数字监控及模拟监控系统清晰度误区及辨析.doc

数字监控和模拟监控系统清晰度的误区和辨析
华三语音视讯系统部 王海增
模拟的肯定比数字监控更清晰吗？
当前视频监控的建设如火如荼，技术方案更是多种多样，但从视频信号采集传输的技术形式来分，主要可分为模拟视频监控、模数混和视频监控或半数字式视频监控、数字式视频监控系统几大类。对于这几类技术方案，经常流传这样一种说法：模拟的监控系统比数字的视频监控更清晰些，数字的视频监控在管理和联网访问方面则存在更大的优势。数字监控系统的管理维护优势是众所周知的，不过模拟的监控系统肯定比数字的监控系统清晰吗？在同样的视频采集摄像头的信号来源下，如果同时接入模拟的和数字的两种视频模拟的监控比数字的监控系统能清晰多少？有没有具体的技术指标来衡量？下面分别从模拟视频监控系统的视频成像过程和数字视频监控系统的视频成像过程进行分析，来客观地对比一下，这两种不同的监控系统，在清晰度方面有哪些差别？差别有多大？
模拟监控系统视频信号采集和成像过程
以CCTV为基础模拟视频监控系统，在已经有了较多的应用，一般大家都比较熟悉，模拟视频监控系统的成像过程是这样的：

视频从采集到显示大体的过程是：
视频采集：视频摄像机把光学信号转换成电信号，摄像机输出的制式一般为PAL或NTSC制式，在中国一般为PAL制式，其中PAL制式的扫描线约为625条，扫描频率25帧每秒，NTSC制式的扫描线约为525条，扫描频率为30帧每秒。
视频传输：视频摄像机输出的电平宽带信号，要通过有线或无线等多种手段进行传输，一般模拟的传输系统在传输过程中会因工作频率和温度，以及传输电缆和接口的损耗产生一定量的载噪比劣化、非线性失真等。
视频监控的多路切换控制：对于有多种监控摄像头的监控系统，一般采用矩阵或类似DVR的内置数字切换开关方式进行视频通路的切换，以解决把多路视频源输出到有限的几个或十几个显示屏幕的切换问题。
视频显示：系统一般以模拟信号形式输出到监控的显示器，由显示设备把视频的电信号再次转换为光信号输出到屏幕上。
数字监控系统视频信号采集和成像过程
当前主流的数字监控系统的采集和成像过程如下图所示，与模拟系统在传输、存储和切换控制方面有本质的差异外，视频监控的采集和显示都是一样的：

视频采集：从严格意义上来讲，纯粹的数字监控系统应该是从前端摄像机的视频采集输出开始就应该是数字的信号，即类似IP Camera的设备，不过由于全数字式的摄像机还不够成熟，一般仍采用模拟摄像机进行视频监控的采集，所以这部分是与模拟系统一致的。
视频传输：与模拟系统不同，是将模拟视频信号转换成数字视频信号进行传输，然后以IP化等纯粹数字的方式进行全网的传输，IP数字信号在网络中的传输，一般是不会有抢失真的，在传输方面，数字系统比模拟系统有优势的。
视频切换和控制：和模拟的切换矩阵不同，数字一般采用视频管理服务器和存储管理服务器进行全数字的管理和切换，可扩展的功能强，在管理的灵活性方面比模拟系统有本质的提高。
视频显示：与模拟系统是基本一致的，不过增加了相当于直接输出到数字电脑监视器的视频输出。
模拟监控和数字监控的共同瓶颈点： PAL制式和NTSC制式的清晰度计算
从上面的模拟和数字监控成像过程来看，不管是模拟还是数字，监控的视频采集是一样的，视频输出也几乎是一样的，只是在传输和控制交换及存储方面有所不同。那么这里有一个关于制式的问题，可能以前容易被忽略，而恰恰是模拟视频监控和数字视频监控清晰度对比分析的一个要点。由于模拟和数字监控系统都是采用标准输出为PAL或NTSC制式的摄像机，我们需要了解PAL和NTSC制式下视频的清晰度是如何计算的，以更量化地了解到底模拟系统和数字系统在清晰度方面的有哪些差异。
很多人都知道有NTSC和PAL两大制式，那到底什么是NTSC制式？什么是PAL制式呢？简单的说，NTSC和PAL属于全球两大主要的电视广播制式，但是由于系统投射颜色影像的频率而有所不同。NTSC是National Television System Committee的缩写，其标准主要应用于日本、美国，加拿大、墨西哥等等，PAL是 Phase Alternating Line (逐行倒相)的缩写。它是西德在1962年指定的彩色电视广播标准，它采用逐行倒相正交平衡调幅的技术方法，克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺点。西德、英国等一些西欧国家，新加坡、中国大陆及香港，澳大利亚、新西兰等国家采用这种制式。PAL由德国人Walter Bruch在1967年提出，当时他是为德律风根(Telefunken)工作。“PAL”有时亦被用来指625 线，每秒25格，隔行扫描，PAL色彩编码的电视制式。PAL制式中根据不同的参数细节，又可以进一步划分为G、I、D等制式，其中PAL－D制是我国大陆采用的制式。这两种制式是不能互相兼容的，如果在PAL制式的电视上播放NTSC的影响，画面将变成黑白，NTSC制式的也是一样。
1、PAL制摄像机清晰度的计算
我国PAL制摄像机图像的清晰度，在知道了其图像的有效像素确实是720×575后，如果没有其他原因，按照孔阑效应和扫描线有效性的原理，在有效像素上乘以一个系数K=0.75，就能直截了当地将其垂直清晰度和水平清晰度求出来。

