錄像機是閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)中不可或缺的設備，它可以將監(jiān)視現(xiàn)場的畫面實時、真實地記錄下來，并可方便地于事后檢索查證，為案件偵破提供重要的線索與證據(jù)。隨著數(shù)字壓縮技術(shù)以及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字硬盤錄像機(DVR)在電視監(jiān)控行業(yè)內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展，僅有能力自行研制或生產(chǎn)DVR的國內(nèi)廠家就已遠遠超過了百家，并且，各家DVR的結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方式也不盡相同。

　　數(shù)字硬盤錄像機的迅猛發(fā)展主要得益于其自身的機械結(jié)構(gòu)簡單，采用了高精密封裝的大容量硬盤作為記錄設備，因此，只要在計算機擴充槽中插入圖像采集卡，再配上相應的系統(tǒng)軟件及應用軟件，就實現(xiàn)了傳統(tǒng)磁帶錄像機的所有功能。特別是隨后出現(xiàn)的嵌入式硬盤錄像機結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能更加穩(wěn)定，幾乎成了傳統(tǒng)時滯錄像機的終結(jié)者。

　　硬盤錄像機的實現(xiàn)

　　硬盤錄像機有多種實現(xiàn)方法。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來說，有PC插卡型或嵌入式一體機型;從所用的核心芯片來說，有的是基于數(shù)字信號處理器(DSP)，而有的是基于專用集成電路(ASIC)，其中基于DSP的結(jié)構(gòu)又分為不同的系列，它們因選用不同廠家的DSP而異;而從硬盤錄像機處理視頻的技術(shù)(視頻壓縮格式)來說，則有基于Wavelet、M-JPEG、MPEG-1、MPEG- 2、MPEG-4、H.263、H.264等視頻壓縮格式的多種不同的機型。另外，無論是PC插卡型還是一體機型，即使它們所用的芯片相同，其應用軟件的界面與功能也不盡相同。

　　基于PC插卡的硬盤錄像機

　　最早的硬盤錄像機是PC插卡型，視頻采集卡主要包括視頻信號的采集、數(shù)字視頻壓縮處理和視頻緩存等幾部分，其中數(shù)字視頻壓縮處理芯片有多種不同的類型(通用DSP或?qū)Ｓ肁SIC)。隨著CPU、內(nèi)存等核心芯片的不斷升級，計算機的主頻及綜合處理能力得到不斷提高，因而在單卡硬盤錄像機的基礎上進一步出現(xiàn)了多卡多路硬盤錄像機，也即在PC的多個擴充槽中同時插入多塊支持并行處理的單路視音頻采集卡，以實現(xiàn)多路視音頻信號的同時實時采集。由于每一塊卡僅對應于1路信號，因而采集卡的數(shù)量可根據(jù)視頻信號的路數(shù)要求而靈活配置。不過，當在PC中插入多塊卡時，占用的PC資源也相應增加，如CPU及內(nèi)存資源、主板上擴充槽的數(shù)量、主板電源功率等。因此，當攝像機源數(shù)量(即采集卡數(shù)量)較多時，這種硬盤錄像機就必須采用具有多插槽工控底板的工控機，并配以大功率電源，并且對CPU的主頻要求也更高。

　　為了解決多卡應用的資源占用問題，在單卡單路硬盤錄像機問世后不久，有廠家推出了在一塊卡上集成兩片甚至4片視頻處理芯片(DSP或ASIC)的多路視音頻采集卡，因而可以同時實現(xiàn)對兩路信號或4路信號的實時采集與壓縮處理。這種結(jié)構(gòu)實際上是每路視頻信號唯一地對應著一片視頻處理芯片，但是它們共用一片PCI-PCI橋接芯片，因而僅占用一個PC插槽，加上視音頻信號的采集壓縮是由卡上的硬件來實現(xiàn)，因而有效地減少了硬盤錄像對PC資源的占用。

　　還有一種與上述實現(xiàn)原理不盡相同的基于PC的單卡多路硬盤錄像機：卡上的一片視頻處理芯片就要處理多路輸入信號，因而需采用時分輪換方式對多路視頻信號進行采集，并以M-JPEG壓縮格式進行錄像。

　　雖然M-JPEG的壓縮效率不如基于多幀預測編碼的MPEG-1、MPEG-4及H.264等的壓縮格式高，但由于在單通道輪換采集多路視頻時，相繼幀的畫面失去了相關(guān)性(根本不是同一個攝像機攝取的畫面)，因而采用基于幀間預測的視頻壓縮算法就失去了意義，只能采用幀內(nèi)壓縮算法。因此，這種方式的硬盤錄像機是對采集的每一幀畫面獨立地進行JPEG壓縮處理，而后將對應于每一路輸入的各幀畫面形成獨立的 M-JPEG文件。這種方式顯然可以方便地實現(xiàn)多路采集，例如，在不考慮錄像畫面的連續(xù)性要求時，就可以方便容納多達16路的視頻輸入，但是對于只能以 25幀/s的速率對視頻信號進行采集的視頻處理芯片來說，無論有多少路視頻信號輪流切換到其輸入端，其25幀/s的“總資源”是不能變的，因此對這種形式的硬盤錄像機來說，每路畫面的最大平均幀率僅為25/16=1.56幀/s(理想值)。

