數字錄像和H.264壓縮技術(shù)在安全監控系統的應用

模擬CCTV安全監控系統正在向數字技術(shù)過(guò)渡，對于錄像的需求是引領(lǐng)這一趨勢的重要因素。在需要視頻監控和錄像的安全監控系統中，模擬VCR已經(jīng)被數字錄像機(DVR)取代。安全監控應用中，相對于模擬VCR，DVR具有壓倒性的優(yōu)勢。連續的視頻圖像按照數字形式記錄、處理，并通過(guò)數字網(wǎng)絡(luò )傳輸，幾乎可以滿(mǎn)足包括高清(HD)在內的任何等級的圖像質(zhì)量需求。用戶(hù)可以采用數字處理技術(shù)，例如實(shí)時(shí)分析、現場(chǎng)搜索、移動(dòng)和活動(dòng)檢測報警，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程訪(fǎng)問(wèn)。物理載體的存儲成本，例如硬盤(pán)(HDD)、數字通用光盤(pán)(DVD)或網(wǎng)絡(luò )存儲(NAS)器，僅僅是模擬錄像帶成本的幾分之一。利用數字錄像和存檔技術(shù)還有助于永久保存視頻錄像，不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而損失影像質(zhì)量。所有這些因素都驅使安全監控領(lǐng)域將DVR作為視頻記錄的標準。

DVR類(lèi)型

安全監控市場(chǎng)經(jīng)歷過(guò)多個(gè)不同的DVR發(fā)展階段。嵌入式、混合式以及基于PC的DVR，這些系統都需要基本的視頻和音頻采集單元：模/數轉換、壓縮、回放和網(wǎng)絡(luò )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測站。不同模塊的關(guān)鍵特性包括：視頻輸入通道數、所支持的壓縮標準、錄像質(zhì)量、流處理和播放模式、存儲容量以及系統能夠同時(shí)執行的功能數量。

圖1 安全監控DVR系統的功能框圖

視頻壓縮技術(shù)

H.264是針對安全監控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(shù)，H.264的優(yōu)勢在于具有更高的壓縮比，能夠為安全監控系統提供高品質(zhì)圖像。H.264較高的壓縮比(可以達到上一代壓縮技術(shù)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(cháng)時(shí)間的圖像。此外，采用H.264壓縮技術(shù)能夠以非常低的碼率通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸高品質(zhì)影像。如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)高效壓縮，一個(gè)多攝像機安全監控系統很快就會(huì )超出網(wǎng)絡(luò )的可用帶寬。為了延長(cháng)錄像時(shí)間、降低視頻碼率，沒(méi)有采用H.264壓縮技術(shù)的DVR系統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，許多系統仍然采用了傳統的編解碼格式(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DVR的首要編解碼技術(shù)。

DVR系統需求

視頻安全監控系統對于錄像和顯示清晰圖像的要求越來(lái)越高。早期DVR的錄像清晰度大多采用CIF (NTSC 360×240)，數字視頻質(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(shù)(MJPEG/MPEG-4)，但這種技術(shù)的圖像壓縮比已經(jīng)無(wú)法勝任高清系統的要求。當前的市場(chǎng)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)系統每個(gè)通道的處理能力提高了4倍。代表最新技術(shù)水平的H.264編解碼技術(shù)被廣泛用于D1清晰度或更高清晰度的系統，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(mǎn)足不同錄像系統的視頻質(zhì)量要求。

視頻安全和監控領(lǐng)域的另一個(gè)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(shí)時(shí)視頻錄像系統每個(gè)通道的處理能力要求提高2～4倍。為了滿(mǎn)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架構。

隨著(zhù)時(shí)間的推移，當前市場(chǎng)上的多數視頻安全監控系統采用的是模擬CCTV設備和數字式網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的混合架構。傳統的數字設備基于早期的編解碼技術(shù)(MJPEG/MPEG-4)，這就要求新設備能夠支持兩種格式的轉換。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(shí)現高效存儲并充分利用網(wǎng)絡(luò )帶寬。當前的DVR設計必須接受多格式數字視頻輸入(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(jìn)行MJPEG和MPEG2解碼，支持新系統的錄像和數據流處理。