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視頻錄像存儲編碼技術(shù)應(yīng)用與分析

隨著安防監(jiān)控行業(yè)的迅速發(fā)展，嵌入式硬盤錄像機的優(yōu)點逐漸顯露出來。一方面，錄像分辨率從CIF格式逐漸過渡到以D1格式為主;另外一方面，單臺DVR的路數(shù)從4路可以達到32路。一切似乎看著都很順利，但是由于D1格式的巨大容量以及客戶要求的存儲時間越來越長，內(nèi)建的硬盤容量難以滿足要求。所以要使用相同的容量來存儲更多的視頻圖像，視頻壓縮技術(shù)在這里起到關(guān)鍵的作用。

目前DVR存儲架構(gòu)為攝像機模擬視頻信號輸入到DVR卡提供方便，由視頻采集芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后傳至板卡自帶的臨時存儲器中，再由卡上自帶視頻壓縮芯片執(zhí)行壓縮算法，將龐大的視頻信號壓縮變小;后這些壓縮后的視頻信號直接或通過PCI橋芯片進入PCI，存儲到硬盤。這樣通過視頻編解碼技術(shù)對外部輸入的圖像進行編碼，去除大量的冗余信息。其中冗余信息可分為空域冗余信息和時域冗余信息。壓縮技編碼技術(shù)的本質(zhì)就是去掉數(shù)據(jù)中的冗余信息，它主要包含幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、幀間圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和熵編碼壓縮技術(shù)。

一、去時域冗余信息

使用幀間編碼技術(shù)可去除時域冗余信息，主要包括以下三個部分：

(一)運動補償

運動補償是通過先前的局部圖像來預(yù)測和補償當前的局部圖像，它是減少幀序列冗余信息的有效方法。

(二)運動表示

不同區(qū)域的圖像需要使用不同的運動矢量來描述運動信息。一般運動矢量是通過嫡編碼來進行壓縮的。

(三)運動估計

運動估計是從視頻序列中抽取運動信息。

二、去空域冗余信息

去空域冗余信息主要使用的是幀內(nèi)編碼技術(shù)和熵編碼技術(shù)：

(一)變換編碼

幀內(nèi)圖像和預(yù)測差分信號都有很高的空域冗余信息，變換編碼將空域信號變換到另一正交量空間，使其相關(guān)性下降，數(shù)據(jù)冗余度減小。

(二)量化編碼

經(jīng)過變換編碼后，產(chǎn)生一批變換系數(shù)，對這些系數(shù)進行量化，使編碼器的輸出達到一定的位率。但這一過程也會導致精度的降低。

(三)熵編碼

熵編碼是無損編碼。它對變換、量化后得到的系數(shù)和運動信息進行進一步的壓縮。

目前市面上主流的DVR采用的編解碼技術(shù)有MPEG-2、MPEG-4、H.264、M-JPEG，而MPEG-4、H.264是國內(nèi)監(jiān)控行業(yè)常見的壓縮方式。

在MPEG-4制定之前，MPEG-1、MPEG-2、H.261、H.263都是采用第一代壓縮編碼技術(shù)，基于圖像信號的統(tǒng)計特性來設(shè)計編碼器，屬于波形編碼的范疇。MPEG-4則代表了基于模型/對象的第二代壓縮編碼技術(shù)，采用了新一代視頻編碼技術(shù)，在視頻編碼發(fā)展史上第一次把編碼對象從日像幀拓展到具有實際意義的任意形狀視頻對象，從而實現(xiàn)了從基于像素的傳統(tǒng)編碼向基于對象和內(nèi)容的現(xiàn)代編碼的轉(zhuǎn)變。MJPG-4除采用第一代視頻編碼的核心技術(shù)，如變換編碼、量化、熵編碼外，還提出了一些新的有創(chuàng)見性的關(guān)鍵技術(shù)，如：視頻對象提取技術(shù)、VOP視頻編碼技術(shù)、視頻編碼可分級性技術(shù)、運動估計與運動補償技術(shù)。

H.264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)。H.264是在MPEG-4技術(shù)的基礎(chǔ)之上建立起來的，其編解碼流程主要包括5個部分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測、變換和反交換、量化和反量化、環(huán)路濾波、熵編碼。它是1995年自MPEG-2視頻壓縮標準發(fā)布以后的新、有前途的視頻壓縮標準。通過該標準，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標準提高了2倍以上，并且加入了很多先進技術(shù)，如：分層設(shè)計、高精度、多模式運動估計、統(tǒng)一的VLC。

H.264與以前的MPEG-2和MPEG一4，大的優(yōu)勢是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下;H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5-2倍。同時;該編碼技術(shù)還具備：精確匹配解碼，避免錯誤累積;強大的容錯能力;時延級差，以適應(yīng)更多應(yīng)用環(huán)境等。所以H.264為當今DVR主流的視頻編碼技術(shù)。

從目前市場來看，DVR價格低廉，產(chǎn)品成熟，應(yīng)用仍相當廣泛，主要應(yīng)用在監(jiān)控點數(shù)較少和級別要求較低的項目中。但由于編解碼設(shè)備性能的限制，一般采用硬盤順序?qū)懭氲哪Ｊ�，沒有應(yīng)用RAID冗余技術(shù)來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的保護。隨著硬盤容量的不斷增大，單片硬盤故障導致關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失的幾率在同步增長，大多數(shù)DVR僅帶4-8塊硬盤，容量極小，兼容性差，無法滿足當今大碼流保存數(shù)個月的監(jiān)控數(shù)據(jù)要求;另外，DVR的架構(gòu)并不具備靈活擴容的能力，甚至是無法擴容，導致有限的硬盤容量無法滿足用戶與日俱增的需求。

隨著市場需求的不斷劇增，未來DVR會圍繞以下幾方面發(fā)展：

(1)更高分辨率。目前高檔DVR普遍具有D1編碼效果，不過仍處于發(fā)展階段，相信未來有一種清晰且又能兼顧網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母咔寰幋a技術(shù)，當然這也要取決于硬盤容量的發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)帶寬和成本的變革。

(2)更豐富的功能。需要更加豐富的軟件接口，便于大型系統(tǒng)的接入，組成綜合性的監(jiān)控系統(tǒng)，這樣將更加有助于產(chǎn)品的應(yīng)用和普及。

(3)更好的環(huán)境適應(yīng)能力。監(jiān)控環(huán)境一般都是比較復(fù)雜的，就溫度而言，其差別有可能為-20攝氏度-50攝氏度，這就需要DVR去適應(yīng)各種環(huán)境，具備更良好的性能。

(4)設(shè)備更加智能。如采用生物識別技術(shù)、行為分析技術(shù)、視頻搜索技術(shù)等智能化技術(shù)使設(shè)備更加智能，實現(xiàn)視頻監(jiān)控由被動防御轉(zhuǎn)向主動預(yù)測。

綜上所述，目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要向兩個方向發(fā)展：一是DVR會在產(chǎn)品性能以及人性化方面會做得更“精”，使DVR更加普及應(yīng)用到安防行業(yè)的各個領(lǐng)域。二是DVR將會支持和匹配更多產(chǎn)品和設(shè)備，與NVR共同競爭發(fā)展，服務(wù)視頻監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展。