安防攝像機分辨力指標分析和測試方法探討.doc

安防攝像機分辨力指標分析和測試方法探討沈佩鈞公安部第三研究所，上海，200031【摘 要】本文對安防行業(yè)攝像機的性能指標分辨力作了詳盡闡述，并提出了不同傳輸接口的安防行業(yè)攝像機的測試方法和測試儀器的選定，為安防工程商對攝像機的選購和檢測機構(gòu) 對攝像機的質(zhì)量評估提供了依據(jù)和方法?！娟P(guān)鍵詞】攝像機 分辨力 測試一、概述經(jīng)歷過“9.11”恐怖襲擊事件后，安全問題被各 國擺上重要議事日程。近些年來，隨著世界各國對安 全防范的重視，視頻監(jiān)控行業(yè)取得了長足的發(fā)展。在 我國，在建設(shè)和諧社會的大好環(huán)境下，隨著社會信息 化程度的不斷提高，“國家應(yīng)急體系”、“平安城 市”，以及“ 2008北京奧運會”、“ 2010上海世博 會”、“2010廣州亞運會”等重要國際活動的舉辦， 都使得我國安防市場需求在持續(xù)升溫，這些給我國安 防產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了難得的發(fā)展機遇，并極大地促進 了視頻監(jiān)控市場的迅速增長。二、安防用攝像機的主要性能指標一般安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端攝像部分、傳輸部 分、終端控制、顯示和圖像存儲等部分組成。對工程 商而言，為了提高監(jiān)控效果，前端攝像機的選取就成 了至關(guān)重要的一環(huán)。普遍的認識是，選定的攝像機要 求所攝圖像清晰度越高越好。其實，從學(xué)術(shù)概念上 說，清晰度是一個比較模糊且難以量化的概念，是通 俗化的說法，它受到分辨力、分辨率、對比度、信噪比、量化級數(shù)等諸多因素影響。而本文將依據(jù)國標，主要對其中的分辨力指標進行探討，并對分辨力、分辨率的區(qū)別作說明。1分辨力和分辨率在測試攝像機“辨析被攝景物細節(jié)”的能力時， 一般會使用到分辨力這一術(shù)語。一系列在安防行業(yè)得 到廣泛認可的國家標準中對分辨力的定義是 這樣的： 對一幀等寬黑白相間的線條之圖像，分辨其黑白線條 最小寬度的能力，以常用測試圖上鑒別出的每幀高度 中的最大線數(shù)來表示（參見國標 GB12338-90、 GB20815-2006），分辨力的單位是“線（TVL）”。而分 辨力在水平和垂直兩個方向上又分為水平分辨力和垂 直分辨力。而分辨率的概念是：有效區(qū)域內(nèi)水平和垂直方向 上的像素數(shù)（參見國標GB18910.1），分辨力、分辨率 二者既關(guān)聯(lián)，又有區(qū)別，分辨率是某個器件或設(shè)備 （如CCD、CMOS）的理論值，而分辨力則是某個視頻 設(shè)備（如攝像機）經(jīng)過實驗室測試后主觀評價的結(jié) 果。所以說分辨率是選擇攝像機時的參考值，而分辨 力則是表示攝像機真正的辨識能力，是有價值的。現(xiàn)今，在安防工程中使用較為廣泛的是標清攝像機（分辨率720576），安防用標清攝像機一般都為傳統(tǒng)意義上的模擬攝像機。在這里我們先從理論上 分析一下模擬攝像機的分辨力指標。目前我國供電頻 率為50Hz，通用的模擬視頻信號為PAL制模擬信號， 場頻為每秒50場，幀頻為每秒25幀，電視掃描線為 625行，隔行掃描，奇場在前，偶場在后，畫面的寬高 比為4 : 3。在此基礎(chǔ)上，充分考慮到攝像機CCD/CMOS 的分辨力、攝像機內(nèi)部信號處理帶寬和信號傳輸帶寬 等對攝像機分辨力指標產(chǎn)生影響的眾多因素，我們可 以得出以下攝像機分辨力指標理論值的計算方法：分辨力理論值= 2亮度信號帶寬/行頻行正程時 間/行周期上面的公式我們可以這樣理解：對于每一個周期 的信號我們可以傳輸一亮一暗兩條余弦光柵，因此2 亮度信號帶寬/行頻就是一行上所能看到的最多光柵線 條數(shù)，而(行正程時間/行周期)是一行中顯示部分的比 率(還有一部分被行消隱占據(jù))。