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用非标准电缆长线传输CCD视频信号及其接收系统的研究
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摘要
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本文阐述了非标准电缆长线传输CCD视频信号及其接收的方法。通过对油井下CCD视频图象信号用非标准电缆长线传输的实现，设计了一套小体积远距离的图象通信系统。本文所提出的图象采集、传输与接收系统异地时钟不同步情况下数据的恢复方法，使图象数据能以更高的数据率、更可靠地恢复出来。本文提出的用非标准电缆传输图象的通信方法对各种部分恶劣的情况具有一定的参考价值和应用前景。
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关键词：图象通信
频带压缩 信息冗余量 长线传输
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一、前言
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随着光电技术、计算机技术、通信技术的进展，各种图像通信业务蓬勃发展。但由于图像中包含的信息量相当大，视频信号的频带可宽达6MHz，转换成的扫描电信号变化相当快，即使是变化较慢的可视电话信号，其频带也达到了1MHz。对应于这种情况，图像的传输除了研制和开发大容量的廉价的宽带传输线路以外，还应采用有效的频带压缩技术。
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随着计算机、大规模集成电路及数字技术的迅速发展，使数字图像编码压缩技术获得成功。当前，用标准的同轴电缆进行远程图像传输，一般采用脉冲编码调制方式。但在现实中，从方便和经济着眼，有时需要用非标准电缆来远程传输有用的图像信号，这是一个很有实用价值的问题。我们最近研制了一个从油田注水井的井下用三千多米普通油矿电缆远距离传输图像的传输与接收系统，并获得了成功。下面就介绍一下这种传输与接收系统的结构、原理及我们采取的措施。
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二、传输系统的结构及原理
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系统的结构及工作原理如图1所示。
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将微型CCD摄像机置于井下，输出的视频信号经前置放大至A/D转换器进行量化、压缩与保存，并/串转换，然后经信源编码合成送至放大器放大到一定幅度，并采用一定的信道编码送至非标准电缆。经非标准电缆长线传输到接收器，接收部分首先经波形匹配、放大、整形变为数字信号后对数据进行重新采集，并通过一个"强制判1"电路重新判出"1"、"0"，经数据恢复、串/并转换至微机进行处理和显示。
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三、图像信号的合理采集与量化
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由于我们是用非标准电缆进行长线传输，这种电缆的传输特性即高频衰减与相移特性都不很好，所以它能够传输的信号频率存在一个上限。这就不能对图像信号采取模拟传输，而只能以一定的比特率传输数字信号，大多数情况下只能传输比实时传输低得多的比特率，这就需要对图像信号作合理的采集。
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图象的压缩技术基于对图象的合理的、必要的编码。从信息论角度来说，图像数字编码是指信源编码，其实质是：在一定信噪比的要求或主观评价得分的条件下，以最小比特数来传送一幅图像，这种编码也称为图像压缩编码。由于图象信号具有大量的冗余度，因而使对图像的传输数码率进行这种压缩编码成为可能。这在图象数字传输、存贮、交换中有着广泛的应用。
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图象信号的压缩方法有许多种，JPEG与MPEG的算法可以用硬件来实现。如C-Cube公司的CL-550、Intel公司的i750、IIT公司的VP(Vision
Processor)、AT&T公司的三个标准芯片等等。在基于计算机直接采集图象信号的情况下，可以用这些标准芯片直接编程达到我们所需的压缩比，然后用标准的解压芯片恢复原来的图像。然而，在不能直接用计算机进行采集的情况下，我们无法对有些芯片的总线接口进行编程，这就限制了这些标准芯片的使用。在有些工业场合，如油田井下图象检测时，由于其体积的限制（在φ50mm内）使得我们更无法使用这些标准芯片，因为这些标准芯片的面积往往比较大，如i750的DVI系统的82750PB象素处理器，芯片面积为7.85×6.62cm2，共132条腿，在体积要求很小的情况下根本无法使用。
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一种最直接了当也是最迫不得已的方法就是降低帧速。当我们受到条件的限制时，如3000m井下图象采集时，决定采用哪一种压缩方法的主要因素是油矿电缆的特性。由于是非标准电缆，其特性值（Z、C、L、G）各不相同，我们用信号发生器对电缆作了实测，其波形如图2所示。结果是电缆对信号发生了衰减及不同程度的相移。18KHz以内，信号几乎没有什么畸变；1MHz以上2MHz以下，方波变为不对称的三角波；2MHz以上，信号衰减十分厉害，噪声变得几乎淹没了信号。
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如果我们能将图像信号的传输频段压缩至18KHZ以内当然是最好的。我们知道，一幅图像信号经数字化后，按常规的512×512来计算，8bit50帧的容量为512×512×8×50=102.4Mbits，要压缩至18KHz即压缩比为1.7×10-4，
这在我们不直接应用计算机进行采集时是根本无法用任何一种算法通过硬件完成的，所以我们不可能选用这个频段的信号。如果一定要用，只有采用降低帧数的方法，而一帧图象的容量为512×512×8=2048kbits，要降到18KHz，只有几乎每2分钟传一帧图像，这种传输速度慢得根本无法进行动态图象检测。
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我们选择1MHz左右信号，加以适当的编码，并结合其他手段，以尽可能每秒多采集几帧为目标进行图像采集。
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在直接用计算机作为图象接收、处理工具时，图象的采样频率及量化等级可以做到512×512×8bit，甚至更高。但在脱机的长线传输中，采样频率越高、量化等级越高，面临的图象压缩的问题就越严重。这样我们就必须以图象传输的目的为决定因素，合理地进行采样和量化。
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一幅彩色图象的频带在6MHz以内，而一幅黑白图象的频带就窄多了，因为它仅仅传送亮度信号而没有色彩信号。在工业用途中，我们往往选用黑白图象，因为工业用图象往往用于检测某部件是否完整，或监控其是否正常。
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我们采集一幅黑白图像，并对它作付氏分析，结果发现其2.5MHz以上的信号所占的能量很少。这样，根据奈奎斯特抽样定理，我们可以把采样频率定在5MHz，即从理论上来说，可以对2.5MHz以下的信号不失真地采集，而对2.5MHz以上的信号按混叠的方式来采集。少部分变化十分尖锐的细节将变得有些模糊，但这对大部分工业场合是毫无影响的。在这种采样频率下每一行将采集到51.2×10-6×5×106=256个样点。为了便于后续处理，我们采集256行，这样，一幅黑白图象将有256×256=64K个样点。
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