| 硬盘录象机的最新技术进展 |
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| http://www.cnfp.net 时间：2002-11-6来源：中国金融 |
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作者——中国科学院自动化研究所教授 陈龙
中国科学院自动化所陈龙教授，基于对电视监控技术的长期研究，推出了这篇力作。
文章较为全面地概括了DVR的技术现状和发展动向，提出了颇有见地的见解：DVR有可能提升为数字监控主机；MPEG4压缩技术为DVR提供了新的用途；嵌入式网络型DVR正在出现等等。如果文中表述的观点和信息能够为企业或用户提供写许参考，那正是我们作者和编者所祈盼的。
引领DVR迅速发展和普及的原因，一是全球性的数字化大潮，二是IT技术的快速发展，硬磁盘的容量极大提高，现单体硬盘容量已大到160GB，而其价格却大幅度地降低，这造就了DVR的生存空间。同时DVR系统规模的大小可以进行裁剪，既能以标配40GB硬盘作常规数量图像的记录，也能挂接超大容量的磁盘阵列，满足记录更多数量视频图像、延长录像时间的特殊需求。
DVR系统的技术，主要表现在图像采集速率、图像压缩方式、硬磁盘信息的存取调度、解压缩方案、系统功能等诸多方面。它将因其技术先进成熟而得到更广泛的应用，极可能作为磁带录像机VCR的新一代替代产品，与具有DVD+RW标准的DVD刻录机一道大举进入家庭，成为新型的信息家电产品之一，市场前景极为广阔。
1 硬盘录像机的技术现状
硬盘录像机的基本结构
图1示出了硬盘录像机的基本架构，除计算机、硬盘和VGA显示器外，最重要的是实现图像压缩及解压缩的方法、芯片和板卡，当然也与实现进程调度的操作系统以及实现系统功能的应用程序软件密切相关。所有的硬盘录像机都是围绕着采用的压缩的方法与板卡、选择的操作系统、应用软件的水平、硬盘的类型 (是SCSI盘还是IDE盘、是7200砖/分还是5400砖/分)等几个要素而呈现出于您百态的不同特性。
1、图像压缩技术日趋完善
压缩技术大体可分为Intraframe帧间压缩和Interframe帧内压缩两大类，Interframe方式是把一幅动画分解成若干个固定的画面一幅一幅地传输，Wavelet和M-JPEG是此种方式的代表。Interframe帧内压缩可区分每幅影像的差异并且只传送影像不同的部份，这种格式的代表是MPEG和H.263。
硬盘录像机采用的图像压缩技术 (Image Data Compression)主要有:
(1)Motion JPEG。它是一种基于静态图象压缩技术JPEG发展起来的动态图象压缩技术，可以生成序列化的运动图像。其主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩M-JPEG压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像，而且可以灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数。因其压缩后之格式可读单一画面，所以可以任意剪接。M-JPEG因采用帧内压缩方式也适于视频编辑，M-JPEG的缺点一是压缩效率低，M-JPEG算法是根据每一帧图像的内容进行压缩，而不是根据相邻帧图像之间的差异来进行压缩，因此造成了大量冗余信息被重复存储，存储占用的空间大到每帧8--20k字节，最好也只能做到每帧3k字节。另外一点是它的实时性差，在保证每路都必需是高清晰度的前提下，很难完成实时压缩，而且丢帧现象严重，如果采用高压缩比则视频质量会严重降低。
JPEG的新进展是渐层式JPEG(ML---JPEG)压缩技术，它先传低清晰度的画面，故成像速度快很多；然后再补送细节的压缩资料，使画面品质改善；然后再补送更细节的压缩资料，使画面品质更加改善，这样JPEG的画面呈现由低清晰度到高清晰度、由模糊到清楚。
(2)MPEG1视音频压缩标准。用于CD-ROM上存储同步和彩色运动视频信号，旨在达到VCR质量，其视频压缩率为26：l。MPEG1可使图像在空间轴上最多压缩l/38，在时间轴对相对变化较小的数据最多压缩l/5。MPEG1压缩后的数据传输率为1.5Mbps，压缩后的源输入格式SIF(Source Input Format)分辩率为为352像素 x 288行(PAL制)，亮度信号的分辩率为360240，色度信号的分辩率为180x120,每秒30帧。MPEG1对色差分量采用4：1：1的二次采样率。
与 M-JPEG技术相比较，MPEGI在实时压缩、每帧数据量、处理速度上均有显著的提高，PAL制时，MPEGI可以满足多达16路以上25帧/秒的压缩速度，在500吐;t/，的压缩码流和352像素x288行的清晰度下，每帧大小仅为2k。此外，在实现方式上，MPEG1可以借助于现有的解码芯片来完成，而不像M-JPEG那样过多依赖于主机的CPU。于软件压缩相比，硬件压缩可以节省计算机资源，降低系统成本。
MPEGI虽然是目前实时视频压缩的主流，但也存在着诸多不足。一是压缩比还不够大，在多路监控情况下，录像所要求的磁盘空间过大。二是图像清晰度还不够高，最大清晰度仅为352x288，三是对传榆图像的带宽有一定的要求，在普通电话线窄带网络上无法实现远程多路视频传送。四是MPEGI的录像帧数固定为每秒25帧，不能丢帧录像，使用灵活性较差。