于是得到上面的公式。 需要注意的是通過上面的公式計算得出的分辨 力實為標清模擬攝像機水平分辨力的理論值；由于我 國采用的電視制式是PAL制，電視掃描線為625行，所 以無論是標清還是高清（分辨率 720 576，如 1080i、1080p和720p）模擬攝像機的垂直分辨力都不可 能超過 625TVL（注：水平分辨力有可能超過 625TV L）。2變清攝像機和高清攝像機傳統(tǒng)模擬攝像機原本 CCD/CMOS的分辨率就不 高，加之要受到反復(fù)的A/D轉(zhuǎn)換、電磁傳輸干擾、隔行 掃描、畫面的合成反交錯等視頻損傷的影響，實際上 圖像到達人眼時已經(jīng)大打折扣了，所以在實際工程應(yīng) 用中，標清模擬攝像機的水平分辨力都未達到理論數(shù) 值水平。而對于監(jiān)控效果而言，獲取高清晰圖像的意 義自然是不可言喻，取證的準確、便捷及高效都依賴 于高畫質(zhì)。而高清圖像需要一個高清技術(shù)和產(chǎn)品鏈 （采集、數(shù)字轉(zhuǎn)換和壓縮、傳輸、顯示、存儲等）來 作為技術(shù)保證的，中間任何一個鏈條脫節(jié)，最終都將 無法得到高清圖像。而在這個高清圖像產(chǎn)品鏈中，高清攝像機自然就 成為了一個尤為重要的環(huán)節(jié)。高清攝像機可以擁有各種各樣的接口，如YPbPr、SDI、HDMI、DVI、RJ45網(wǎng)口等；其中只有擁有YPbPr（注：YPbPr也叫色差分量接口，采用的是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA-770.2a標準， 色差輸出將色度信號P分解為色差Pb和Pr，這樣就避免 了兩路色差混合解碼并再次分離的過程，也保持了色 度通道的最大帶寬。Y即是亮度信號。而YPbPr接口不 是數(shù)字接口，仍然定義為模擬接口。YPbPr的接口可以 使用同軸電纜，可以用BNC頭，也可以使用普通蓮花 頭作為接口標準。）傳輸接口的攝像機是模擬攝像 機，而其他接口的高清攝像機都在視頻信號被傳輸前 對其經(jīng)過一定的數(shù)字編碼和數(shù)據(jù)壓縮處理，所以把它 們稱為高清數(shù)字攝像機?？紤]到傳輸距離的優(yōu)勢，一般在安防行業(yè)應(yīng)用較 多的為網(wǎng)絡(luò)型高清數(shù)字攝像機。網(wǎng)絡(luò)型高清數(shù)字攝像 機采用的是數(shù)字信號傳輸，它將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信 號，然后由DSP進行圖像壓縮與處理，最后通過網(wǎng)絡(luò)接 口將數(shù)字壓縮視頻輸出，高清數(shù)字攝像機在抗電磁干 擾性、畫面分辨率方面都擁有傳統(tǒng)模擬攝像機所不能 比擬的優(yōu)勢。視頻監(jiān)控設(shè)備逐步向百萬像素高清邁進，傳統(tǒng)的 模擬監(jiān)控要達到百萬像素很困難，而網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控則 使得高清圖像變的更容易實現(xiàn)。由于傳輸帶寬有限， 原有的壓縮方式限制了高清圖像的遠程傳輸，因此網(wǎng) 絡(luò)型高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用 H.264壓縮標準， H.264壓縮標準在壓縮相同視頻序列，并獲得相同或相 近的壓縮圖像質(zhì)量時（PSNR相近），相對于MPEG4標 準， H.264壓縮后的容量只有MPEG4壓縮后的4050，這意味著相同的存儲容量，采用H.264的存儲內(nèi)容 是MPEG4的2倍，這可以大大降低用戶的圖像存儲成 本。更重要的是H.264是國際標準，iPhone、電視和其 他的一些視頻設(shè)備都是采用H.264標準的，這樣兼容性 比較好，因而可以用其他的設(shè)備來收看監(jiān)控視頻。