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              閉路電視監控系統中硬盤錄像機的功能實現

              閉路電視監控系統中硬盤錄像機的功能實現

              發布時間:2017-01-27 09:08:32

                錄像機是閉路電視監控系統中不可或缺的設備,它可以將監視現場的畫面實時、真實地記錄下來,并可方便地于事后檢索查證,為案件偵破提供重要的線索與證據。隨著數字壓縮技術以及大規模集成電路技術的發展,數字硬盤錄像機(DVR)在電視監控行業內得到了迅猛的發展,有能力自行研制或生產DVR的國內廠家已不在少數,并且,各家DVR的結構與實現方式也不盡相同。

                數字硬盤錄像機的迅猛發展主要得益于其自身的機械結構簡單,采用了高精密封裝的大容量硬盤作為記錄設備,因此,只要在計算機擴充槽中插入圖像采集卡,再配上相應的j監控系統軟件及應用軟件,就實現了傳統磁帶錄像機的所有功能。特別是隨后出現的嵌入式硬盤錄像機結構更加緊湊,性能更加穩定,幾乎成了傳統時滯錄像機的終結者。

                硬盤錄像機的實現

                硬盤錄像機有多種實現方法。從系統結構上來說,有PC插卡型或嵌入式一體機型;從所用的核心芯片來說,有的是基于數字信號處理器(DSP),而有的是基于專用集成電路(ASIC),其中基于DSP的結構又分為不同的系列,它們因選用不同廠家的DSP而異;而從硬盤錄像機處理視頻的技術(視頻壓縮格式)來說,則有基于Wavelet、M-JPEG、MPEG-1、MPEG- 2、MPEG-4、H.263、H.264等視頻壓縮格式的多種不同的機型。另外,無論是PC插卡型還是一體機型,即使它們所用的芯片相同,其應用軟件的界面與功能也不盡相同。

                基于PC插卡的硬盤錄像機

                適合早的硬盤錄像機是PC插卡型,視頻采集卡主要包括視頻信號的采集、數字視頻壓縮處理和視頻緩存等幾部分,其中數字視頻壓縮處理芯片有多種不同的類型(通用DSP或專用ASIC)。隨著CPU、內存等核心芯片的不斷升級,計算機的主頻及綜合處理能力得到不斷提高,因而在單卡硬盤錄像機的基礎上進一步出現了多卡多路硬盤錄像機,也即在PC的多個擴充槽中同時插入多塊支持并行處理的單路視音頻采集卡,以實現多路視音頻信號的同時實時采集。由于每一塊卡僅對應于1路信號,因而采集卡的數量可根據視頻信號的路數要求而靈活配置。不過,當在PC中插入多塊卡時,占用的PC資源也相應增加,如CPU及內存資源、主板上擴充槽的數量、主板電源功率等。因此,當攝像機源數量(即采集卡數量)較多時,這種硬盤錄像機就必須采用具有多插槽工控底板的工控機,并配以大功率電源,并且對CPU的主頻要求也更高。

                為了解決多卡應用的資源占用問題,在單卡單路硬盤錄像機問世后不久,有廠家推出了在一塊卡上集成兩片甚至4片視頻處理芯片(DSP或ASIC)的多路視音頻采集卡,因而可以同時實現對兩路信號或4路信號的實時采集與壓縮處理。這種結構實際上是每路視頻信號唯一地對應著一片視頻處理芯片,但是它們共用一片PCI-PCI橋接芯片,因而僅占用一個PC插槽,加上視音頻信號的采集壓縮是由卡上的硬件來實現,因而有效地減少了硬盤錄像對PC資源的占用。

                還有一種與上述實現原理不盡相同的基于PC的單卡多路硬盤錄像機:卡上的一片視頻處理芯片就要處理多路輸入信號,因而需采用時分輪換方式對多路視頻信號進行采集,并以M-JPEG壓縮格式進行錄像。

