CCTV监控系统中硬盘录像机的功能实现

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　　录像机是闭路电视监控系统中不可或缺的设备，它可以将监视现场的画面实时、真实地记录下来，并可方便地于事后检索查证，为案件侦破提供重要的线索与证据。随着数字压缩技术以及大规模集成电路技术的发展，数字硬盘录像机（DVR）在电视监控行业内得到了迅猛的发展，有能力自行研制或生产DVR的国内厂家已不在少数，并且，各家DVR的结构与实现方式也不尽相同。

　　数字硬盘录像机的迅猛发展主要得益于其自身的机械结构简单，采用了高精密封装的大容量硬盘作为记录设备，因此，只要在计算机扩充槽中插入图像采集卡，再配上相应的j监控系统软件及应用软件，就实现了传统磁带录像机的所有功能。特别是随后出现的嵌入式硬盘录像机结构更加紧凑，性能更加稳定，几乎成了传统时滞录像机的终结者。

　　硬盘录像机的实现

　　硬盘录像机有多种实现方法。从系统结构上来说，有PC插卡型或嵌入式一体机型；从所用的核心芯片来说，有的是基于数字信号处理器（DSP），而有的是基于专用集成电路（ASIC），其中基于DSP的结构又分为不同的系列，它们因选用不同厂家的DSP而异；而从硬盘录像机处理视频的技术（视频压缩格式）来说，则有基于Wavelet、M-JPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.263、H.264等视频压缩格式的多种不同的机型。另外，无论是PC插卡型还是一体机型，即使它们所用的芯片相同，其应用软件的界面与功能也不尽相同。

　　基于PC插卡的硬盘录像机

　　最早的硬盘录像机是PC插卡型，视频采集卡主要包括视频信号的采集、数字视频压缩处理和视频缓存等几部分，其中数字视频压缩处理芯片有多种不同的类型（通用DSP或专用ASIC）。随着CPU、内存等核心芯片的不断升级，计算机的主频及综合处理能力得到不断提高，因而在单卡硬盘录像机的基础上进一步出现了多卡多路硬盘录像机，也即在PC的多个扩充槽中同时插入多块支持并行处理的单路视音频采集卡，以实现多路视音频信号的同时实时采集。由于每一块卡仅对应于1路信号，因而采集卡的数量可根据视频信号的路数要求而灵活配置。不过，当在PC中插入多块卡时，占用的PC资源也相应增加，如CPU及内存资源、主板上扩充槽的数量、主板电源功率等。因此，当摄像机源数量（即采集卡数量）较多时，这种硬盘录像机就必须采用具有多插槽工控底板的工控机，并配以大功率电源，并且对CPU的主频要求也更高。

　　为了解决多卡应用的资源占用问题，在单卡单路硬盘录像机问世后不久，有厂家推出了在一块卡上集成两片甚至4片视频处理芯片（DSP或ASIC）的多路视音频采集卡，因而可以同时实现对两路信号或4路信号的实时采集与压缩处理。这种结构实际上是每路视频信号唯一地对应着一片视频处理芯片，但是它们共用一片PCI-PCI桥接芯片，因而仅占用一个PC插槽，加上视音频信号的采集压缩是由卡上的硬件来实现，因而有效地减少了硬盘录像对PC资源的占用。

　　还有一种与上述实现原理不尽相同的基于PC的单卡多路硬盘录像机：卡上的一片视频处理芯片就要处理多路输入信号，因而需采用时分轮换方式对多路视频信号进行采集，并以M-JPEG压缩格式进行录像。

　　虽然M-JPEG的压缩效率不如基于多帧预测编码的MPEG-1、MPEG-4及H.264等的压缩格式高，但由于在单通道轮换采集多路视频时，相继帧的画面失去了相关性（根本不是同一个摄像机摄取的画面），因而采用基于帧间预测的视频压缩算法就失去了意义，只能采用帧内压缩算法。

　　因此，这种方式的硬盘录像机是对采集的每一帧画面独立地进行JPEG压缩处理，而后将对应于每一路输入的各帧画面形成独立的M-JPEG文件。这种方式显然可以方便地实现多路采集，例如，在不考虑录像画面的连续性要求时，就可以方便容纳多达16路的视频输入，但是对于只能以25帧/s的速率对视频信号进行采集的视频处理芯片来说，无论有多少路视频信号轮流切换到其输入端，其25帧/s的”总资源”是不能变的，因此对这种形式的硬盘录像机来说，每路画面的最大平均帧率仅为25/16=1.56帧/s（理想值）。

　　上述结构的改进型产品增加了视频采集的通道数（如在一块卡上集成有4个采集通道），从而可以对多路视频输入信号在每一个采集通道进行并行采集，这就相当于增加了显示及录像的”总资源”数（多路轮换加多通道采集）。例如，某厂家采用两块8路采集卡来实现16路信号采集，使DVR的”总资源”达到160帧/s。

　　需要说明的是：由于M-JPEG压缩算法缺乏帧间压缩，会导致总的视频压缩比小，从而使图像存储量加大（这当然会增大硬盘的开销）。例如：在获得与MPEG-1图像质量相当的清晰度时，M-JPEG图像每帧的字节数约需6K~20KB，这大约相当于MPEG-1图像的3~10倍。另外，采用M-JPEG算法的DVR产品很难做到对多路声音信号的同步记录，因为JPEG标准本身并没有对声音压缩方法的描述。特别是当因多路轮换而出现录像丢帧现象时，如何同步声音更是一个需要考虑的问题。还有，由于M-JPEG并没有形成统一的标准，而仅是对压缩方法作了原则性的描述或句法规定，因此实际的M-JPEG标准都是各DVR厂家自行规定并编制的，各厂家的M-JPEG标准并不通用。这就是说，某个品牌的DVR所记录的录像文件一般不能在其他基于M-JPEG压缩的DVR系统中调用，也不能被诸如Microsoft媒体播放机（MediaPlayer）之类的通用媒体播放软件来调用，这就限制了不同品牌的多套监控系统的组网应用。

　　基于PC结构的准嵌入式硬盘录像机

　　前面所介绍的基于PC插卡的硬盘录像机没有脱离PC体系：PC的外观、PC的体系结构、PC的操作系统、PC的界面，……。因而它可以被认为是一种PC的扩展应用，只要退出硬盘录像应用程序（或者将应用程序置于后台运行），这台硬盘录像机就是一个标准的PC了，用户可以方便地在MSOffice环境下进行文档编辑、报表统计等操作，……。然而，正因为如此，这种结构的硬盘录像机很容易被病毒侵袭而致使系统瘫痪；也可能会由于硬件兼容性问题或是由于系统软件的某些BUG而致使系统宕机；更有甚者，甚至可能因系统管理人员的自身问题（例如操作人员将录像程序置于后台运行而在前台玩游戏）并因为某些误设置、误操作而致使录像系统无法使用。

　　为了脱离PC体系，有商家推出了一种准嵌入式硬盘录像机。但从实质上说，这种DVR并没有真正脱离PC体系，因为它仍然采用了PC的硬件结构：主板上除了CPU及其他周边器件外，还集成有显卡、声卡、网卡，也有用于插接视频采集卡的PCI扩充槽，电源部分也是采用带有风扇的大功率开关电源。不过，为了使其以专业设备的形式出现于监控市场，机器采用了整体化设计。与前述基于PC的DVR相比，这种准嵌入式DVR充分利用的PC的硬件资源，并有效地考虑了机器的整体空间布局，结构更加紧凑、体积也有效地减小，专门用于实现监控系统中的硬盘录像。