數(shù)字錄像和H.264壓縮技術在安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用

模擬CCTV安全監(jiān)控系統(tǒng)正在向數(shù)字技術過渡，對于錄像的需求是引領這一趨勢的重要因素。在需要視頻監(jiān)控和錄像的安全監(jiān)控系統(tǒng)中，模擬VCR已經(jīng)被數(shù)字錄像機(DVR)取代。安全監(jiān)控應用中，相對于模擬VCR，DVR具有壓倒性的優(yōu)勢。連續(xù)的視頻圖像按照數(shù)字形式記錄、處理，并通過數(shù)字網(wǎng)絡傳輸，幾乎可以滿足包括高清(HD)在內(nèi)的任何等級的圖像質(zhì)量需求。用戶可以采用數(shù)字處理技術，例如實時分析、現(xiàn)場搜索、移動和活動檢測報警，通過IP網(wǎng)絡進行遠程訪問。物理載體的存儲成本，例如硬盤(HDD)、數(shù)字通用光盤(DVD)或網(wǎng)絡存儲(NAS)器，僅僅是模擬錄像帶成本的幾分之一。利用數(shù)字錄像和存檔技術還有助于永久保存視頻錄像，不會隨著時間的推移而損失影像質(zhì)量。所有這些因素都驅(qū)使安全監(jiān)控領域?qū)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/DVR">DVR作為視頻記錄的標準。

DVR類型

安全監(jiān)控市場經(jīng)歷過多個不同的DVR發(fā)展階段。嵌入式、混合式以及基于PC的DVR，這些系統(tǒng)都需要基本的視頻和音頻采集單元：模/數(shù)轉(zhuǎn)換、壓縮、回放和網(wǎng)絡流處理。嵌入式DVR是一種獨立設備，可接受模擬CCTV攝像機輸入，壓縮并存儲在本地HDD；混合式DVR能夠接受模擬CCTV和IP攝像機輸入，將其作為視頻源；基于PC的DVR則隨硬件壓縮卡或PC運行的軟件壓縮程序集成在安全監(jiān)測站。不同模塊的關鍵特性包括：視頻輸入通道數(shù)、所支持的壓縮標準、錄像質(zhì)量、流處理和播放模式、存儲容量以及系統(tǒng)能夠同時執(zhí)行的功能數(shù)量。

圖1 安全監(jiān)控DVR系統(tǒng)的功能框圖

視頻壓縮技術

H.264是針對安全監(jiān)控DVR視頻壓縮的新行業(yè)標準。相比上一代MPEG-4，甚至是MJPEG標準錄像技術，H.264的優(yōu)勢在于具有更高的壓縮比，能夠為安全監(jiān)控系統(tǒng)提供高品質(zhì)圖像。H.264較高的壓縮比(可以達到上一代壓縮技術的兩倍)能夠使容量擴充100%，所生成的文件尺寸更小，從而能夠在固定容量的存儲裝置上記錄更長時間的圖像。此外，采用H.264壓縮技術能夠以非常低的碼率通過網(wǎng)絡傳輸高品質(zhì)影像。如果沒有經(jīng)過高效壓縮，一個多攝像機安全監(jiān)控系統(tǒng)很快就會超出網(wǎng)絡的可用帶寬。為了延長錄像時間、降低視頻碼率，沒有采用H.264壓縮技術的DVR系統(tǒng)不得不降低錄像幀率或清晰度，從而降低了圖像質(zhì)量。為了保證產(chǎn)品的后向兼容性，許多系統(tǒng)仍然采用了傳統(tǒng)的編解碼格式(MPEG-4和MJPEG)。但是，從當前的發(fā)展趨勢看，H.264已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)DVR的首要編解碼技術。

DVR系統(tǒng)需求

視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)對于錄像和顯示清晰圖像的要求越來越高。早期DVR的錄像清晰度大多采用CIF (NTSC 360×240)，數(shù)字視頻質(zhì)量與其所取代的模擬VCR相當。低清CIF也比較適合第一代編解碼技術(MJPEG/MPEG-4)，但這種技術的圖像壓縮比已經(jīng)無法勝任高清系統(tǒng)的要求。當前的市場需求和發(fā)展趨勢是標清(D1 NTSC 720×480)或“DVD質(zhì)量”的視頻錄像。與CIF相比，標清(SD)系統(tǒng)每個通道的處理能力提高了4倍。代表最新技術水平的H.264編解碼技術被廣泛用于D1清晰度或更高清晰度的系統(tǒng)，以確保高效壓縮比。Maxim的H.264系列處理器能夠靈活設置視頻清晰度，以滿足不同錄像系統(tǒng)的視頻質(zhì)量要求。

視頻安全和監(jiān)控領域的另一個發(fā)展趨勢是全幀率錄像和存儲。模擬CCTV攝像機的全幀速率在NTSC制式下為30 fps，PAL制式下為25fps。相對于降低幀率后的DVR設計，例如，7.5fps (NTSC制式的25%)或15fps (NTSC制式的50%)，實時視頻錄像系統(tǒng)每個通道的處理能力要求提高2～4倍。為了滿足新型DVR設計的處理需求，需要一種功能強大的可升級系統(tǒng)架構。

隨著時間的推移，當前市場上的多數(shù)視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)采用的是模擬CCTV設備和數(shù)字式網(wǎng)絡技術的混合架構。傳統(tǒng)的數(shù)字設備基于早期的編解碼技術(MJPEG/MPEG-4)，這就要求新設備能夠支持兩種格式的轉(zhuǎn)換。例如，采用當前MJPEG壓縮算法的IP攝像機所采集的視頻信號必須在DVR中重新編碼為H.264格式，從而實現(xiàn)高效存儲并充分利用網(wǎng)絡帶寬。當前的DVR設計必須接受多格式數(shù)字視頻輸入(MJPEG/MPEG-4/H.264)，以保護早期設備的投資。Maxim的H.264系列處理器能夠在重新編碼為H.264格式之前進行MJPEG和MPEG2解碼，支持新系統(tǒng)的錄像和數(shù)據(jù)流處理。