谈图像质量的恢复与改善以及提高的方法

视频传输特性图解
[内容提要]本文展示了典型国标电缆SYV75-5的实际频率失真波形照片，及加权补偿特性照片，揭示同轴电缆和普通传输系统的0-6M视频传输特性，并提出了图像质量控制的概念，以期对安防监控工程设计和应用有所帮助。

一、不同长度电缆的幅度衰减和频率失真

A:0~6M扫频信号波形
1)视频幅度：1Vp-p
2)行同步头：-0.3V
3)色同步头：0.3Vp-p
4)扫频波形幅度：0.7V
用于检测视频传输系统的频率特性，如电缆衰减特性

B:普通SYV75-5电缆
500米传输衰减波形
视频信号幅度：0.7Vp-p
行同步头：-0.24V
色同步头：不到0.1Vp-p
频率失真：低频0.53V
     高频6M幅度0.18V
  
随着电缆的加长：
1） 视频幅度衰减越来越大；
2） 频率失真（高低频衰减差）越来越严重；
3） 行同步头不仅幅度在缩小，而且方正度在变形、变坏；
4） 4.43M的色同步头，在1000米时（C）勉强还能看到一点，在1500、2000米波形上已很难看清；
5） 实测数据: 1000米75-5电缆衰减分贝数(db)

这是国内安防市场上常见的普通电缆，测试样品是由工程商提供的工程采购电缆，由eie实验室VM700A测试系统检测的。A、B、C为三个不同厂家的产品；SYV是实心聚乙烯电缆，SYWV是高物理发泡电缆；根据经验分析，B)、C)属于合格的国标电缆，A)电缆衰减明显大，可能达不到国标要求；实测和实际应用都表明，SYWV物理发泡电缆的传输性能，优于SYV实心聚乙烯电缆。SYWV物理发泡电缆与SYV实心聚乙烯电缆的区别，只是绝缘层的物理结构（实心和发泡）不同和由此引起的芯线直径的不同；而芯线材料和结构，外屏蔽层的材料、结构和编数都可以根据需要选择，没有固定的专有结构模式；

6） 各种线缆的传输特性，可以参照上述75-5电缆数据进行换算或估算：
1. 国标75-7电缆传输距离，相当于相同类型75-5电缆的1.6倍左右估算，即1600米75-7电缆大约相当于1000米75-5电缆的传输衰减和频率失真；
2. 75-3电缆传输距离，相当于75-5电缆的0.4倍左右估算，即400米75-3电缆大约相当于1000米75-5电缆的传输衰减和频率失真；
3. 超5类非屏蔽双绞线传输距离，相当于75-5电缆的0.43倍左右估算，即430米超5类非屏蔽双绞线电缆大约相当于1000米75-5电缆的传输衰减和频率失真；
这里所说的“传输距离”，是具有相同衰减和频率失真的不同类型电缆的长度，这是为了了解不同类型电缆传输特性提出来的一般概念，不是保证图像质量的有效传输距离

二、视频传输标准和图像质量要求

    视频传输标准和图像质量要求问题，在监控行业的实际工程操作中，一直是“一笔糊涂帐”，甚至可以用“各吹各的号，各唱各的调”来形容。也可能值也是行业管理上的先天不足吧！

1. 我国安防行业PAL-D视频传输频率特性失真度标准要求，如上图所示。这是最基本的、常用的“3db”带宽概念和要求：在0-6M标准视频带宽内，各频率的衰减特性最大误差，即 “频率失真”应不大于3db; 按照这个要求，传输的图像失真是不允许主观察觉出来的；在实际工程操作中采用“主观评价标准”，但有时就变成了“我觉得可以”，“说得过去”就行的随意“标准”了；按照上述“3db”带宽标准和电缆实测数据，可以计算出上述三种电缆确保图像质量的最大传输距离；

2. 传输距离计算一：按照高、低频衰减差“3db”带宽要求：A)电缆1000米高低频差为(25.22-5.76=19.46db),3db对应电缆长度为154米；B)为168.67米；C)为214.75米；

3. 传输距离计算二：因为不考虑有放大器补偿，根据“3db”带宽要求，只需按照最高频率6M衰减计算：A)电缆1000米25.22db,3db对应电缆长度为118米；B)为140米；C)为157米；所以工程设计上，75-5电缆确保图像质量标准的无补偿传输距离为120-150米；其他型号电缆可以按上述方法换算：如75-7电缆为1.6倍，即190-240米；

4. 在监控行业网站上，经常有人问“75-5电缆能传多远？”而回答又是300米到1000多米的五花八门答案，让问者模不着头脑。这里的根本原因就是没有统一的传输技术标准依据，仅凭各自主观感觉来回答的；

5. 主观评价是有严格标准和评价方法的，而且应该了解，这种方法也有一定的局限性。但在不少监控工程实际操作中，不仅“局限性”没有引起注意，而且往往把“主观评价标准”理解成了“自我感觉”的随意“标准”，这就难免出现五花八门，差别悬殊的传输距离答案。但这毕竟不是“行业标准”和设计依据；

