信号的交調失真。  

9.信噪比 

     周期信噪比：周期信号産生的幹擾。測試信号為：灰場。 随機信噪比：随機信号産生的幹擾。

   測試信号為：黑場。 

3.信号産生

3.1系統設計

    本系統基于硬碟播放器平台實作視訊信号發生器，在PC 端産生圖像檔案，儲存與硬碟播放器的硬碟中，播放圖檔，從AV 複合接口中輸出PAL 制複合信号。

2.2信号産生 

    播放器支援BMP、PNG、GIF 等圖檔格式的播放，其中，BMP 格式是無損存儲的，結合播放器的特性，圖檔可以全屏播放且不受時間限制，運用播放BMP 圖檔的方式是産生信号的最佳方式。将測試信号做成BMP 圖檔形式，可以在PC 中運用Matlab 進行仿真和生成。

    信号發生器要求輸出的信号為PAL 制式複合全電視信号。

    AL 制式彩色電視系統中，複合全電視信号是由亮度信号Y 和色度信号 C 疊加而成，而色度信号C 是由兩色差信号R-Y、B-Y 經副載波正交平衡調制而成[5]。由R、G、B 與Y、U、V 的關系式為： 

    Y= 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B

    U= -0.147*R - 0.289*G + 0.436*B = 0.492*(B- Y)               

    V= 0.615*R - 0.515*G - 0.100*B = 0.877*(R- Y)

    Matlab 中産生信号的顔色空間轉換為： 

    YUV<->RGB 

    Y= 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B 

    U= -0.147*R - 0.289*G + 0.436*B = 0.492*(B- Y) 

    V= 0.615*R - 0.515*G - 0.100*B = 0.877*(R- Y) 

    R = Y + 1.140*V 

    G = Y - 0.394*U - 0.581*V 

    B = Y + 2.032*U

    Matlab  中以3 維矩陣空間分别存儲 R、G、B 三個量，支援 24bit，并将RGB 從 0-255歸一化到0-1。

    是以，信号産生的流程是：

    （1）  确定像素精度（M：寬度像素數，N ：高度像素數）

    （2）  按照标準信号的組成與特點，分别産生Y、U、V 三個向量

    （3）  根據顔色空間轉換公式，将Y、U、V 轉換為R、G、B

    （4 ）  根據R、G、B 三向量生成BMP 檔案格式

3.3問題的解決

    需要指出的是：CCIR330 信号中，存在在Y=0 和Y=700mv 上疊加色度副載波，這隻是一種信号的表示方式，實際上，亮度Y=0 和Y=700mv 上是不可能有色度副載波的，亮度為0 即為黑色，就不可能有色度，亮度為700mv 即Y=255 （24bit）即為白色，也不存在色度。   

    CCIR330 的調制5 階梯信号主要用于檢測微分增益失真（DG ）和微分相位失真（DP），微分增益失真是指疊加在不同亮度信号電平上的色度副載波産生不同的增益變化，CCIR330信号的設計是使色度載波在亮度電平上的範圍更廣，為與微分增益失真名額一緻，新的CCIR330 信号修改如下：

    調制 5 階梯的亮度電平分别為：100mv、200mv、300mv、400mv、500mv、600mv，疊加的色度載波幅度為 100mv，即将Y=0 提高到Y=100mv，将Y=700mv 降低到Y=600mv。

4.信号校準

4.1誤差校準原理  

    在 PC 端産生的信号是數字域中的标準信号，經過播放器後轉換為模拟信号  ，由于硬碟播放器本身存在系統誤差，發生器輸出的信号就存在誤差，是以要對信号進行校準，校準工具可運用泰克VM700 分析儀。

4.2誤差校準

    信号校準參考标準為泰克信号發生器TSG95 和國家行業标準《GY-T-177-2001 電視發射機技術要求和測量方法》。

4.2.1濾波器的設計 

    數字域中不存在上升時間[7]，校準前的信号經過播放器輸出在上升與下降部分會産生過沖失真。   

    可在PC 端運用數字低通濾波器将信号進行校準。經過測試，數字低通濾波器的參數如下時，信号名額達到最優，與TSG95 相近.

    通帶頻率：Fpass =1;

    阻帶頻率：Fstop =12;

    通帶紋波：Apass = 1;

    阻帶衰減：Astop = 10;

    采樣頻率：Fs = 210;

    校準後的過沖失真消失了。

    對于其他誤差，根據測試名額的計算方法，可以修改數字域信号的幅度與像素點數結合VM700 分析儀來校準。

5.結論

    通過市場的研究與分析，選用硬碟播放器作為信号發生器的實作平台，分析測試信号各名額以及硬碟播放器的軟硬體特性，結合泰克VM700 信号分析儀對信号進行校準，使輸出測試信号具有高精度特性。佰銳有現有的監控系統Anychat SDK開發包，實作與現有監控系統的正常通訊、視訊解碼、操控指令的傳遞等功能，即可快速将現有的視訊監控平台更新、改造為具有特色遠端監控能力的視訊監控平台。

本文轉自 fanxiaojun 51CTO部落格，原文連結：http://blog.51cto.com/2343338/476366，如需轉載請自行聯系原作者