　　上述結(jié)構(gòu)的改進型產(chǎn)品增加了視頻采集的通道數(shù)(如在一塊卡上集成有4個采集通道)，從而可以對多路視頻輸入信號在每一個采集通道進行并行采集，這就相當于增加了顯示及錄像的“總資源”數(shù)(多路輪換加多通道采集)。例如，某廠家采用兩塊8路采集卡來實現(xiàn)16路信號采集，使DVR的“總資源”達到160幀/s。

　　需要說明的是：由于M-JPEG壓縮算法缺乏幀間壓縮，會導致總的視頻壓縮比小，從而使圖像存儲量加大(這當然會增大硬盤的開銷)。例如：在獲得與MPEG-1圖像質(zhì)量相當?shù)那逦葧r，M-JPEG圖像每幀的字節(jié)數(shù)約需 6K~20KB，這大約相當于MPEG-1圖像的3~10倍。另外，采用M-JPEG算法的DVR產(chǎn)品很難做到對多路聲音信號的同步記錄，因為JPEG標準本身并沒有對聲音壓縮方法的描述。特別是當因多路輪換而出現(xiàn)錄像丟幀現(xiàn)象時，如何同步聲音更是一個需要考慮的問題。還有，由于M-JPEG并沒有形成統(tǒng)一的標準，而僅是對壓縮方法作了原則性的描述或句法規(guī)定，因此實際的M-JPEG標準都是各DVR廠家自行規(guī)定并編制的，各廠家的M-JPEG標準并不通用。這就是說，某個品牌的DVR所記錄的錄像文件一般不能在其他基于M-JPEG壓縮的DVR系統(tǒng)中調(diào)用，也不能被諸如Microsoft媒體播放機(MediaPlayer)之類的通用媒體播放軟件來調(diào)用，這就限制了不同品牌的多套DVR系統(tǒng)的組網(wǎng)應用。

　　基于PC結(jié)構(gòu)的準嵌入式硬盤錄像機

　　前面所介紹的基于PC插卡的硬盤錄像機沒有脫離PC體系：PC的外觀、PC的體系結(jié)構(gòu)、PC的操作系統(tǒng)、PC的界面，……。因而它可以被認為是一種PC的擴展應用，只要退出硬盤錄像應用程序(或者將應用程序置于后臺運行)，這臺硬盤錄像機就是一個標準的PC了，用戶可以方便地在MSOffice環(huán)境下進行文檔編輯、報表統(tǒng)計等操作，……。然而，正因為如此，這種結(jié)構(gòu)的硬盤錄像機很容易被病毒侵襲而致使系統(tǒng)癱瘓;也可能會由于硬件兼容性問題或是由于系統(tǒng)軟件的某些BUG而致使系統(tǒng)宕機;更有甚者，甚至可能因系統(tǒng)管理人員的自身問題(例如操作人員將錄像程序置于后臺運行而在前臺玩游戲)并因為某些誤設置、誤操作而致使錄像系統(tǒng)無法使用。[nextpage]

　　為了脫離PC體系，有商家推出了一種準嵌入式硬盤錄像機。但從實質(zhì)上說，這種DVR并沒有真正脫離PC體系，因為它仍然采用了PC的硬件結(jié)構(gòu)：主板上除了CPU及其他周邊器件外，還集成有顯卡、聲卡、網(wǎng)卡，也有用于插接視頻采集卡的PCI擴充槽，電源部分也是采用帶有風扇的大功率開關(guān)電源。

　　不過，為了使其以專業(yè)設備的形式出現(xiàn)于監(jiān)控市場，機器采用了整體化設計。與前述基于PC的DVR相比，這種準嵌入式DVR充分利用的PC的硬件資源，并有效地考慮了機器的整體空間布局，結(jié)構(gòu)更加緊湊、體積也有效地減小，專門用于實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)中的硬盤錄像。

　　CIVON即是較早面世的準嵌入式DVR之一，該產(chǎn)品基于微型PC主板，具有兩個橫置的PCI插槽，最少可插入一塊單路視頻采集卡，最多可插入兩塊4路視頻采集卡，并可掛接一塊PC標準硬盤，因而可以靈活地構(gòu)成不同路數(shù)的硬盤錄像機。

　　與普通PC一樣，該機也是采用Pentium系列CPU，但是在PC 主板的主引導IDE接口上接入的是一片內(nèi)嵌了Linux操作系統(tǒng)及應用程序的電子盤。當機器上電時，機器自動由電子盤的Linux系統(tǒng)引導，然后自動啟動硬盤錄像應用程序。通過外接顯示器和鍵盤、鼠標，用戶可以像操作PC一樣對其進行基本設置(只是機器的操作系統(tǒng)是Linux而非DOS或 Windows)，一旦設置完畢，顯示器和鍵盤、鼠標等外設均可去掉。此時，如果聯(lián)網(wǎng)的客戶端安裝有配套的硬盤錄像管理軟件，即可以通過網(wǎng)絡由客戶端訪問這臺DVR，可觀看實時圖像或是調(diào)看錄像文件，還可以對該硬盤錄像機進行其他設置與調(diào)整。

