視頻錄像存儲(chǔ)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(pán)錄像機(jī)的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯露出來(lái)。一方面，錄像分辨率從CIF格式逐漸過(guò)渡到以D1格式為主;另外一方面，單臺(tái)DVR的路數(shù)從4路可以達(dá)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(hù)要求的存儲(chǔ)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，內(nèi)建的硬盤(pán)容量難以滿(mǎn)足要求。所以要使用相同的容量來(lái)存儲(chǔ)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(chǔ)架構(gòu)為攝像機(jī)模擬視頻信號(hào)輸入到DVR卡提供方便，由視頻采集芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后傳至板卡自帶的臨時(shí)存儲(chǔ)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(hào)壓縮變小;最后這些壓縮后的視頻信號(hào)直接或通過(guò)PCI橋芯片進(jìn)入PCI，存儲(chǔ)到硬盤(pán)。這樣通過(guò)視頻編解碼技術(shù)對(duì)外部輸入的圖像進(jìn)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(shí)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(shí)域冗余信息

使用幀間編碼技術(shù)可去除時(shí)域冗余信息，主要包括以下三個(gè)部分：

(一)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是通過(guò)先前的局部圖像來(lái)預(yù)測(cè)和補(bǔ)償當(dāng)前的局部圖像，它是減少幀序列冗余信息的有效方法。

(二)運(yùn)動(dòng)表示

不同區(qū)域的圖像需要使用不同的運(yùn)動(dòng)矢量來(lái)描述運(yùn)動(dòng)信息。一般運(yùn)動(dòng)矢量是通過(guò)嫡編碼來(lái)進(jìn)行壓縮的。

(三)運(yùn)動(dòng)估計(jì)

運(yùn)動(dòng)估計(jì)是從視頻序列中抽取運(yùn)動(dòng)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(cè)差分信號(hào)都有很高的空域冗余信息，變換編碼將空域信號(hào)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(guò)變換編碼后，產(chǎn)生一批變換系數(shù)，對(duì)這些系數(shù)進(jìn)行量化，使編碼器的輸出達(dá)到一定的位率。但這一過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致精度的降低。

(三)熵編碼

熵編碼是無(wú)損編碼。它對(duì)變換、量化后得到的系數(shù)和運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行進(jìn)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(guó)內(nèi)監(jiān)控行業(yè)最常見(jiàn)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(hào)的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)設(shè)計(jì)編碼器，屬于波形編碼的范疇。MPEG-4則代表了基于模型/對(duì)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(duì)象從日像幀拓展到具有實(shí)際意義的任意形狀視頻對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)了從基于像素的傳統(tǒng)編碼向基于對(duì)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(jiàn)性的關(guān)鍵技術(shù)，如：視頻對(duì)象提取技術(shù)、VOP視頻編碼技術(shù)、視頻編碼可分級(jí)性技術(shù)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)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(lái)的，其編解碼流程主要包括5個(gè)部分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測(cè)、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(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)，在同等圖象質(zhì)量下的壓縮效率比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高了2倍以上，并且加入了很多先進(jìn)技術(shù)，如：分層設(shè)計(jì)、高精度、多模式運(yùn)動(dòng)估計(jì)、統(tǒng)一的VLC。

H.264與以前的MPEG-2和MPEG一4，最大的優(yōu)勢(shì)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(shí);該編碼技術(shù)還具備：精確匹配解碼，避免錯(cuò)誤累積;強(qiáng)大的容錯(cuò)能力;時(shí)延級(jí)差，以適應(yīng)更多應(yīng)用環(huán)境等。所以H.264為當(dāng)今DVR主流的視頻編碼技術(shù)。

從目前市場(chǎng)來(lái)看，DVR價(jià)格低廉，產(chǎn)品成熟，應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛，主要應(yīng)用在監(jiān)控點(diǎn)數(shù)較少和級(jí)別要求較低的項(xiàng)目中。但由于編解碼設(shè)備性能的限制，一般采用硬盤(pán)順序?qū)懭氲哪Ｊ?，沒(méi)有應(yīng)用RAID冗余技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)。隨著硬盤(pán)容量的不斷增大，單片硬盤(pán)故障導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失的幾率在同步增長(zhǎng)，大多數(shù)DVR僅帶4-8塊硬盤(pán)，容量極小，兼容性差，無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今大碼流保存數(shù)個(gè)月的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)要求;另外，DVR的架構(gòu)并不具備靈活擴(kuò)容的能力，甚至是無(wú)法擴(kuò)容，導(dǎo)致有限的硬盤(pán)容量無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)與日俱增的需求。

隨著市場(chǎng)需求的不斷劇增，未來(lái)DVR會(huì)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(guò)仍處于發(fā)展階段，相信未來(lái)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(dāng)然這也要取決于硬盤(pán)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(shí)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(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控由被動(dòng)防御轉(zhuǎn)向主動(dòng)預(yù)測(cè)。

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