目前，視頻監(jiān)控已在安防領域里廣泛的應用，但是存在實時監(jiān)視和圖像回放不清晰的現(xiàn)象，導致對識別、取證、事件分析造成困難。本文就攝像機性能、視頻線纜性能、視頻圖像壓縮和顯示設備四大部分作出分析，并提出提高視頻圖像清晰度的整體系統(tǒng)設計思想，以供參考。
電視監(jiān)控系統(tǒng)在我國已經(jīng)非常普及，包括銀行、軍隊、政府、企業(yè)都已經(jīng)安裝了大量的攝像機。但據(jù)初步了解，絕大多數(shù)的電視監(jiān)控系統(tǒng)存在實時監(jiān)視和回放圖像不清晰的問題，從而導致對識別、取證、事件分析造成困難，甚至使嫌疑人面部特征無法辨認。
本文在頻域分析技術和視頻信息數(shù)字處理技術的基礎上，對影響清晰度的攝像機性能、視頻線纜性能、視頻圖像壓縮和顯示四大部分作出分析，并提出提高視頻圖像清晰度的整體系統(tǒng)設計思想，以提高現(xiàn)有的電視監(jiān)控系統(tǒng)的圖像清晰度，最終給出使用VQT-3000視頻圖像質量測試儀和市場兩種常用攝像機清晰度的測試結果，以供參考。
前言
隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各大城市已經(jīng)建有大量的電視監(jiān)控系統(tǒng)。但是盡管安裝了眾多的監(jiān)控攝像機，案情發(fā)生后的圖像回放都存在圖像不清晰的問題，特別是嫌疑人面部特征不清晰，難以辨認，這給公安部門的破案、法院的取證都帶來了極大的麻煩。本項目就是在頻域分析技術和視頻信息數(shù)字處理技術的基礎上，重點解決圖像清晰化的問題。
當我們花費很大的資金安裝了電視監(jiān)控系統(tǒng)，卻得不到清晰的圖像（具體請見圖1、2、3），這給實際工作帶來很大的問題：
1、無法判別現(xiàn)場細節(jié)；
2、無法辨認犯罪嫌疑人面部特征；
3、無法成為現(xiàn)場取證資料。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像質量分析
根據(jù)我們認真分析，影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像顯示質量的主要因素有：
1、鏡頭；
2、攝像機；
3、視頻BNC接頭；
4、視頻電纜傳輸；
5、視頻服務器和硬盤錄像機圖像壓縮算法；
6、監(jiān)視器。
鏡頭對圖像質量的影響
鏡頭鍍膜對鏡頭有影響。鏡頭鍍膜的作用是為了增加透光性和降低反光，好的鍍膜不會影響色彩平衡和鏡頭參數(shù)。
非球面鏡片，民用級的一般是樹脂鏡片；因為民用級的攝像機，一般只采用成本較低的復合型非球面鏡片或鑄造成型的非球面鏡片。復合型非球面鏡片，就是在光學玻璃的球面鏡片上，先涂覆一層光學樹脂，再將涂覆的樹脂部分加工成非球面的形狀。鑄造成型的非球面鏡片，則是用精密鑄造的方法，將光學樹脂直接鑄造成型，比復合型的簡單，成像質量就比全玻璃的球面鏡有所改善。
綜上所述，就光學鏡頭和樹脂鏡頭來說，影響圖像質量的主要指標是透光率和透光特性。具體數(shù)據(jù)請見表1。
攝像機圖像質量分析
1、垂直分辨率
垂直分辨率由電視制式的掃描線數(shù)決定。PAL制式表示1幀有效掃描線為625線，平均1個場有20線垂直消隱時間，因此，實際畫面只出現(xiàn)585線。另外，由于CCTV采用的是逐行掃描方式，因此分辨率下降。其比例被稱為凱爾系數(shù)，按照經(jīng)驗，使用0.7數(shù)值。這樣，最終垂直分辨率HV=（625-20x2）x0.7，約410線左右是垂直分辨率的界限。如上所述，垂直分辨率由電視制式?jīng)Q定，并不表示攝像機的性能。
2、水平分辨率
這是CCTV監(jiān)控攝像機性能的重要指標之一。實際使用的CCD決定了時鐘頻率和采樣頻率。使用高分辨率的CCD的采樣頻率為14.18MHz，根據(jù)香農采樣原理（采樣頻率必須為連續(xù)信號擁有頻率上限的2倍以上），圖像信號頻率被限制在約7MHz。
