一、引言
我們?cè)谌粘Ｉ钪袝?huì)經(jīng)常接觸到視頻信號(hào)， 它通常由紅、綠、藍(lán)三種基色信號(hào)組成，這三個(gè)基色信號(hào)可以通過(guò)不同的比例和亮度組合來(lái)生成各種顏色的圖像。視頻信號(hào)的應(yīng)用非常廣泛，包括電視廣播、電影制作、視頻會(huì)議、監(jiān)控系統(tǒng)等。
隨著技術(shù)的發(fā)展，視頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量和處理效率也在不斷提高。但整體來(lái)講，視頻信號(hào)的基本組成原理和基本格式通常都是相似的。因此，了解視頻信號(hào)的組成原理和傳輸格式對(duì)于我們測(cè)試相關(guān)的視頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)大有幫助。
為了確保視頻信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，需要對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和評(píng)估。這些指標(biāo)包括但不限于視頻信號(hào)幅度、亮度非線(xiàn)性、K系數(shù)、穩(wěn)定性、信噪比、色調(diào)、視頻電平、聲道以及音頻信號(hào)質(zhì)量等。通過(guò)測(cè)試這些指標(biāo)，可以確保視頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)失真、噪聲等問(wèn)題，從而保證觀眾能夠獲得清晰、流暢、色彩鮮艷的視覺(jué)體驗(yàn)。同時(shí)，這些指標(biāo)也是衡量視頻設(shè)備性能和質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于制造商和用戶(hù)來(lái)說(shuō)具有重要意義。
因此，本文將會(huì)圍繞JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)中閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的傳輸通道指標(biāo)內(nèi)容，對(duì)視頻信號(hào)格式和視頻通道測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的介紹。
二、視頻信號(hào)原理
2.1 視頻信號(hào)的組成
視頻信號(hào)由亮度信號(hào)、色度信號(hào)和同步信號(hào)組成。
亮度信號(hào)：包含視頻圖像的強(qiáng)度（亮度或暗度）信息
色度信號(hào)：包含視頻圖像的色彩信息
同步信號(hào)：控制在電視顯示屏等顯示器上信號(hào)的掃描
圖1 視頻信號(hào)組成
2.1.1 亮度信號(hào)
亮度信號(hào)以幅度值來(lái)表示亮度大小。如圖2所示，該圖為亮度階梯信號(hào)，每個(gè)階梯的亮度大小如紅點(diǎn)所示分別為：140mV, 280mV, 420mV,560mV ,700mV 。不同的階梯代表不同的亮度，最小值為黑，最大值為白，中間為灰。
圖2 亮度信號(hào)
2.1.2 色度信號(hào)
色度信號(hào)由色調(diào)和飽和度組成。
色調(diào)是指圖像的相對(duì)明暗程度，在彩色圖像上表現(xiàn)為顏色，是顏色的重要特征，它決定了顏色本質(zhì)的根本特征。如圖3所示：
圖3 色度信號(hào)的色調(diào)
飽和度指色彩的鮮艷程度，也稱(chēng)色彩的純度。純的顏色都是高度飽和的，如鮮紅，鮮綠。
圖4 色度信號(hào)的飽和度
色調(diào)與色飽和度通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成色差信號(hào)，然后調(diào)制在色副載波上。已調(diào)色差信號(hào)即為色度信號(hào)，其相位代表色調(diào)，即顏色；其幅度代表色飽和度。
如下圖中紅框所展示的就是色度信號(hào)：
圖5 色度信號(hào)
藍(lán)框內(nèi)的信號(hào)為一個(gè)參考信號(hào)，用作色度信號(hào)解析的參考。
2.1.3 同步信號(hào)
同步信號(hào)控制顯示器上信號(hào)的掃描，包括行同步和場(chǎng)同步的。如圖6藍(lán)框內(nèi)。
行同步信號(hào)：同步行掃描的信號(hào)，每行來(lái)一次，每來(lái)一次就意味著本行掃描結(jié)束，新的一行就要開(kāi)始了。
場(chǎng)同步信號(hào)：同步場(chǎng)掃描的信號(hào)，每場(chǎng)來(lái)一次，每來(lái)一次就意味著本場(chǎng)掃描結(jié)束，新的一場(chǎng)就要開(kāi)始。
圖6 同步信號(hào)
場(chǎng)和幀的概念并不相同，一場(chǎng)指的是從屏幕上邊掃到下邊的一次，而幀指的是能夠組成完整畫(huà)面的圖像數(shù)據(jù)。在逐行掃描中一場(chǎng)等于一幀，而在隔行掃描中一幀包括兩場(chǎng)：奇場(chǎng)和偶場(chǎng)。
2.2 視頻信號(hào)格式
