基于DVR的網絡化家庭視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為了免除越來越多的城市白領階層對家人健康和家庭財產安全的后顧之憂，基于數(shù)字視頻錄像機DVR的網絡化家庭監(jiān)控系統(tǒng)應運而生，它可使得你無論身在全球何處都可以通過互聯(lián)網和全球移動通信系統(tǒng)隨時監(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芯片具體說明網絡化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的技術挑戰(zhàn)和開發(fā)要點。

手機和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)控目標的視頻圖像信息，對視頻圖像進行監(jiān)視、記錄、回溯，并根據視頻圖像信息人工或自動地作出相應的動作，以達到對監(jiān)控目標的監(jiān)視、控制、安全防范、和智能管理，已被廣泛應用于軍事、海關、公安、消防、林業(yè)、堤壩、機場、鐵路、港口、城市交通等眾多公眾場合，隨著技術的進步和成本的降低將逐漸普及到家庭安全防范和娛樂應用。

早期的視頻監(jiān)控是以攝像機、監(jiān)視器(電視機)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)。其特點是一個攝像機對應一臺監(jiān)視器(電視機)的監(jiān)視，只能監(jiān)控范圍很小的區(qū)域。

隨后出現(xiàn)了視頻切換設備，改變了攝像機和監(jiān)視器(電視機)的1對1的方式。并且隨著單片機技術的不斷完善，閉路監(jiān)視系統(tǒng)加入了多路視頻切換、攝像機云臺/鏡頭控制、和報警聯(lián)動等數(shù)字控制功能，實現(xiàn)了數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

到了九十年代，隨著計算機多媒體技術、通信技術的長足進步，人們開發(fā)出了視頻捕捉卡，并將其與PC機結合，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、和網絡通訊技術的發(fā)展，基于PC機的數(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時完成高速、大數(shù)據量的視頻/音頻編解碼處理成為可能，結合網絡通訊技術，使集可編程圖像/聲音編解碼、本地存儲、網絡傳輸、和自動化技術為一體的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)應運而生。以DSP為核心的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，配合嵌入式實時操作系統(tǒng)，可以以應用為中心，根據應用對功能、可靠性、穩(wěn)定性、成本、體積等的綜合要求，對軟／硬件進行裁剪，以滿足視頻監(jiān)控發(fā)展的二大需要：數(shù)字化和網絡化。

DVR正是在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎上發(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，用硬盤來本地儲存經壓縮編碼后的數(shù)字音／視頻數(shù)據流，用網絡來遠程傳輸經壓縮編碼后的數(shù)字音/視頻數(shù)據流和控制信息，集圖像畫面分割、多路視頻切換、錄/放像機等功能于一體。硬件上還可連接傳感器、警報器、云臺和鏡頭控制器等，實現(xiàn)監(jiān)視范圍的搜索和目標鎖定，以及環(huán)境監(jiān)控和報警輸出；軟件上還可增加圖像移動偵測、特征提取等輔助功能，以滿足某些特定應用的需求。

目前，DVR可按產品的結構分為基于PC的DVR和嵌入式DVR二種，這二種DVR產品各有優(yōu)缺點?；赑C的DVR經過多年的開發(fā)和應用，功能日趨完善、產品日趨成熟，并可充分利用PC機上豐富的軟／硬件資源。但PC機所采用的Windows操作系統(tǒng)為非實時操作系統(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機強大的軟／硬件資源的支持，其產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的不斷發(fā)展，嵌入式DVR的功能日益豐富、產品日益成熟，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，尤其在家庭普及應用中。

DVR的核心技術

DVR目前仍處于不斷的發(fā)展之中，它所涉及的基本技術包括：數(shù)字音/視頻壓縮/解壓縮編解碼技術；操作系統(tǒng)支持；海量、高可靠本地存儲；網絡通信等。后二者為整個IT產業(yè)的技術大背景，而前二者則是DVR產品設計者必須面對和需要解決的技術核心。

模擬視頻信號數(shù)字化后，產生大量的數(shù)字視頻數(shù)據流，如果直接將這些原始的視頻數(shù)據進行存儲和網絡傳輸，則對存儲器的存儲容量和存/取速度，及網絡傳輸?shù)膸挶貙⑻岢鰢揽恋囊?，這不僅在技術上難于實現(xiàn)，而且在成本上也難于接受。所以必須對原始的視頻數(shù)據進行必要的壓縮處理。在保證圖像質量的前提下，壓縮比越高，系統(tǒng)的性能也就越好。由此可見，視頻壓縮技術是DVR產品最核心的技術。

視頻壓縮技術從其實現(xiàn)來分，可分為幀內壓縮和幀間壓縮二種。幀內壓縮技術是將連續(xù)變化的視頻圖像分解為一幅一幅單獨的幀，對這些單獨的幀進行壓縮。而幀間壓縮技術則比較前后幀之間的差異，并只對幀間不同的部分進行壓縮。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性，相關性越大，幀之間的差異也就越小，需要進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遠優(yōu)于幀內壓縮，尤其是在圖像畫面變動較小的情況下，幀間壓縮能提供相當大的壓縮比，并且還能保證相當不錯的圖像質量。

對幀內和幀間不同的壓縮處理，形成了許許多多不同的壓縮技術或標準，在DVR產品中最常用的壓縮技術有：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準，它們共同追求的目標是在盡可能低的碼率(或存儲容量)下獲得盡可能好的圖像質量。ITU-T的H.26x標準更注重使壓縮標準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絡傳輸要求，ISO/IEC和ITU-T二大國際標準化組織聯(lián)合制定了視頻編碼新標準H.264。

不同的壓縮技術，其處理的復雜度不同。復雜度越高，壓縮比也就越大，計算量也就越大，對處理器的性能也就越高。下面分別對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JPEG發(fā)展起來的動態(tài)圖象壓縮技術，可以生成序列化的運動圖像。其主要特點是基本不考慮視頻流中前后幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮。M-JPEG壓縮技術可以獲取清晰度很高的視頻圖像，而且可以靈活設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因采用幀內壓縮方式也適于視頻編輯。