視頻錄像存儲編碼技術應用與分析

隨著安防監(jiān)控行業(yè)的迅速發(fā)展，嵌入式硬盤錄像機的優(yōu)點逐漸顯露出來。一方面，錄像分辨率從CIF格式逐漸過渡到以D1格式為主;另外一方面，單臺DVR的路數從4路可以達到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要求的存儲時間越來越長，內建的硬盤容量難以滿足要求。所以要使用相同的容量來存儲更多的視頻圖像，視頻壓縮技術在這里起到關鍵的作用。

目前DVR存儲架構為攝像機模擬視頻信號輸入到DVR卡提供方便，由視頻采集芯片將模擬信號轉換成數字信號，然后傳至板卡自帶的臨時存儲器中，再由卡上自帶視頻壓縮芯片執(zhí)行壓縮算法，將龐大的視頻信號壓縮變小;最后這些壓縮后的視頻信號直接或通過PCI橋芯片進入PCI，存儲到硬盤。這樣通過視頻編解碼技術對外部輸入的圖像進行編碼，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域冗余信息。壓縮技編碼技術的本質就是去掉數據中的冗余信息，它主要包含幀內圖像數據壓縮技術、幀間圖像數據壓縮技術和熵編碼壓縮技術。

一、去時域冗余信息

使用幀間編碼技術可去除時域冗余信息，主要包括以下三個部分：

(一)運動補償

運動補償是通過先前的局部圖像來預測和補償當前的局部圖像，它是減少幀序列冗余信息的有效方法。

(二)運動表示

不同區(qū)域的圖像需要使用不同的運動矢量來描述運動信息。一般運動矢量是通過嫡編碼來進行壓縮的。

(三)運動估計

運動估計是從視頻序列中抽取運動信息。

二、去空域冗余信息

去空域冗余信息主要使用的是幀內編碼技術和熵編碼技術：

(一)變換編碼

幀內圖像和預測差分信號都有很高的空域冗余信息，變換編碼將空域信號變換到另一正交量空間，使其相關性下降，數據冗余度減小。

(二)量化編碼

經過變換編碼后，產生一批變換系數，對這些系數進行量化，使編碼器的輸出達到一定的位率。但這一過程也會導致精度的降低。

(三)熵編碼

熵編碼是無損編碼。它對變換、量化后得到的系數和運動信息進行進一步的壓縮。

目前市面上主流的DVR采用的編解碼技術有MPEG-2、MPEG-4、H.264、M-JPEG，而MPEG-4、H.264是國內監(jiān)控行業(yè)最常見的壓縮方式。

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，基于圖像信號的統計特性來設計編碼器，屬于波形編碼的范疇。MPEG-4則代表了基于模型/對象的第二代壓縮編碼技術，采用了新一代視頻編碼技術，在視頻編碼發(fā)展史上第一次把編碼對象從日像幀拓展到具有實際意義的任意形狀視頻對象，從而實現了從基于像素的傳統編碼向基于對象和內容的現代編碼的轉變。MJPG-4除采用第一代視頻編碼的核心技術，如變換編碼、量化、熵編碼外，還提出了一些新的有創(chuàng)見性的關鍵技術，如：視頻對象提取技術、VOP視頻編碼技術、視頻編碼可分級性技術、運動估計與運動補償技術。

H.264是一種高性能的視頻編解碼技術。H.264是在MPEG-4技術的基礎之上建立起來的，其編解碼流程主要包括5個部分：幀間和幀內預測、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視頻壓縮標準發(fā)布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標準。通過該標準，在同等圖象質量下的壓縮效率比以前的標準提高了2倍以上，并且加入了很多先進技術，如：分層設計、高精度、多模式運動估計、統一的VLC。

H.264與以前的MPEG-2和MPEG一4，最大的優(yōu)勢是具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質量的條件下;H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5-2倍。同時;該編碼技術還具備：精確匹配解碼，避免錯誤累積;強大的容錯能力;時延級差，以適應更多應用環(huán)境等。所以H.264為當今DVR主流的視頻編碼技術。

從目前市場來看，DVR價格低廉，產品成熟，應用仍相當廣泛，主要應用在監(jiān)控點數較少和級別要求較低的項目中。但由于編解碼設備性能的限制，一般采用硬盤順序寫入的模式，沒有應用RAID冗余技術來實現對數據的保護。隨著硬盤容量的不斷增大，單片硬盤故障導致關鍵數據丟失的幾率在同步增長，大多數DVR僅帶4-8塊硬盤，容量極小，兼容性差，無法滿足當今大碼流保存數個月的監(jiān)控數據要求;另外，DVR的架構并不具備靈活擴容的能力，甚至是無法擴容，導致有限的硬盤容量無法滿足用戶與日俱增的需求。

隨著市場需求的不斷劇增，未來DVR會圍繞以下幾方面發(fā)展：

(1)更高分辨率。目前高檔DVR普遍具有D1編碼效果，不過仍處于發(fā)展階段，相信未來有一種清晰且又能兼顧網絡傳輸的高清編碼技術，當然這也要取決于硬盤容量的發(fā)展，以及網絡帶寬和成本的變革。

(2)更豐富的功能。需要更加豐富的軟件接口，便于大型系統的接入，組成綜合性的監(jiān)控系統，這樣將更加有助于產品的應用和普及。

(3)更好的環(huán)境適應能力。監(jiān)控環(huán)境一般都是比較復雜的，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去適應各種環(huán)境，具備更良好的性能。

(4)設備更加智能。如采用生物識別技術、行為分析技術、視頻搜索技術等智能化技術使設備更加智能，實現視頻監(jiān)控由被動防御轉向主動預測。

綜上所述，目前視頻監(jiān)控系統主要向兩個方向發(fā)展：一是DVR會在產品性能以及人性化方面會做得更“精”，使DVR更加普及應用到安防行業(yè)的各個領域。二是DVR將會支持和匹配更多產品和設備，與NVR共同競爭發(fā)展，服務視頻監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展。