基于DVR的網(wǎng)絡(luò)化家庭視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為了免除越來越多的城市白領(lǐng)階層對(duì)家人健康和家庭財(cái)產(chǎn)安全的后顧之憂，基于數(shù)字視頻錄像機(jī)DVR的網(wǎng)絡(luò)化家庭監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它可使得你無論身在全球何處都可以通過互聯(lián)網(wǎng)和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)隨時(shí)監(jiān)控家庭的安全環(huán)境。本文基于TI公司專門為視頻處理而開發(fā)的TMS320DM642芯片具體說明網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)和開發(fā)要點(diǎn)。

手機(jī)和MP3播放器今年增速最快。(VPM642原理框圖)

視頻監(jiān)控是通過獲取監(jiān)控目標(biāo)的視頻圖像信息，對(duì)視頻圖像進(jìn)行監(jiān)視、記錄、回溯，并根據(jù)視頻圖像信息人工或自動(dòng)地作出相應(yīng)的動(dòng)作，以達(dá)到對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的監(jiān)視、控制、安全防范、和智能管理，已被廣泛應(yīng)用于軍事、海關(guān)、公安、消防、林業(yè)、堤壩、機(jī)場(chǎng)、鐵路、港口、城市交通等眾多公眾場(chǎng)合，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低將逐漸普及到家庭安全防范和娛樂應(yīng)用。

早期的視頻監(jiān)控是以攝像機(jī)、監(jiān)視器(電視機(jī))組成的純模擬的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，稱為閉路監(jiān)視系統(tǒng)。其特點(diǎn)是一個(gè)攝像機(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)監(jiān)視器(電視機(jī))的監(jiān)視，只能監(jiān)控范圍很小的區(qū)域。

隨后出現(xiàn)了視頻切換設(shè)備，改變了攝像機(jī)和監(jiān)視器(電視機(jī))的1對(duì)1的方式。并且隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷完善，閉路監(jiān)視系統(tǒng)加入了多路視頻切換、攝像機(jī)云臺(tái)/鏡頭控制、和報(bào)警聯(lián)動(dòng)等數(shù)字控制功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

到了九十年代，隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、通信技術(shù)的長足進(jìn)步，人們開發(fā)出了視頻捕捉卡，并將其與PC機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。并且隨著視頻壓縮編碼技術(shù)、和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，基于PC機(jī)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能更加完善和豐富。但是其系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性均存在一定的問題，而且其成本昂貴。

圖2：TMS320DM642視頻口與視頻編解碼器的接口。

直到本世紀(jì)初，隨著以TI公司的TMS320C6000系列、Philips公司的Trimedia、Equator公司的BSP-15等為代表的高性能DSP的出現(xiàn)，由嵌入式處理器來實(shí)時(shí)完成高速、大數(shù)據(jù)量的視頻/音頻編解碼處理成為可能，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，使集可編程圖像/聲音編解碼、本地存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、和自動(dòng)化技術(shù)為一體的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。以DSP為核心的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，配合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以以應(yīng)用為中心，根據(jù)應(yīng)用對(duì)功能、可靠性、穩(wěn)定性、成本、體積等的綜合要求，對(duì)軟／硬件進(jìn)行裁剪，以滿足視頻監(jiān)控發(fā)展的二大需要：數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。

DVR正是在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，DVR采用數(shù)字音/視頻壓縮/解壓縮的編解碼技術(shù)，用硬盤來本地儲(chǔ)存經(jīng)壓縮編碼后的數(shù)字音／視頻數(shù)據(jù)流，用網(wǎng)絡(luò)來遠(yuǎn)程傳輸經(jīng)壓縮編碼后的數(shù)字音/視頻數(shù)據(jù)流和控制信息，集圖像畫面分割、多路視頻切換、錄/放像機(jī)等功能于一體。硬件上還可連接傳感器、警報(bào)器、云臺(tái)和鏡頭控制器等，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視范圍的搜索和目標(biāo)鎖定，以及環(huán)境監(jiān)控和報(bào)警輸出；軟件上還可增加圖像移動(dòng)偵測(cè)、特征提取等輔助功能，以滿足某些特定應(yīng)用的需求。

