数字录像(DVR)和H.264压缩技术在安全监控系统的应用

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模拟CCTV安全监控系统正在向数字技术过渡，对于录像的需求是引领这一趋势的重要因素。在需要视频监控和录像的安全监控系统中，模拟VCR已经被数字录像机(DVR)取代。安全监控应用中，相对于模拟VCR，DVR具有压倒性的优势。连续的视频图像按照数字形式记录、处理，并通过数字网络传输，几乎可以满足包括高清(HD)在内的任何等级的图像质量需求。用户可以采用数字处理技术，例如实时分析、现场搜索、移动和活动检测报警，通过IP网络进行远程访问。物理载体的存储成本，例如硬盘(HDD)、数字通用光盘(DVD)或网络存储(NAS)器，仅仅是模拟录像带成本的几分之一。利用数字录像和存档技术还有助于永久保存视频录像，不会随着时间的推移而损失影像质量。所有这些因素都驱使安全监控领域将DVR作为视频记录的标准。
DVR类型
安全监控市场经历过多个不同的DVR发展阶段。嵌入式、混合式以及基于PC的DVR，这些系统都需要基本的视频和音频采集单元：模/数转换、压缩、回放和网络流处理。嵌入式DVR是一种独立设备，可接受模拟CCTV摄像机输入，压缩并存储在本地HDD；混合式DVR能够接受模拟CCTV和IP摄像机输入，将其作为视频源；基于PC的DVR则随硬件压缩卡或PC运行的软件压缩程序集成在安全监测站。不同模块的关键特性包括：视频输入通道数、所支持的压缩标准、录像质量、流处理和播放模式、存储容量以及系统能够同时执行的功能数量。



图1 安全监控DVR系统的功能框图
视频压缩技术
H.264是针对安全监控DVR视频压缩的新行业标准。相比上一代MPEG-4，甚至是MJPEG标准录像技术，H.264的优势在于具有更高的压缩比，能够为安全监控系统提供高品质图像。H.264较高的压缩比(可以达到上一代压缩技术的两倍)能够使容量扩充100%，所生成的文件尺寸更小，从而能够在固定容量的存储装置上记录更长时间的图像。此外，采用H.264压缩技术能够以非常低的码率通过网络传输高品质影像。如果没有经过高效压缩，一个多摄像机安全监控系统很快就会超出网络的可用带宽。为了延长录像时间、降低视频码率，没有采用H.264压缩技术的DVR系统不得不降低录像帧率或清晰度，从而降低了图像质量。为了保证产品的后向兼容性，许多系统仍然采用了传统的编解码格式(MPEG-4和MJPEG)。但是，从当前的发展趋势看，H.264已经成为业内DVR的首要编解码技术。
DVR系统需求
视频安全监控系统对于录像和显示清晰图像的要求越来越高。早期DVR的录像清晰度大多采用CIF (NTSC 360×240)，数字视频质量与其所取代的模拟VCR相当。低清CIF也比较适合第一代编解码技术(MJPEG/MPEG-4)，但这种技术的图像压缩比已经无法胜任高清系统的要求。当前的市场需求和发展趋势是标清(D1 NTSC 720×480)或“DVD质量”的视频录像。与CIF相比，标清(SD)系统每个通道的处理能力提高了4倍。代表最新技术水平的H.264编解码技术被广泛用于D1清晰度或更高清晰度的系统，以确保高效压缩比。Maxim的H.264系列处理器能够灵活设置视频清晰度，以满足不同录像系统的视频质量要求。

视频安全和监控领域的另一个发展趋势是全帧率录像和存储。模拟CCTV摄像机的全帧速率在NTSC制式下为30 fps，PAL制式下为25fps。相对于降低帧率后的DVR设计，例如，7.5fps (NTSC制式的25%)或15fps (NTSC制式的50%)，实时视频录像系统每个通道的处理能力要求提高2～4倍。为了满足新型DVR设计的处理需求，需要一种功能强大的可升级系统架构。

随着时间的推移，当前市场上的多数视频安全监控系统采用的是模拟CCTV设备和数字式网络技术的混合架构。传统的数字设备基于早期的编解码技术(MJPEG/MPEG-4)，这就要求新设备能够支持两种格式的转换。例如，采用当前MJPEG压缩算法的IP摄像机所采集的视频信号必须在DVR中重新编码为H.264格式，从而实现高效存储并充分利用网络带宽。当前的DVR设计必须接受多格式数字视频输入(MJPEG/MPEG-4/H.264)，以保护早期设备的投资。Maxim的H.264系列处理器能够在重新编码为H.264格式之前进行MJPEG和MPEG2解码，支持新系统的录像和数据流处理。