在JTG2182關(guān)于閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的傳輸通道指標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，視頻信號(hào)的格式主要有三種：標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)（CCVS）、高清模擬分量視頻信號(hào)（RGB、YPbPr）、高清數(shù)字分量視頻信號(hào)（RGB、YCbCr）。
在我們的信號(hào)源VSG中，接口形式為：
圖7 VSG接口形式
2.2.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)（CCVS）
標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)（CCVS）由1個(gè)75Ω阻抗的BNC接口（如下圖）傳輸。標(biāo)清表示分辨率為720×576，模擬代表傳輸?shù)男盘?hào)為模擬信號(hào)，復(fù)合代表亮度信號(hào)、色度信號(hào)和同步信號(hào)合成到一個(gè)復(fù)合信號(hào)中進(jìn)行傳輸。
圖8 CCVS接口
2.2.2 高清模擬分量視頻信號(hào)（RGB、YPbPr）
在高清模擬分量視頻信號(hào)（RGB、YPbPr）由三組75Ω BNC接口進(jìn)行傳輸，如圖9所示。 其中高清表示分辨率最高可達(dá)1920×1080。模擬代表傳輸?shù)男盘?hào)為模擬信號(hào)。 分量表示亮度信號(hào)、色度信號(hào)、同步信號(hào)分別進(jìn)行傳輸。
在RGB格式下亮度信號(hào)與色度信號(hào)是分別由R/G/B三種信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)?，其中同步信?hào)在G信號(hào)里面。YPbPr格式下，Y信號(hào)為亮度信號(hào)和同步信號(hào)，Pb、Pr為色度信號(hào)。
圖9 RGB、YPbPr接口
2.2.3 高清數(shù)字分量視頻信號(hào)（RGB、YCbCr）
在高清數(shù)字分量視頻信號(hào)（RGB、YCbCr）中，信號(hào)由1組HDMI接口進(jìn)行傳輸。 其中高清表示分辨率最高可達(dá)1920×1080。數(shù)字代表傳輸信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。 分量表示亮度信號(hào)、色度信號(hào)、同步信號(hào)分別進(jìn)行傳輸。
在RGB格式下亮度信號(hào)與色度 信號(hào)是分別由R/G/B三種信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)?，其中同步信?hào)在G信號(hào)里面。YCbCr格式下，Y信號(hào)為亮度信號(hào)和同步信號(hào)，Cb、Cr為色度信號(hào)。
圖10 HDMI接口
三、相關(guān)視頻指標(biāo)分析
3.1 視頻信號(hào)幅度（白條幅度）
標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)幅度是1Vp-p，此處主要是白條幅度即視頻電平：700mV。
圖11 白條幅度
白條幅度對(duì)視頻的影響： 超出指標(biāo)值會(huì)造成圖像過(guò)亮或過(guò)暗。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第7頁(yè)）：
8.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)
? △8.1.1 視頻電平（700±30）mV
3.2 視頻信號(hào)幅度（同步脈沖幅度）
此處主要是同步脈沖幅度,即同步脈沖信號(hào)的幅度：300mV。
圖12 同步脈沖幅度
同步脈沖幅度對(duì)視頻的影響：超出指標(biāo)值會(huì)引起圖像扭曲，甚至圖像顯示無(wú)法觀看。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第7頁(yè)）：
8.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)
? △8.1.2 同步脈沖幅度（300±20）mV
3.3 亮度線(xiàn)性（K系數(shù)）
用來(lái)度量圖像損傷，這里的失真是短時(shí)間波形失真。一般用“2T正弦平方波失真”( K-2T)作為測(cè)試指標(biāo)。
圖13 亮度線(xiàn)性（K系數(shù)）
亮度線(xiàn)性（K系數(shù)）對(duì)視頻的影響： 導(dǎo)致圖像出現(xiàn)多輪廓、造成重影，使清晰度下降。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第8頁(yè)）：
8.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)
? △8.1.3 回波E ＜7%
3.4 亮度非線(xiàn)性
從消隱電平（黑電平）到白電平之間變化的線(xiàn)性度。計(jì)算相應(yīng)各階梯幅度值之間的最大差值。
圖14 亮度非線(xiàn)性
亮度非線(xiàn)性對(duì)視頻的影響： 1、圖象失去灰度，層次減少。 2、分辨率降低，產(chǎn)生色飽和度失真（由于色度信號(hào)是疊加在亮度信號(hào)上）。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第8頁(yè)）：