但是，正如我们原来已经提到过的，实际上这个方法对垂直清晰度的计算有效，对水平清晰度的计算又另当另论了。为了将问题一步一步地解决，我们还是先将垂直清晰度计算出来再说。

（1）垂直清晰度的计算

业界计算垂直清晰度的方法是很正规，它使用的是每帧的“总扫描线”625行，而用了逆程系数β来将其还原为“有效行”，具体如下：

已知每帧总扫描线数为Z=625行，逆程系数β=0.08，有效系数K=0.75，垂直清晰度的线数M（摄像机线）则为：

M = K（1-β）Z………（1）

代入数字计算，可得

M = 0.75×（1-0.08）×625=431线

逆程系数β是场扫描线中回扫线行数与总行数之比，即β=50/625=0.08，则正程系数为（1-β）=0.92。从625×0.92=575就可以算出，正程扫描能传送图像信号的有效扫描线为575行。

如果明明知道有效扫描线行数为m=575行，不用经过上面那种比较复杂的计算，只要直接将其乘以有效系数K，就能得出垂直清晰度的线数来：

M = Km………（2）

代入数字计算，也可得

M=0.75×575=431（线）

可见，用有效扫描线乘以有效系数的计算方法，与业界用场逆程系数和总扫描线来计算垂直清晰度的方法虽然形式上不一样，但实质和结果是一样的。

（2）水平清晰度的计算

如果没有视频带宽和逆程扫描等问题，将垂直扫描线行数n乘以有效系数K，就能很快得到水平清晰度线数N（摄像机线）：

N = Kn………（3）

假如有效垂直扫描线行数n=720行，代入公式计算，可得

N=0.75×720=540（线）

但这个结果是错误的，实际上业界不是用这种方法来计算水平清晰度，而是利用每行正程行扫描时间和视频带宽来计算图像信号水平清晰度的。计算方法如下：

设水平清晰度为Hr，视频带宽为△f，每行正程行扫描的时间为THr，并已知THr=52μs；摄像机画面的幅型比为A，并已知A=4/3，则有：

Hr=△f×2THr/A………（4）

在（4）式中，除了视频带宽△f是变动的以外，THr和A都是已知的。那么，根据不同的视频带宽，就可以计算出不同的理论水平清晰度来：

①当在最高视频带宽△f=fmax=6MHz时

Hr=6M×2×52μs÷（4/3）=468（线）

②当图像信号是从天线端输入，因为受图像通道带宽的限制，视频带宽变窄，又没有使用梳状滤波器，其带宽只有△f=4.2MHz，这时的理论水平清晰度为：

Hr=4.2M×2×52μs×（4/3）=328（线）

③当输入摄像机机的图像信号通过数字梳状滤波器进行亮色分离后，视频带宽可高达5.0MHz，这时的理论水平清晰度为：

Hr=5M×2×52μs÷(4/3)=390（线）

从上述的计算可以看出，应用视频带宽的计算方法，我国PAL制摄像机所传送的图像信号，其最高水平清晰度为486线。当通过RF天线射频端子输入摄像机机而又没有采用数字梳状滤波器时，其理论水平清晰度只有328线，这种摄像机机业界标准规定其水平清晰度应≥300线。当输入摄像机机的信号采用了数字梳状滤波时，其理论水平清晰度可高达390线，这种摄像机机业界标准规定其水平清晰度应≥350线。