另外，如果圖像信號成份存在超過采樣頻率1/2的頻率成份，將產生折疊現(xiàn)象，產生假信號/摩爾紋圖像不純。為了防止這種現(xiàn)象，需要使用高效帶通濾波器7MHz以上頻率。實際上很難制造出這樣的濾波器，因此，圖像信號頻率變?yōu)?MHz左右，水平分辨率達到480線。
3、靈敏度
CCTV監(jiān)控攝像機的另外一個重要性能是最低被攝物體的照度（靈敏度）。所謂最低被攝物體照度，就是“為了獲得可識別被攝物體最低限界的圖像輸出水平而所需的必要的被攝物體照度”，用lux（勒克斯）表示。
4、環(huán)境照度
表2中列出了辦公室、公共用室、生活用室、星級飯店照明設計參考值
從表3可以看出，飯店的照度最高1,500lux，大部分為100~300 lux。在這樣條件下對攝像機進行測試，和我們得到的各廠家攝象機性能有很大的差別，這是因為各廠家攝象機性能指標很多是在理想情況下（由各廠家自行定義）獲得的，通常室外照度變化最大，可以在0.2~100,000 Lux的范圍內變化。
因此建議工程商對需要安裝的攝像機（含鏡頭）進行較為全面的測試，重點包括垂直和水平分辨率測試、色彩還原測試、線性度測試、聚焦測試、面部識別等級測試、阻抗匹配特征測試，特別是在安裝環(huán)境照度下的測試，當不能確認安裝環(huán)境照度時，參考辦公室、公共用室、生活用室、星級飯店照明設計參考值。由于工程商在視頻監(jiān)控項目較多的情況下，應當購置專用設備對攝像機（含鏡頭）進行全面測試。
視頻電纜傳輸圖像質量分析
1、視頻電纜傳輸特性
在監(jiān)控市場迅猛發(fā)展的今天，許多工程人員越來越需要對監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸性能進行全面細致的了解。
視頻傳輸目前主要有兩種方式，視頻基帶傳輸和視頻載波傳輸（射頻）。習慣上分別采用SYV-75系列和SYWV-75系列同軸電纜傳輸。
首先我們從圖5的頻譜上看一看視頻基帶和視頻載波（射頻）的分布特點。通常同軸電纜可傳輸接近1GHz的信號，從圖中看出，傳統(tǒng)的視頻基帶傳輸只占了電纜可傳輸頻率的極少部分（6MHz），電纜大部分頻譜資源是空閑的。在視頻載波（射頻）傳輸中，是利用50MHz到1000MHz的頻譜進行信號傳輸。同軸電纜在傳輸信號中，對各種頻率的衰減程度是不同的。
從圖6中可以看出，同軸電纜對不同的頻率傳輸衰減也不同，無論是基帶視頻傳輸還是載波傳輸，通過電纜傳輸后的信號都會產生頻率失真，頻率越高衰減越大。因此，必須對這種電纜在傳輸中造成的頻率失真進行補償。表4是兩種電纜對不同頻率的衰減表。
同軸傳輸特性基本特點：
1、電纜越細，衰減越大；
2、電纜越長，衰減越大。
同類SYV-75-5型號下面有3個不同的型號，分別代表64匝，96匝，128匝，當然匝數(shù)越大越好，當然匝數(shù)越高，價格也越貴，目前常用的為128匝。
以上所述僅僅為視頻傳輸中原理性信號衰減，將導致視頻圖像的不清晰。
顯然，視頻電纜生產廠家、視頻插頭的質量好壞更是直接影響視頻圖像質量的重要因素，測試通過的視頻電纜質量必須與實際工程中的視頻電纜一致才有意義。
2、視頻電纜傳輸干擾分析
同軸電纜對各種頻率的隔離程度，即抗干擾能力有較大差別，圖7是同軸電纜在外界施加不同頻率的等幅干擾電壓情況下，測到的感應電壓。
從圖7的曲線可以看出，同軸電纜對低頻的屏蔽隔離較差，頻率越高，隔離越好。目前出現(xiàn)干擾最多的是低頻信號干擾，220V 50HZ的頻率竄入視頻信號，表現(xiàn)為畫面上有滾動的雙條紋，解決方法有兩種，視頻走線管道要求采用鐵管走線，防止附近的燈，風機的低頻信號竄入，同時要求鐵管之間很好的連接。另外可以使用UPS，UPS設計要考慮到余量，一般對監(jiān)控要求不高的地方，UPS斷電維持時間為15分鐘左右即可，UPS一個用途是濾波，防止一些非正常信號竄入，另外一個用途為穩(wěn)壓作用，因為電壓不穩(wěn)定造成監(jiān)控主機頻繁重啟的故障。
視頻壓縮算法對視頻圖像質量影響
高清晰視頻圖像除了通常所熟悉的像素指標外，還有像素深度，它是用來度量圖像的分辨率，像素深度決定視頻圖像各個像素的顏色數(shù)值，在高清晰視頻圖像中，每一個彩色視頻圖像像素深度用R、G、B（紅色、綠色、藍色）三個分量表示，每個顏色分量用8位2進制表示，因此R、G、B（紅色、綠色、藍色）三個分量的顏色組合為224= 16777216種。