8.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)
? 8.1.4 亮度非線(xiàn)性≤5%
3.5 微分增益（DG）
由圖像亮度信號(hào)幅度變化引起的色度信號(hào)幅度失真。計(jì)算帶色度調(diào)制的階梯信號(hào)各階梯上的色度幅度值之間的最大差值。
圖15 微分增益
微分增益（DG）對(duì)視頻的影響：不同亮度背景下的色飽和度失真，影響彩色效果。比如：穿鮮紅衣服從暗處走向亮處， 鮮紅衣服會(huì)變濃或變淡。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第8頁(yè)）：
8.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)
? 8.1.7 微分增益≤10%
3.6 微分相位（DP）
由圖像亮度信號(hào)幅度變化引起的色度信號(hào)相位失真。計(jì)算各帶色度調(diào)制的階梯信號(hào)的色度副載波的相位角和消隱電平上副載波信號(hào)的相位角之差，超前為正。
圖16 微分相位
微分相位（DP）對(duì)視頻的影響：在不同亮度背景下，色調(diào)產(chǎn)生失真，影響彩色效果。例如：鮮紅衣服從暗處走到明處，鮮紅衣服就偏黃或偏紫。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第8頁(yè)）：
8.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)
? 8.1.8 微分相位≤10°
3.7 色度/亮度增益差
輸出端信號(hào)中亮度分量和色度分量幅度比的改變稱(chēng)色度/亮度增益差。
圖17 色度/亮度增益差
色度/亮度增益差對(duì)視頻的影響：影響圖像的飽和度失真。例如：增益差為負(fù)：圖象色彩變淡、暗淡、人物神色不佳；增益差為正：顏色過(guò)濃、輪廓不分明，類(lèi)似兒童填色畫(huà)，缺乏真實(shí)感。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第8頁(yè)）：
8.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)
? 8.1.5 色度/亮度增益不等±5%
3.8 色度/亮度時(shí)延差
輸出在亮度分量與色度分量的調(diào)制色絡(luò)波形的相應(yīng)部分在時(shí)間關(guān)系上出現(xiàn)的差值。
圖18 色度/亮度時(shí)延差
色度/亮度時(shí)延差對(duì)視頻的影響：彩色套色不準(zhǔn)，在水平方向出現(xiàn)彩色鑲邊，人眼比較敏感。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第8頁(yè)）：
8.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)
? 8.1.6 色度/亮度時(shí)延差≤100ns
3.9 幅頻特性
從低頻至高頻的頻帶范圍內(nèi)，通道輸入與輸出之間相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)頻率的增益變化，測(cè)試信號(hào)是多波群信號(hào)。頻率分別為：0.5MHz，1MHz，2MHz，4MHz，4.8MHz，5.8MHz。
圖19 幅頻特性
幅頻特性對(duì)視頻的影響：影響圖像清晰度，如果高頻部分衰減大，圖像細(xì)節(jié)變淡、邊緣輪廓不清。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第8頁(yè)）：
8.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)
? △ 8.1.9 幅頻特性（5.8MHz 帶寬內(nèi)） ±2dB
3.10 信噪比
信號(hào)傳輸過(guò)程中，信號(hào)本身與噪聲的比值。
圖20 信噪比
信噪比對(duì)視頻的影響：信噪比越大代表傳輸通道的噪聲越大，圖像的質(zhì)量就越差。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第8頁(yè)）：
8.1 標(biāo)清模擬復(fù)合視頻信號(hào)
? △8.1.10 視頻信噪比（加權(quán)） ≥56dB
3.11 通道間時(shí)延差
分量視頻信號(hào)中（ YCR(PR)CB(PB)與RGB ），各通道之間的時(shí)延差，例如R信號(hào)與G信號(hào)，R信號(hào)與B信號(hào)。
圖21 通道間時(shí)延差
通道間時(shí)延差：通道間時(shí)延越大，信號(hào)的亮度色度傳輸就會(huì)產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致圖像的成像越差。
典型指標(biāo)舉例：
JTG 2182-2020標(biāo)準(zhǔn)4.3.2閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)測(cè)項(xiàng)目第八項(xiàng)傳輸通道指標(biāo)（第8頁(yè)）：
8.2 高清Y、CR(PR)、CB(PB)視頻信號(hào)
? 8.2.7 Y/CB（Y/PB）、Y/CR(Y/ PR) 信號(hào)時(shí)延差±10ns