（3）小结

从以上的介绍不难看出：对图像信号的垂直清晰度，可以用有效水平扫描线乘以有效系数0.75直接算出。对于图像信号的水平清晰度，如果确实明确了其真正用于正程显示图像的有效垂直扫描线，也可以通过有效垂直扫描线乘以有效系数0.75直接算出。但如果只知道水平扫描线上的取样点，但并不知道真正用于显示图像有效取样点是多少，也即不明确真正的垂直扫描线是多少时，就不能用理论水平取像点乘以有效系数0.75的方法来计算水平清晰度，而应当视频带宽的方法来计算。

对摄像机机来说，同一个制式下，不同的接口方式和使用不同类型的滤波器，获得的视频带宽也各不一样。在滤波器中，有模拟滤波器、数字滤波器、数字梳状滤波器、多行数字梳状滤波器和自适应数字梳状滤波器等之分，各种滤波器滤波的效果不同，获得的视频带宽也不同，最后在摄像机机上能显示的清晰度也各有差异。由这里也可以看出，从图像信号的分辨率到摄像机机显示出来的清晰度之间是不能直接换算的。

2、NTSC制摄像机的清晰度
NTSC-M制摄像机的视频带宽为4.5MHz，单幅图像的扫描格式为720（704）×525，有效扫描线为480行，其帧频为30帧/秒，场频为60场/秒，行频为15.75kHz，行逆程系数β=45/525=0.086，正程行扫描时间为1秒÷15，75kHz=52μs。

（1）NTSC制摄像机图像的垂直清晰度M：

M=K（1-β）Z=0.75×0.914×525=360（线）

可见，NTSC制摄像机图像的垂直清晰度只有360线，低于PAL制的垂直清晰度431线，差距达70线左右。

（2）NTSC制摄像机图像的水平清晰度

已知NTSC的最大视频带宽为△f=4.5MHz，正程行扫描时间为THr=52μs，则水平清晰度为：

Hr=△f×2THr/A=4.5M×2×52μs÷（4/3）=351（线）

可见，NTSC制的最高理论水平清晰度如果用视频带宽的方法计算，仅为351线，比PAL制的最高理论水平清晰度468线低117线。总体来说，NTSC制的垂直和水平清晰度都比PAL制的要低20%以上，而不是原来人们认为的只有垂直清晰度差一些，而水平清晰度是一样的。这种制式的优点只有一条，即因为场频为60Hz，比场频为50Hz的PAL制图像的残余闪烁要轻。

3、用单位视频带宽来计算水平清晰度

通过对PAL制摄像机和NTSC制摄像机水平清晰度的计算可以看出是一个规律，如果用视频带宽来计算水平清晰度时，因为公式中的正程行扫描时间THr和幅型比是固定的，只有视频带宽△f是可变化的，那么如果知道单位视频带宽（1MHz）所对应的清晰度线数后，就可以用简化的方法直接求出水平清晰度来。

设视频带宽为单位带宽1MHz，则有

Hr=△f×2THr/A=1M×2×52μs÷（4/3）=78（线）

由此即得到了“78线/MHz”的结果。利用这个结果，按下式可以直接求出水平清晰度：Hr1=△f×78（线）………（5）

这样一来，所有不同规格的视频图像信号，当其画面幅型比为4:3时，只要知道它的视频带宽△f，利用（5）式，将这个带宽值乘以78（线/MHz），立刻就可以求出其水平清晰度有多少条摄像机线来。

3、PAL制和NTSC制式下摄像机的清晰度小结
由以上的计算过程可知：不管是PAL制式，还是NTSC制式，只要是模拟的摄像机，输出的视频信号的清晰度就是很有限的，即相当于600线以下的有效清晰度。如果按屏幕的点阵分辨率来大概折算，仅相当于不到40万像素的数码摄像机的清晰度，造成这种状态的一个主要原因是PAL制式和NTSC制式的标准提出时间都比较早，是20世纪60年代的科技产物，那时的技术标准一直沿用到现在，虽然在视频接口统一方面做出了巨大的贡献，可在视频清晰度方面也越来越显示出一些疲态了。相当于当前摄像机动辄上百万数百万的清晰度指标，采用PAL和NTSC制式的摄像机，几乎都是很不清楚的。
所以不管是数字监控，还是模拟监控，由于PAL和NTSC制式的存在，视频源的清晰度就是大打折扣的。