目前，DVR可按產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分為基于PC的DVR和嵌入式DVR二種，這二種DVR產(chǎn)品各有優(yōu)缺點(diǎn)?；赑C的DVR經(jīng)過多年的開發(fā)和應(yīng)用，功能日趨完善、產(chǎn)品日趨成熟，并可充分利用PC機(jī)上豐富的軟／硬件資源。但PC機(jī)所采用的Windows操作系統(tǒng)為非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并且易受病毒攻擊，影響了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，另外其昂貴的成本，使其難于普及到家庭使用。嵌入式DVR，沒有了PC機(jī)強(qiáng)大的軟／硬件資源的支持，其產(chǎn)品的靈活性和功能的豐富性受到一定程度的限制，但隨著近年來芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式DVR的功能日益豐富、產(chǎn)品日益成熟，加之嵌入式DVR固有的穩(wěn)定性和低成本，越來越被人們接受，尤其在家庭普及應(yīng)用中。

DVR的核心技術(shù)

DVR目前仍處于不斷的發(fā)展之中，它所涉及的基本技術(shù)包括：數(shù)字音/視頻壓縮/解壓縮編解碼技術(shù)；操作系統(tǒng)支持；海量、高可靠本地存儲(chǔ)；網(wǎng)絡(luò)通信等。后二者為整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的技術(shù)大背景，而前二者則是DVR產(chǎn)品設(shè)計(jì)者必須面對(duì)和需要解決的技術(shù)核心。

模擬視頻信號(hào)數(shù)字化后，產(chǎn)生大量的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流，如果直接將這些原始的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸，則對(duì)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量和存/取速度，及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸挶貙⑻岢鰢?yán)苛的要求，這不僅在技術(shù)上難于實(shí)現(xiàn)，而且在成本上也難于接受。所以必須對(duì)原始的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的壓縮處理。在保證圖像質(zhì)量的前提下，壓縮比越高，系統(tǒng)的性能也就越好。由此可見，視頻壓縮技術(shù)是DVR產(chǎn)品最核心的技術(shù)。

視頻壓縮技術(shù)從其實(shí)現(xiàn)來分，可分為幀內(nèi)壓縮和幀間壓縮二種。幀內(nèi)壓縮技術(shù)是將連續(xù)變化的視頻圖像分解為一幅一幅單獨(dú)的幀，對(duì)這些單獨(dú)的幀進(jìn)行壓縮。而幀間壓縮技術(shù)則比較前后幀之間的差異，并只對(duì)幀間不同的部分進(jìn)行壓縮。由于連續(xù)變化的視頻圖像，其前后幀之間具有一定的相關(guān)性，相關(guān)性越大，幀之間的差異也就越小，需要進(jìn)行的壓縮處理也就越少。由此可見，幀間壓縮的性能和效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于幀內(nèi)壓縮，尤其是在圖像畫面變動(dòng)較小的情況下，幀間壓縮能提供相當(dāng)大的壓縮比，并且還能保證相當(dāng)不錯(cuò)的圖像質(zhì)量。

對(duì)幀內(nèi)和幀間不同的壓縮處理，形成了許許多多不同的壓縮技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)，在DVR產(chǎn)品中最常用的壓縮技術(shù)有：M-JPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.263和H.264等。MPEG-x和H.26x分別是由ISO/IEC和ITU-T制定的二大視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn)，它們共同追求的目標(biāo)是在盡可能低的碼率(或存儲(chǔ)容量)下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。ITU-T的H.26x標(biāo)準(zhǔn)更注重使壓縮標(biāo)準(zhǔn)的輸出碼率滿足不同通信信道的傳輸特性。為了滿足日益增長的視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸要求，ISO/IEC和ITU-T二大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)合制定了視頻編碼新標(biāo)準(zhǔn)H.264。

不同的壓縮技術(shù)，其處理的復(fù)雜度不同。復(fù)雜度越高，壓縮比也就越大，計(jì)算量也就越大，對(duì)處理器的性能也就越高。下面分別對(duì)這幾種視頻壓縮算法作一簡單介紹。

MotionJPEG是一種基于靜態(tài)圖象壓縮技術(shù)JPEG發(fā)展起來的動(dòng)態(tài)圖象壓縮技術(shù)，可以生成序列化的運(yùn)動(dòng)圖像。其主要特點(diǎn)是基本不考慮視頻流中前后幀之間的變化，只單獨(dú)對(duì)某一幀進(jìn)行壓縮。M-JPEG壓縮技術(shù)可以獲取清晰度很高的視頻圖像，而且可以靈活設(shè)置每路的視頻清晰度和壓縮幀數(shù)。因其壓縮后之格式可讀單一畫面，所以可以任意剪接。M-JPEG因采用幀內(nèi)壓縮方式也適于視頻編輯。