新型监控视频信号的设计与实现

1.引言

视频安防监控系统的测试监测设备在国内属于起步阶段，近年安防监控系统各种国家标准的颁布，也对安防监控系统的测试设备提出要求，即一是小型化，便于携带；二是检测功能齐全，即要求能在监控中心测试录像机、硬盘录像机、切换器、分配器等设备的所有视频指标参数。随着技术的发展及数字电视的应用，高质量的设备器件已被大量采用，图像质量已经可以达到电视广播级水平，因此可以采用广播级的视频技术标准参数来检测要求图像质量。

视频监控系统的基本测量方法，是将一标准的视频测试信号送入视频通道前端，在它的末端通过测试仪器检验该信号的失真及参数改变，从而判定通道的传输性能及质量。

目前中国的电视制式是 PAL制（625 线，50Hz，隔行扫描），根据国家行业标准《GY-T-177-2001 电视发射机技术要求和测量方法》，测量方法上采用625 行制第 17 行、第 18 行、第 330 行、第 331 行等测量信号，其显著特点是广播系统的大多数主要指标都可以用它作为测量信号进行在线测量 。

目前高清硬盘播放器正处于繁荣阶段，数字技术的成熟，使得高清硬盘播放器性能优秀，一般硬盘播放器都具有AV 复合接口，分量YPbPr 接口，HDMI 高清接口。根据国标《GB-T-3659-1983 电视视频通道测试方法》，视频测试信号以12bit 的BMP 文件形式存储在硬盘存储器中，播放时，对信号进行解码后通过复合模拟输出口输出 PAL 制的测试信号。信号经过泰克视频信号分析仪VM700 校准，达到高精度指标要求

2.测试原理与信号分析

2.1信号失真

失真是一个相对的概念，相对于理想状态或原有事物的变化程度，利用失真这一概念，通过检查信号在传输前后的变化情况来分析设备的性能。失真一般分为线性失真和非线性失真。

2.1.1线性失真

1）定义：定义：由于系统特性而产生的失真，与信号本身幅度无关，输出信号与输入信号之间保持线性关系

2）线性失真的分类。

2.1.2非线性失真

1）定义：信号在传输中引起的失真与被传输信号本身的幅度有关时，这种失真称为非线性失真。

2）非线性失真的分类

2.1.3主要测试指标分析

1.K系数

定义：把各种波形失真按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。K 系数包括行时间波形失真 Kb、2T 正弦平方波与条脉冲的幅度比 Kpb、2T 正弦平方波失真Kp。在测定的Kb、Kpb、Kp 中，取绝对值最大者，作为K 系数指标。

测试信号：白条与2T 正弦平方脉冲

2.色亮增益差△K

定义：把一个具有规定的亮度和色度分量幅度的测试信号送到被测系统的输入端，输出端信号中亮度分量和色度分量幅度比与输入端幅度比的改变，称为色度-亮度增益差。

测试信号：实测信号为副载波填充的 20T 脉冲，其电平为标准彩条信号振幅的 50%；色度信号由该亮度信号 100%调制彩色副载波的调幅信号组成。

3.色亮延时差Δτ

定义：把一个具有规定的亮度和色度分量幅度的测试信号送到被测系统的输入端，输出端信号中亮度分量和色度分量的调制色络波形的相应部分在时间关系上出现的差值，称为色度-亮度延时差，用Δτ表示，单位为ns ，规定色度分量延时大于亮度分量时Δτ为正，反之为负。

测试信号：同色亮增益差

4.幅频特性

定义：从场频50Hz 至系统标称截止频率(6MHz)的频带范围内，通道输入与输出之间相对于基准频率(100~250kHz)的增益变化。

测试信号：多波群

5.亮度非线性

定义：亮度信号经过亮度通道传输以后，因通道对不同的电平有不同的放大量而造成的失真，只与亮度信号的幅度有关。

测试信号：5 阶梯信号

6.微分增益失真DG

定义：在彩色电视通道中，叠加在不同亮度信号电平上的色度副载波产生不同的增益变化，称为微分增益。

测试信号：调制 5 阶梯

7.微分相位失真DP

定义：叠加在不同亮度信号电平上的色度副载波产生不同的相位变化，称为微分相位。

测试信号：调制 5 阶梯

8.色度-亮度交调失真

定义：把规定幅度的色度信号叠加在恒定幅度的亮度信号上并加至被测通道的输入端，而平均图像电平保持在某一特定值时，输出端由于叠加的色度信号而引起亮度信号幅度的变化，称为色度信号对亮度信号的交调失真。