视频编码压缩算法：编码是否让视频变不清晰了？
由于视频监控摄像机在PAL和NTSC制式下，采集得到的视频源的清晰度是很低的，仅大概相当于40万像素左右的数码相片的成像质量，而当前不管是哪种视频压缩算法，都能达到D1的清晰度，即能达到720*576线的压缩，720*576的清晰度是远高于视频摄像机输出的不到600线的清晰度的，这样的话，在理论上，对视频监控设备来说，视频编码压缩本身几乎是不会失真视频监控的采集信号的。
下面对MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4的压缩编码原理进行一些简单说明，以使了解视频编码的算法实质，更深入地理解编码压缩算法对监控的低清晰图像质量不失真的原理。H.264算法实质上是Mpeg-4算法的第10部分，这里就仅以Mepg4算法统一概括介绍了。
MPEG压缩编码算法包括了帧内编码、帧间编码，DCT变换编码、自适应量化、熵编码和运动估计和运动补偿等一系列压缩方法。 为了区分帧内、帧间编码，MPEG-2定义了三种编码图象。
MPEG-1标准用于数字存储体上活动图像及其伴音的编码，其数码率为1.5Mb/s。
MPEG-1视频压缩技术的特点：1. 随机存取；2. 快速正向/逆向搜索；3 .逆向重播；4. 视听同步；5. 容错性；6. 编/解码延迟。MPEG-1视频压缩策略：为了提高压缩比，帧内/帧间图像数据压缩技术必须同时使用。帧内压缩算法与JPEG压缩算法大致相同，采用基于DCT的变换编码技术，用以减少空域冗余信息。帧间压缩算法，采用预测法和插补法。预测误差可在通过DCT变换编码处理，进一步压缩。帧间编码技术可减少时间轴方向的冗余信息。
MPEG-2标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，编码码率从每秒3兆比特～100兆比特，标准的正式规范在ISO/IEC13818中。MPEG-2不是MPEG-1的简单升级，MPEG-2在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。MPEG-2特别适用于广播级的数字电视的编码和传送，被认定为SDTV和HDTV的编码标准。
MPEG-2图像压缩的原理是利用了图像中的两种特性：空间相关性和时间相关性。这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。如果我们能将这些冗余信息去除，只保留少量非相关信息进行传输，就可以大大节省传输频带。而接收机利用这些非相关信息，按照一定的解码算法，可以在保证一定的图像质量的前提下恢复原始图像。一个好的压缩编码方案就是能够最大限度地去除图像中的冗余信息。
MPEG-2的编码图像被分为三类，分别称为I帧，P帧和B帧。
I帧图像采用帧内编码方式，即只利用了单帧图像内的空间相关性，而没有利用时间相关性。P帧和B帧图像采用帧间编码方式，即同时利用了空间和时间上的相关性。P帧图像只采用前向时间预测，可以提高压缩效率和图像质量。P帧图像中可以包含帧内编码的部分，即P帧中的每一个宏块可以是前向预测，也可以是帧内编码。B帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数。
MPEG-2的编码码流分为六个层次。为更好地表示编码数据，MPEG-2用句法规定了一个层次性结构。它分为六层，自上到下分别是：图像序列层、图像组(GOP)、图像、宏块条、宏块、块。
MPEG-2标准在广播电视领域中的主要应用如下：
（1）视音频资料的保存
一直以来，电视节目、音像资料等都是用磁带保存的。这种方式有很多弊端：易损，占地大，成本高，难于重新使用。更重要的是难以长期保存，难以查找、难以共享。随着计算机技术和视频压缩技术的发展，高速宽带计算机网络以及大容量数据存储系统给电视台节目的网络化存储、查询、共享、交流提供了可能。
采用MPEG-2压缩编码的DVD视盘，给资料保存带来了新的希望。电视节目、音像资料等可通过MPEG-2编码系统编码，保存到低成本的CD-R光盘或高容量的可擦写DVD-RAM上，也可利用DVD编著软件(如Daikin Scenarist NT、Spruce DVDMaestro等)制作成标准的DVD视盘，既可节约开支，也可节省存放空间。