(3)MPEG2视音频压缩标准。对每秒30帧的720x576分辩率的视频信号进行压缩，适用于计算机显示质量的图象，压缩后的数据率为6Mbps，它是将视频节目中的视频、音频、数据内容等组成部分复合成单一的比特流，以使在网上传送或者在存储设备中存放的压缩。在选择压缩设备时，应考虑是否支持4-2-2编解码格式。
(4)MPE叫是利用电话线作为传输介质的超低码率的视音频压缩标准，用于每秒10帧低速率和64Kbps低带宽的中分辨率视频会议。新的目标确定为支持各种多媒体应用 (主要侧重于对多媒体信息内容的访问)，并可根据应用的不同要求现场配置解码器。它与基于专用硬件的压缩编码方法不同之处是编码系统是开放的，可以随时加入新约有效的算法模块。
MPEG4是基于帧重建算法来压缩和传输数据，通过动态地监测图像个个区域的变化，根据对象的空间和时间特征来调整压缩方法，从而可以获得比MPEGI更大的压缩比、更低的压缩码流和更佳的图像质量。MPE叫的应用目标是针对窄带传输、高画质压缩、交互式操作以及将自然物体与人造物体相融合的表达方式，同时还特别强调广泛的适应性和可扩展性。
近期已出现了支持MPEG-4/H.261/H.263的单芯片视频编解 码器(Video Streaming Engine),该芯片是基于MPEG-4、ITU-H.324(POTS)、ITUU-H.323(LAN和Internet)、ITU-H.320(ISDN)等标准的。还有具有MPEG-4/Wavelet、MPEG-4/H.323等类先进压缩方式的板卡推出。H.261的传输速率是64Kbps,H.263是甚低比特率视频编解码标准，传输速率小于64Kbps，是在低带宽上传输视频图像的另一个解决方案。H.263也具有较高的压缩比，但图像质量不如MPEG4。
(5)小波变换 (wavelet transform)技术是使图像信号的时域分辨率和频域分辨率同时达到最高。内核是采用行进中压缩和解压缩方式，压缩比可达70:1或更高，压缩复杂度约为JPEG的3倍，它为MPE引采用，因为图像的小波分解非常适宜于视频图像压缩，使图像压缩成为小波理论最成功的应用领域之一。
2.硬盘录像机产品多样
现时市场上的DVR产品有不下200种之多。但从水平和性能划分，大致有以下三种类型:
(1)单路音视频硬盘录像机，目前的主要市场是用于替代银行储蓄所柜员监控原先采用的单道VHS录像机，作1-1对应形替代。此类产品多属自主开发，未来可能转向家用。
单路音视频硬盘录像机中值得一提的是可用作流动视频监控的带活动硬盘系统。该硬盘可随时卸下，通过接口连人计算机后即可读出记录的图像并进行处理。
(2)中档4-16路视频输入基于PC机和Windows操作系统的硬盘录像机，有些硬盘录像机带有一路或最多8路的音频功能，多为OEM产品，特别是采用韩国生产的板卡。
(3)非PC类嵌人式硬盘录像机 采用 Windows系统的DVR，因是开放式的操作系统故具有用户友好的图形用户接口GUI等诸多优点，但它也有如Windows有的不稳定性及支持CPU受到限制等缺点。硬盘录像机的发展趋势之一是从以PC机为平台中脱身，这样能克服因Windows系统原因引起的死机及存储图像混乱。改为具有摆人式结构的非Windows化机，由硬件作压缩与解压缩，可达到实时录像和实时回放图像的理想境界。目前已有许多专业化机产品问世。该类产品有的采用能嵌入M/快闪存储器申的实时操作系统RTOS，也有采用Linux等不同的操作系统。
3.操作系统类型繁多
DVR系统正呈现多样化的发展，既有便于连网的Windows操作系统 (Windows-based VR)外，也出现了以Linux开发的系统(Linux-base DVR)和非基于PC的单机型系统 (RTOS-based DVR)等不同类型的装置。目前，Linux在与Internet联接方面不如Windows。单机型DVR虽然有较高稳定性、与现有安防设备兼容性好等特点，特别是图像的清晰度高，但同样面临联网的难题。而可联网的特性因能通过LAN/WAN、Internet等网络进行远程监控一定会是未来应用的主流。
2 DVR最新的技术发展
1.MPPEG4压缩技术为 DVR的视频监控应用带来了新的曙光
压缩技术是DVR的核心，选择何种压缩方法最为关键。这里既要考虑到图像的画质，又要顾及图像的存储量和传输速度。MPEG4因使用图层(Layer)方式而能够智能化选择影像的不同之处，从而使图像存储容量大幅度下降，加速图像的传输速率，为DVR厂商采用，但画质不如Wavelet和M-JPEG.MPE叫基于场景描述和面向带宽设计的特点，使得它也非常适合用于视频监控领域，主要体现在以下几个方面:
（1）存储空间得到节省--MPEG4 的压缩比远高于MPEG1,更是M-JPEG所不能比拟的。采用MPEG4的视音频全同步录像所需的硬盘空间约为相同图像质量的MPEG1或M-JPEG所需空间的1/10，此外，MPE饼因能根据场景变化自动调整压缩方法，故对静止图像、一般运动场景、剧烈活动场景均能保证图像质量不会劣化。
（2）图像质量高--MPEG4的最高图像分辨率为720/576，接近DVD画面效果。MPEG4基于AV对象压缩的模式决定了它对运动物体可以保证有良好的清晰度。
（3）对网络传输带宽要求不高--由于MPEG4的压缩比是同质量MPEG1和M-JPEG的十倍多，所以网络传输时占用的带宽仅是同质量MPEG1和M-JPEG的1/10左右。例如在64kHz的带宽上，MPEG1和M-JPEG平均只能传1/2帧，而MPEG4可以传5---7帧。
当前可用于远程监控的传输网络主要有公共电话网PSTN(带宽
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