　　基于DSP的嵌入式硬盤錄像機

　　嵌入式硬盤錄像機徹底脫離了PC結(jié)構(gòu)，采用的是以DSP為核心的整體結(jié)構(gòu)，視頻采集、視頻壓縮處理、網(wǎng)絡接口等各功能模塊均集成在單一的電路板上。就核心芯片DSP來說，市場上主要有TI公司的TMS320C6xxx系列、Philip公司的Trimedia系列、Equator公司的MAP-CA(BSP)系列和AD公司的ADSP-BF5xx系列等。

　　DSP本身并不對視頻信號進行采集，因此，對基于DPS的硬盤錄像機來說，一般還需與視頻采集芯片配合使用，如Philip公司的視頻處理芯片SAA7111A等。輸入到DVR的模擬視頻信號(S-Video或CVBS)首先經(jīng)SAA7111A進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式處理，得到標準的ITU-RBT.656格式的數(shù)字視頻流，再送給DSP去處理。

　　DSP的處理能力一般取決于其時鐘頻率和處理單元的并行度。目前的DSP大都有多個可以并行執(zhí)行的處理單元，每個執(zhí)行單元都由算術(shù)邏輯運算單元(ALU)、多路器和累加器等組成。

　　基于ASIC的嵌入式硬盤錄像機

　　ASIC即ApplicationSpecifiedIC，也即專門為應用目的而定制的集成電路，因此，基于視頻ASIC的硬盤錄像機結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能更加完善。不過，由于ASIC的結(jié)構(gòu)往往需要參考新型算法在DSP上的成功移植，因此，就同一壓縮格式(如H.264)的硬盤錄像機的面世時間來說，基于ASIC的DVR一般都是晚于基于DSP的DVR。

　　SM2210即是StreamMedia公司推出的一款實時MPEG-2視頻編/解碼芯片，它兼容于ISO/IEC-13818的MP@ML、SP@ML和MP@LL標準，并具有良好的接口特性，因此，SM2210在保證高質(zhì)量圖像處理的同時，可以方便地與飛利浦公司的視頻編解碼芯片及Flash和SDRAM存儲器等周邊器件相接。在編碼方式時，SM2210接受符合ITU-R601或ITU- R656格式的數(shù)字視頻信號輸入，并首先對其進行4:2:2至4:2:0格式的轉(zhuǎn)換，然后對該數(shù)字視頻信號進行可編程的預濾波，再然后進行實時數(shù)字編碼，形成按MPEG-2MP@ML格式壓縮的比特流，其幀結(jié)構(gòu)可以是IBBBP、IBBP、IBP、IP或單I幀。用戶也可自行定義量化矩陣，自行選擇圖像的有效區(qū)域。在解碼方式時，SM2210接受MPEG-1、MPEG-2格式的比特流并進行解碼，然后進行濾波，輸出符合ITU-R601或ITU- R656格式的數(shù)字視頻信號。SM2210不僅支持NTSC、PAL及FILM(電影)等多種視頻格式、分辨率和幀率，還可以編解碼VCD和SVCD格式的比特流。

　　很多ASIC往往還與 FPGA(FieldProgrammableGateArray)配合使用，將某些特定算法專門交由FPGA來實現(xiàn)，例如，MPEG-2和MPEG-4 算法中的核心部分——離散余弦變換(DCT)的操作。雖然MPEG算法中的DCT部分已經(jīng)標準化并能在ASIC或FPGA中有效實現(xiàn)，但MPEG編碼中仍有許多部分尚未明確規(guī)定，而正是這些不明確部分使得一家公司的產(chǎn)品得以區(qū)別于競爭對手，并開發(fā)出擁有自主產(chǎn)權(quán)的算法。因此，一些基于ASIC的DVR便在這些部分(如運動估計模塊)使用了FPGA，因為FPGA可重新配置，因此器件能方便地進行刷新，并在整個開發(fā)階段(包括配置之后)集成新算法。而完全依賴標準ASIC解決方案的公司由于受到芯片自身的限制而無法開發(fā)出性能更優(yōu)的類似產(chǎn)品，市場風險較大。

　　結(jié)論

　　隨著電子與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著視頻壓縮編碼技術(shù)與效率的不斷提高，隨著安防市場的持續(xù)火爆，硬盤錄像機特別是嵌入式硬盤錄像機必將有著更廣闊的發(fā)展空間，無論是硬件結(jié)構(gòu)、壓縮標準還是市場應用。日本一家公司不久前推出的一款僅有移動硬盤盒大小的DivX格式的硬盤錄像機顯然為嵌入式硬盤錄像的應用又帶來了新的亮點。