（2）电视节目的非线性编辑系统及其网络
在非线性编辑系统中，节目素材是以数字压缩方式存储、制作和播出的, 视频压缩技术是非线性编辑系统的技术基础。目前主要有M-JPEG和MPEG-2两种数字压缩格式。
MPEG -4是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-4传输速率在4800-6400bps之间，分辨率为176×144，可以利用很窄的带宽通过帧重建技术压缩和传输数据，从而能以最少的数据获得最佳的图像质量。MPEGⅣ属于一种高比率有损压缩算法，其图像质量始终无法和DVD原MPEG-2相比，毕竟DVD的存储容量比较大。因此，现在的MPEGⅣ只能面向娱乐、欣赏方面的市场那些对图像质量要求较高的专业视频领域暂时还不能采用。
MPEG-4是1999年推出的压缩算法，经过不断的完善，现在已经推出了第三版。作为目前做好的视音频压缩算法，已经为各个厂商广泛采用。
⑴分辨率高：MPEG-4可以使画面分辨率可达720*576。
⑵压缩率高：MPEG-4的压缩率可高达200：1，一帧画面的容量只有1-2KB。如此高的压缩率，解决了硬盘容量的瓶颈，使我们能储存更长时间的录像文件。另外，逐帧播放功能也是MPEG-4所特有的。
⑶动态分配码流：MPEG-4的码流带宽是不固定的（而MPEG-1固定码流1.5Mbits/s），它能够根据画面的复杂程度和变化程度来自动调整码流，在画面比较复杂或变化比较剧烈的时候占用较多的带宽，保证了画面质量；在画面比较简单或静止的时候，占用较少的带宽，节约了资源。
⑷适合网络传输：一路实时（25帧/秒）上传所占的带宽大约为1500Kbits/s（不固定，视具体情况不同而占用的带宽也不同），非常适合低带宽的网络传输。即使网络带宽严重不足，MPEG-4能降低一定的帧数来保证画面质量。另外，一个视频源多个视音频对象编码，非常适合交互式多媒体通讯。
⑸算法不固定：MPEG-4是个开放的算法（MPEG-1和MPEG-2都是固定的算法），各个厂商都能开发自己的MPEG-4算法。
⑹高抗误码性：现在的监控系统基本都要涉及到网络，然而以太网的误码性是非常高的，如果没有很高的抗误码性，会严重影响画面的传输质量。MPEG-4错误处理的鲁棒性，有助于低比特率视频信号在高误码率环境下的存储和传输。

模拟监控和数字监控的成像清晰度对比分析
<600
线
显示
摄像机
模拟传输
,
接插件
非线性失真
模拟交换
,
非线性失真
模拟
监控
由以上的模拟系统成像和数字系统成像原理，以及摄像机制式和数字编码系统的技术分析，模拟监控系统的传输能力如下：

而数字监控的传输过程如下：

由以上的对比分析可以明显看出：在要求达到D1清晰度显示的情况下，不管是模拟监控还是数字监控，在同一台摄像机输出信号的情况下，清晰度是差不多的，甚至数字监控由于没有模拟的传输接插件信号损失，甚至信号还可能比模拟监控更好一些。
由此可见，数字监控不仅有平台管理功能强大、联网扩展能力强等优势，在清晰度上，是不输于模拟监控系统的。
那为什么会有人认为数字监控就是不如模拟的清晰呢？主要在前几年由于芯片产业化程度不高，以前的多数数字视频监控系统虽然是数字监控，但通常只能达到CIF的清晰度，即356*288的清晰度，不少人以前通过拿看到的低清的CIF数字图像，与模拟的600线清晰度进行对比，当然有差距，久而久之形成了一种认识：模拟的数字清晰。真正要达到和模拟同样的清晰度，要采用高清的D1清晰度的数字监控系统即720*576，这样就可以完全达到模拟系统的清晰度了。而随着这几年芯片产业的进步，能够达到D1清晰的数字压缩芯片已经较多普及，这时候，数字监控系统在清晰度方面是不亚于模拟系统的，甚至比模拟更有清晰度方面的优势。
未来实现更高清的视频监控技术发展分析
由于模拟的视频摄像机采用20世纪60年代的PAL制式或NTSC制式约束，仅能达到约40万像素的清晰度，这是远远不能适应当前高清的视频应用需求的。随着摄像机技术的发展，彩色CCD摄像机或CMOS摄像机采用完全不同于以前电子枪摄像机的工作原理，可进行更高清晰度的视频信号采集，可逐步实现百万像素、几百万像素、甚至上千万像素的动态视频采集质量，这样的情况下，数字监控的视频清晰度会数倍甚至几十倍于原来的模拟监控系统，随着技术的发展，模拟监控和数字监控到底哪个更清晰这种问题将根本不值得讨论，模拟技术的萎缩和数字采集及成像技术的突飞猛进将使监控带进全数字时代，并且让模拟监控成为遥远的历史。
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