鑒于未經(jīng)壓縮的數(shù)字視頻圖像傳輸和存儲占用空間和帶寬很大，因此必須對數(shù)字視頻圖像進行壓縮，一般情況下，因為監(jiān)視器顏色分辨率的限制、人的眼睛分辨率的限制，不一定要求很深的像素深度。但是過淺的像素深度將導致視頻圖像顏色失真和粗糙。由于人眼對顏色細節(jié)的分辨能力遠比對亮度（黑白）細節(jié)的分辨能力低，而且使眼睛逐漸遠離屏幕，當你分辨不出彩條時，黑白條仍然能夠分辨出來。
我們選擇紅、綠、藍三基色相互組合經(jīng)過測試，我們得出下述結論并作為彩色視頻無損壓縮的依據(jù)：亮度分辨率同彩色分辨率之比大約在1：0.32 ?0.72。
根據(jù)這個原理，利用不同的顏色空間也能壓縮圖像數(shù)據(jù)。保持亮度分量的分辨率而把彩色分量的分辨率降低，這樣并不會明顯降低圖像的質量。實際中可以把幾個相鄰像素的顏色值當作相同的顏色值來處理，從而減少所需的存貯容量。
視頻壓縮的三種基本方式：第一種方法是將相同的或相似的視頻數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)特征歸類，使用較少的數(shù)據(jù)量描述原始數(shù)據(jù)，達到減少視頻數(shù)據(jù)量的目的。這種壓縮一般為無損壓縮。第二種方法是利用人眼的視覺特性有針對性地簡化不重要的顏色數(shù)據(jù)，以減少總的數(shù)據(jù)量。這種壓縮一般為有損壓縮，只要損失的數(shù)據(jù)不太影響人眼主觀接收的效果，就可采用。第三種方法是幀間壓縮方式，或者稱為動態(tài)壓縮方式。
因此在存儲設備和網(wǎng)絡帶寬允許的情況下，硬盤錄象機的碼流設置應當盡量提高，以保證圖像清晰度。通過我們對某型國產硬盤錄象機碼流變化測試，當碼流從220MB/小時降到150MB/小時，圖像分辨率下降18％。
監(jiān)視器分辨率對視頻圖像質量影響
據(jù)專家統(tǒng)計得出，人眼睛的分辨率為350DPI，換算到15"顯示器對應的分辨率為：4200 x 3150。
光在視網(wǎng)膜中轉變?yōu)樯窠?jīng)電信號需要一段時間。研究表明，視網(wǎng)膜上準確的物體影像，在物體消失后，仍會持續(xù)10-20毫秒之久，之后該影像才快速隱退，如果物體足夠明亮，還會留下一個輪廓。因此，光在眼睛上建立的視覺圖像需要一段時間才能消失，這種現(xiàn)象叫做視覺殘留。人眼的視覺殘留時間大約為0.04s（0.005秒到0.1秒），所以人眼能對出現(xiàn)在人的視覺中維持時間大于這個值的影像準確分辨和定位，也就是說，必須以大于每秒24幀以上的速度連續(xù)播放影像，才可以在人眼中形成連續(xù)的動畫。
余輝時間短于10μs為極短余輝，10μs-1ms為短余輝，1ms-0.1s為中余輝，0.1s-1s為長余輝，大于1s為極長余輝。一般液晶顯示器的余輝時間大約在25毫秒左右。綜合攝像機垂直和水平分辨率、視頻信號傳輸、視頻圖像壓縮綜合因素，選擇的彩色監(jiān)視器應該在500線以上。
VQT-3000視頻圖像質量測試儀測試結果
我們從銀行隨機抽取的幾臺正在工作的攝像機（其中有國產和進口品牌），并對這幾臺攝像機進行了如下多個指標測試（測試結果如圖8）：
·垂直和水平分辨率測試
·帶寬測試
·色彩還原測試
·線性度測試
·聚焦測試
·面部識別等級測試
·阻抗匹配特征測試
·Γ特性測試
·NSW測試
·信噪比測試
結論
經(jīng)過我們對影響整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像清晰度四大因素的數(shù)字分析，同時對應用在監(jiān)控工程中的鏡頭、攝像機、視頻電纜和接插件（含布線）、最優(yōu)壓縮算法和監(jiān)視器的選擇，我們獲得了非常令人滿意的視頻圖像清晰度。今后我們還要在色彩還原、三維自由立體顯示進行更加深入的研究。
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