                雖然M-JPEG的壓縮效率不如基于多幀預測編碼的MPEG-1、MPEG-4及H.264等的壓縮格式高,但由于在單通道輪換采集多路視頻時,相繼幀的畫面失去了相關性(根本不是同一個攝像機攝取的畫面),因而采用基于幀間預測的視頻壓縮算法就失去了意義,只能采用幀內壓縮算法。因此,這種方式的硬盤錄像機是對采集的每一幀畫面獨立地進行JPEG壓縮處理,而后將對應于每一路輸入的各幀畫面形成獨立的 M-JPEG文件。這種方式顯然可以方便地實現多路采集,例如,在不考慮錄像畫面的連續性要求時,就可以方便容納多達16路的視頻輸入,但是對于只能以 25幀/s的速率對視頻信號進行采集的視頻處理芯片來說,無論有多少路視頻信號輪流切換到其輸入端,其25幀/s的“總資源”是不能變的,因此對這種形式的硬盤錄像機來說,每路畫面的適合大平均幀率僅為25/16=1.56幀/s(理想值)。

                上述結構的改進型產品增加了視頻采集的通道數(如在一塊卡上集成有4個采集通道),從而可以對多路視頻輸入信號在每一個采集通道進行并行采集,這就相當于增加了顯示及錄像的“總資源”數(多路輪換加多通道采集)。例如,某廠家采用兩塊8路采集卡來實現16路信號采集,使DVR的“總資源”達到160幀/s。

                需要說明的是:由于M-JPEG壓縮算法缺乏幀間壓縮,會導致總的視頻壓縮比小,從而使圖像存儲量加大(這當然會增大硬盤的開銷)。例如:在獲得與MPEG-1圖像質量相當的清晰度時,M-JPEG圖像每幀的字節數約需 6K~20KB,這大約相當于MPEG-1圖像的3~10倍。另外,采用M-JPEG算法的DVR產品很難做到對多路聲音信號的同步記錄,因為JPEG標準本身并沒有對聲音壓縮方法的描述。特別是當因多路輪換而出現錄像丟幀現象時,如何同步聲音更是一個需要考慮的問題。還有,由于M-JPEG并沒有形成統一的標準,而僅是對壓縮方法作了原則性的描述或句法規定,因此實際的M-JPEG標準都是各DVR廠家自行規定并編制的,各廠家的M-JPEG標準并不通用。這就是說,某個品牌的DVR所記錄的錄像文件一般不能在其他基于M-JPEG壓縮的DVR系統中調用,也不能被諸如Microsoft媒體播放機(MediaPlayer)之類的通用媒體播放軟件來調用,這就限制了不同品牌的多套監控系統的組網應用。

                基于PC結構的準嵌入式硬盤錄像機

                前面所介紹的基于PC插卡的硬盤錄像機沒有脫離PC體系:PC的外觀、PC的體系結構、PC的操作系統、PC的界面。因而它可以被認為是一種PC的擴展應用,只要退出硬盤錄像應用程序(或者將應用程序置于后臺運行),這臺硬盤錄像機就是一個標準的PC了,用戶可以方便地在MSOffice環境下進行文檔編輯、報表統計等操作。然而,正因為如此,這種結構的硬盤錄像機很容易被病毒侵襲而致使系統癱瘓;也可能會由于硬件兼容性問題或是由于系統軟件的某些BUG而致使系統宕機;更有甚者,甚至可能因系統管理人員的自身問題(例如操作人員將錄像程序置于后臺運行而在前臺玩游戲)并因為某些誤設置、誤操作而致使錄像系統無法使用。

                為了脫離PC體系,有商家推出了一種準嵌入式硬盤錄像機。但從實質上說,這種DVR并沒有真正脫離PC體系,因為它仍然采用了PC的硬件結構:主板上除了CPU及其他周邊器件外,還集成有顯卡、聲卡、網卡,也有用于插接視頻采集卡的PCI擴充槽,電源部分也是采用帶有風扇的大功率開關電源。不過,為了使其以專業設備的形式出現于監控市場,機器采用了整體化設計。與前述基于 PC的DVR相比,這種準嵌入式DVR充分利用的PC的硬件資源,并有效地考慮了機器的整體空間布局,結構更加緊湊、體積也有效地減小,專門用于實現監控系統中的硬盤錄像。

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