  
6.上图为1000米SYV75-5电缆传输特性和图像照片，显然频率特性（1）明显不合格，1000米对应的图像（2）显然太淡，经过监视器对比度和色度调整后，图像（3）略有改善。但与愿图像仍有明显差异，尽管这种图像在个别工程中双方也认可了，但应认识到，这是技术标准不允许、不合格的传输特性和图像质量效果。

三、传输系统的衰减和失真

监控系统的实际视频传输网路，往往不是一条简单的电缆，而是由多个传输环节串联组成的。

例如，一个光纤传输系统组成是：摄像机信号——同轴电缆传输——光发射机——光纤——光接收机——同轴电缆——视频分配器——矩阵主机——同轴电缆——监视器显示，传输系统包括：三段同轴电缆，一段光传输，一个视频分配器，一个矩阵切换主机。如果每一个环节传输特性都在标准的下限边缘，单独检查每个环节传输的图像可能都“差不多”，“还可以”，但系统整体的视频传输特性一定“不会合格”，甚至差的不可思议。这是因为，设计上把所有环节都理想化考虑。在这个工程例子中，简单的认定：光端机的没有问题，三段电缆、分配器和矩阵主机更不用考虑。

电缆的影响前面已经谈了，设备的影响也应充分注意和了解，切忌理想化。例如：
光端机，要达到传输标准要求不是很容易的，需有严格的质量控制手段和昂贵的检测设备保证。有的光断机，也有检测证书，但给用户提供的设备确是另一回事，传输特性的频率失真，竟然和300-500米75-5电缆差不多，工程中还有几段同轴电缆，有的甚至长达500米以上，实际情况与工程设计中“理想化考虑”往往有明显差距；
矩阵主机，一入一出切换输出时，失真度勉强合格；但不少矩阵主机当1入2出时，失真度便超标变坏，多路输出时频率失真度严重变坏。更不用说有的产品，一入一出切换输出时，失真度就不合格。这也是工程设计中最容易被忽视了的因素。
在多环节视频传输的工程设计和器材配套选购中，经常遇到这种情况，系统图像不理想，往往还不知道问题到底出在哪里？

四、传输失真的补偿与视频恢复
    传输失真，限制了电缆的传输距离，也就限制了同轴电缆的监控范围。在多环节传输系统中，传输失真更提高了对每一个传输环节的性能要求，也加大了系统设计难度。使系统图像质量难以做得很理想。所以，长期以来，“监控系统谁都会做，但图像质量都要做好，也太不容易了”，这就是众多工程技术人员的共同体验和感慨！

  
上图a是一个失真度较大的“衰减频率特性”波形，其特点是：幅度衰减大，高低频衰减差异也很大，行同步头幅度减小，前后沿拖尾，色同步头也所剩无几了。显然，用这个系统来传输摄像机视频信号，图像质量不可能达到要求。

普通视频放大器，在0-6M带宽内具有相同的增益，用这种普通视频放大器，无法解决频率失真的补偿问题，其传输特性如图C所示。显然不能对视频衰减和失真实现有效恢复。                                    

“频率加权补偿技术”原理，是产生一个与“衰减频—率特性”相反互补的“增益—频率特性”，如上图b所示。通俗理解，就是损失了多少，补偿多少。如1.5M频率分量传输衰减为-5db,放大器就应该在1.5M频率上，提供+5db的补偿增益;6M频率分量衰减了-20db, 放大器就应该在6M频率上，提供+20db的补偿增益。在0-6M视频带宽内，使每一个频率分量的衰减都能得到相应的增益补偿，从而使“电缆+放大器”的综合视频传输特性得到有效补偿，图像质量才能实现有效恢复；这就是 “可变频率加权视频恢复技术”原理。

“可变频率加权视频恢复技术”的实际应用：
1） 在工程现场，通过调整设在传输末端的视频恢复主机，把系统传输特性按照行业技术标准，实现传输特性最佳化，以高保真的实现视频图像传输；
2） 按照行业视频传输技术标准要求（不是自我感觉），可使同轴电缆的有效监控范围，从1、2百米，扩展到2、3公里，即在2、3公里范围内的任何距离上，都可以恢复到摄像机源图像水平；
3） 在多环节视频传输系统中，对“不理想”、“不满意”、“不及格”的传输特性，可以进行“最佳化”有效补偿，实现视频图像的有效恢复；降低了对传输线缆和传输设备的过高要求，提高了系统的图像质量，降低了传输系统的设计难度和工程造价；
这里提出的新概念是：图像质量可以控制，可以改善，可以恢复。那种图像质量“做到什么样，算什么样”被动局面，有望被改观。
“可变频率加权视频恢复技术”的实际应用，还需得到业界的支持，这一技术也将在实践中经受考验，不断完善，充实和提高。