三、分辨力指標測試1測試設(shè)備的選用當工程商在安防市場上挑選合適的攝像機時，往 往以待定攝像機所使用的CCD/或CMOS的分辨率來作為 評價該款攝像機清晰度是否高的關(guān)鍵，其實我們應(yīng)該 知道，攝像機是由信號采集部分（一般采用CCD或 CMOS兩種光電耦合器）、信號處理部分（整流、濾波、放大器和DSP芯片等）、信號輸出部分、電源等部- 14 -分組成，僅以攝像機所采用感光芯片的分辨率來評價該攝像機主要性能顯然不是很科學(xué)嚴謹?shù)摹Ｒ虼?，?實驗室環(huán)境下對攝像機進行測試后，所得出的分辨力 指標的實際測量值往往顯得更為客觀真實，更有說服 力。在實驗室對攝像機進行分辨力指標測試時，首先 要區(qū)分待測攝像機是傳統(tǒng)標清攝像機還是高清攝像 機，如果是高清攝像機，還要判斷它是高清模擬攝像 機還是高清數(shù)字攝像機，因為標清模擬攝像機或者高 清模擬攝像機的寬高比為4:3，而高清數(shù)字攝像機（如 網(wǎng)絡(luò)型高清數(shù)字攝像機）有可能選擇寬高比為16:9，測 試時需選取相匹配的的測試圖（見圖一、圖二）。在測試攝像機分辨力時，監(jiān)看設(shè)備的選擇，也是 需要慎重考慮的。測試標清模擬攝像機分辨力指標 時，只需一臺超過800TVL的彩色監(jiān)視器即可；但在測 試高清攝像機時，一臺具備以下條件的彩色/顯示器 （圖像分辨率：不小于19201200、圖像分辨力不小 于1000TVL、灰度鑒別等級不小于1024級、亮度鑒別等 級不小于10級、圖像重顯率100%、輸入接口為：DVI- D、HDMI、HD-SDI、SDI、Y/C、RGB/YPBPR等。）（注：本處所參考的監(jiān)視器為國家級攝像機檢測機構(gòu) 實驗室所用的設(shè)備，由于技術(shù)條件的限制，對目前市 面上可采購到的監(jiān)視器而言，只有選擇22寸以上的監(jiān) 視器才能達到上文描述的一系列測試參數(shù)，這一點在 本行業(yè)得到了普遍公認。）是必不可少的。當然在測 試網(wǎng)絡(luò)高清數(shù)字攝像機時，需把攝像機通過網(wǎng)線經(jīng)工 作站與彩色顯示器連接。測試中的環(huán)境條件對每一款攝像機都應(yīng)該是一致 的。比如環(huán)境溫度和相對濕度，應(yīng)在測試結(jié)果中一同 表述，應(yīng)允許有適當?shù)纳郎貢r間，除非另有規(guī)定。測試時應(yīng)根據(jù)待測攝像機的不同類別、選擇拍攝 不同的測試圖，并通過測量攝像機的輸出信號來完成 測量。可允許用透射式測試圖代替反射式測試圖，在 有疑問的情況下應(yīng)使用反射式測試圖。反射式測試圖 的物體照度應(yīng)為：2 000 lx5%，該照度用照度計在測 試圖中心測量，接受器指向攝像機方向。而透射式測 試圖峰白亮度應(yīng)為：635cd/m25%。物體照度的不均 勻性應(yīng)小于5%、光源相關(guān)色溫應(yīng)為：3100K100K。攝像機拍攝測試圖時，要使箭頭限定的邊框與監(jiān)視器（監(jiān)視器必須處于欠掃描方式下）所顯示的圖像邊緣或顯示器上所顯示圖像的邊緣剛好一致。 測試用鏡頭組件光學(xué)分辨能力要大于攝像機的分辨能力。其鏡頭的焦距不小于等效焦距（使用 1/3inch像面的攝像機時的焦距不小于6mm）。測試用 顯示裝置分辨能力要大于攝像機的分辨能力，亮度等 級不小于10級，圖像重顯率達到100%。設(shè)備安排及測試圖參見圖1、圖2所示。光CT =3100K非網(wǎng)絡(luò)接口攝像機光CT =3100K測試圖欠掃描彩色電視監(jiān)視器圖1非網(wǎng)絡(luò)接口高清攝像機或標清攝像機測試圖光CT=3100K網(wǎng)絡(luò)接口光CT=3100K測試圖圖形工作站圖2 網(wǎng)絡(luò)高清數(shù)字攝像機測試圖2測試卡的選擇和測試方法攝像機攝取 TE97（寬高比為 4：3、圖三）或 TE117（寬高比為16：9、圖四）清晰度測試卡的測試 圖，用目視法觀察監(jiān)示器或顯示器上圖像中心楔上能 分辨的最大線數(shù)，所得結(jié)論即為該款攝像機的分辨力 指標（單位為TVL）。