测试信号：调制 5 阶梯

9.信噪比

周期信噪比：周期信号产生的干扰。测试信号为：灰场。 随机信噪比：随机信号产生的干扰。

测试信号为：黑场。

3.信号产生

3.1系统设计

本系统基于硬盘播放器平台实现视频信号发生器，在PC 端产生图像文件，保存与硬盘播放器的硬盘中，播放图片，从AV 复合接口中输出PAL 制复合信号。

2.2信号产生



播放器支持BMP、PNG、GIF 等图片格式的播放，其中，BMP 格式是无损存储的，结合播放器的特性，图片可以全屏播放且不受时间限制，运用播放BMP 图片的方式是产生信号的最佳方式。将测试信号做成BMP 图片形式，可以在PC 中运用Matlab 进行仿真和生成。

信号发生器要求输出的信号为PAL 制式复合全电视信号。

AL 制式彩色电视系统中，复合全电视信号是由亮度信号Y 和色度信号 C 叠加而成，而色度信号C 是由两色差信号R-Y、B-Y 经副载波正交平衡调制而成[5]。由R、G、B 与Y、U、V 的关系式为：

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 中产生信号的颜色空间转换为：

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 维矩阵空间分别存储 R、G、B 三个量，支持 24bit，并将RGB 从 0-255归一化到0-1。

因此，信号产生的流程是：

（1） 确定像素精度（M：宽度像素数，N ：高度像素数）

（2） 按照标准信号的组成与特点，分别产生Y、U、V 三个向量

（3） 根据颜色空间转换公式，将Y、U、V 转换为R、G、B

（4 ） 根据R、G、B 三向量生成BMP 文件格式

3.3问题的解决

需要指出的是：CCIR330 信号中，存在在Y=0 和Y=700mv 上叠加色度副载波，这只是一种信号的表示方式，实际上，亮度Y=0 和Y=700mv 上是不可能有色度副载波的，亮度为0 即为黑色，就不可能有色度，亮度为700mv 即Y=255 （24bit）即为白色，也不存在色度。

CCIR330 的调制5 阶梯信号主要用于检测微分增益失真（DG ）和微分相位失真（DP），微分增益失真是指叠加在不同亮度信号电平上的色度副载波产生不同的增益变化，CCIR330信号的设计是使色度载波在亮度电平上的范围更广，为与微分增益失真指标一致，新的CCIR330 信号修改如下：

调制 5 阶梯的亮度电平分别为：100mv、200mv、300mv、400mv、500mv、600mv，叠加的色度载波幅度为 100mv，即将Y=0 提高到Y=100mv，将Y=700mv 降低到Y=600mv。

4.信号校准

4.1误差校准原理



在 PC 端产生的信号是数字域中的标准信号，经过播放器后转换为模拟信号 ，由于硬盘播放器本身存在系统误差，发生器输出的信号就存在误差，因此要对信号进行校准，校准工具可运用泰克VM700 分析仪。

4.2误差校准

信号校准参考标准为泰克信号发生器TSG95 和国家行业标准《GY-T-177-2001 电视发射机技术要求和测量方法》。

4.2.1滤波器的设计

数字域中不存在上升时间[7]，校准前的信号经过播放器输出在上升与下降部分会产生过冲失真。

可在PC 端运用数字低通滤波器将信号进行校准。经过测试，数字低通滤波器的参数如下时，信号指标达到最优，与TSG95 相近.

通带频率：Fpass =1;

阻带频率：Fstop =12;

通带纹波：Apass = 1;

阻带衰减：Astop = 10;

采样频率：Fs = 210;

校准后的过冲失真消失了。

对于其他误差，根据测试指标的计算方法，可以修改数字域信号的幅度与像素点数结合VM700 分析仪来校准。

5.结论



通过市场的研究与分析，选用硬盘播放器作为信号发生器的实现平台，分析测试信号各指标以及硬盘播放器的软硬件特性，结合泰克VM700 信号分析仪对信号进行校准，使输出测试信号具有高精度特性。佰锐有现有的监控系统Anychat SDK开发包，实现与现有监控系统的正常通讯、视频解码、操控指令的传递等功能，即可快速将现有的视频监控平台升级、改造为具有特色远程监控能力的视频监控平台。

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