并要注意測試圖在屏上要頂天立地滿屏。（下轉(zhuǎn)第56頁）- 15 -攝像機同時，各單位必須要把消防安全工作納入各自管理與經(jīng)營活動之中，做到經(jīng)濟效益和消防安全兩手抓，兩 手都要硬。四是依靠黨委政府，充實消防監(jiān)管力量。針對當 前消防監(jiān)督警力不足的問題，要提請各級政府根據(jù)需 要開設(shè)公安派出所專職消防監(jiān)督人員事業(yè)編制，著力 解決現(xiàn)役警力不足、基層消防監(jiān)督不到位的問題，并 強力督促公安派出所消防監(jiān)督工作落實，加強對三級 單位的監(jiān)督管理；要充實現(xiàn)役消防部隊編制數(shù)量，積 極向上級申請增設(shè)消防站隊，增加現(xiàn)役編制數(shù)量，進 一步充實基層消防監(jiān)督和滅火救援力量；要從大專院 校畢業(yè)生、退伍軍人、具有特殊技能的人員中招聘思 想政治好、文化程度高的人員，從事文秘、檔案管理 等非執(zhí)法崗位的消防行政和技術(shù)輔助性工作，置換現(xiàn) 役警力充實監(jiān)督執(zhí)法一線。五是加強輿論宣傳引導(dǎo)，打造消防工作人人參與 的濃厚氛圍。充分發(fā)揮輿論宣傳引導(dǎo)的作用，進一步 強化消防宣傳，是保障消防安全重點單位安全的基礎(chǔ) 性工作。要以此次構(gòu)筑社會單位消防安全“防火墻” 工程為契機，在有效發(fā)揮現(xiàn)有固定消防宣傳欄目突出 作用的同時，積極爭取在各大網(wǎng)站和主流媒體上增設(shè) 消防宣傳欄目，大力宣傳構(gòu)筑“防火墻”工程的重大 意義。充分利用手機短信、樓宇電視、宣傳標牌等載 體，廣泛開展提示性宣傳，擴大消防宣傳覆蓋面。不斷豐富消防宣傳的內(nèi)容和形式，使消防宣傳教育真正進企業(yè)、進社區(qū)、進學(xué)校、進農(nóng)村、進家庭。充分發(fā)揮社會培訓(xùn)機構(gòu)的作用，加強對單位法人、消防安全 管理人員、消防控制室人員、消防從業(yè)人員的專業(yè)培 訓(xùn)。從而在全社會形成“人人參與防火墻工程，合力打造消防安全防線”的濃厚氛圍。【參考文獻】1 吳蘇紅. 淺談新時期如何做好消防監(jiān)督管理工 作J. 科技傳播, 2011（1）.2 陶琦. 淺析如何做好單位消防安全管理標準化 工作J. 鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保, 2010（6）.3 黃力力. 當前消防監(jiān)督執(zhí)法工作面臨的問題及對策O/L. 武警學(xué)院學(xué)報, 2010（12）.4 陳振華. 當前消防監(jiān)督工作中存在的問題及解 決對策J. 經(jīng)營管理者, 2010（24）.5 胡濤. 當前消防監(jiān)督執(zhí)法過程中存在的問題及對策J. 河南科技, 2010（22）.6 聶仁剛. 消防監(jiān)督工作中存在的問題及對策J. 吉林勞動保護, 2010（12）.7 李斌 . 淺議公安派出所的消防監(jiān)督檢查職能 O/L. 上海公安高等?？茖W(xué)校學(xué)報. 2010（6）.8 熊卓. “十二五”期間我國消防監(jiān)督工作將面 臨的問題及對策J. 中國商界(下半月), 2010（11）.9 朱俊剛. 現(xiàn)代高層建筑消防安全管理探討J. 安 防科技, 2010（10）.- 56 -（上接第15頁）【參考文獻】1 GB/T15865-1995 攝 像 機 （ PAL/SECAM/ NTSC）測量方法. 北京: 中國標準出版社, 1995.2 滬公技防（2010）001號文. 上海市公安局技術(shù)圖3 TE97 防范管理辦公室, 2010.3 GB12338-1990 黑白通用型應(yīng)用電視攝像機測 量方法. 北京:中國標準出版