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關閉窗口 ●核心音視頻編碼算法
音視頻編碼卡的視頻編碼算法從JPEG發展到MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和H.264。JPEG是一種著名的圖像壓縮方法，最初由Joint Photographic Experts Group在1986年提出并于1992年正式成為ISO標準(ISO/IEC 10918),主要應用于靜態圖像壓縮，如果把它用在運動圖像壓縮的時候，就是我們通常所說的Motion-JPEG，由于JPEG相當于MPEG的幀內壓縮，因而沒有去除時域上的冗余，所以在保證一定圖像質量的時候，壓縮比不高，通常只有10-30倍，但是它有一個固定的優點，就是延遲在40ms，實時性很好，所以在某些特殊應用的場合仍然可以看到它的蹤影。MPEG運動圖像編碼技術標準是由Motion Picture Experts Group在1988年提出，并于1992年11月通過，1993年8月作為ISO/IEC 11172標準公布，這就是通常所說的MPEG-1。MPEG-1為了追求更高的壓縮效率，更注重去除圖像系列的時間冗余度。因此引入了I幀(幀內編碼)、P幀(前向預測編碼)、B幀(雙向預測編碼)。P幀由前一個I幀或P幀圖像來預測，而B幀由前后的兩個P幀或一個I幀和一個P幀來預測，因而編解碼和幀的顯示順序有所不同，如圖1所示
I B B P B B P…B B I I P B B P B B … I B B
1 2 3 4 5 6 7 … 1 4 2 3 7 5 6 …
(a) 顯示順序 (b) 編解碼順序
圖 1
在此有兩個問題需要說明：首先是插多少B幀最合適？理論上說I、P之間插入的B幀越多，壓縮比越高，但是編解碼器所需的幀存儲器也越大，因此實際應用中一般最多兩個。其次，B幀的引入會增加編解碼端的延遲，如果追求網絡監視的時延，最好是不使用B幀。MPEG-1標準的一個成功應用范例是小型激光視盤(VCD)。由于它的壓縮比相對于M-JPEG大為提高，因而在數字監控系統中得到廣泛的應用。但是并不是最適合數字監控系統的應用，主要表現在碼率固定，代價是引起圖像質量的抖動，而數字監控系統最需要的不是恒定碼率，而是恒定質量。同時MPEG-1本身的技術限制，其壓縮比也沒有達到用戶滿意的程度。而2000年提出的MPEG-4不僅是一個非常開放的標準，而且增加了許多新的工具，以達到降低某些應用或圖像場景中要求的圖像質量所需的比特率。值得注意的是雖然大部分用來降低比特率的工具是為非實時應用開發的，無法使用到數字監控系統中，但是相對MPEG-1，由于使用半像素和1/4像素圖像匹配、幀內預測、高級運動矢量預測等新的技術，因而采用MPEG-4的壓縮標準之后，在PAL CIF 25fps情況下，大部分情況下碼率在300k-500k的MPEG-4壓縮圖像質量超過1.25Mbit的MPEG-1圖像，因而在數字監控系統中得到最廣泛和成功的應用。
●技術方案
技術方案的發展和變化是伴隨著多媒體芯片技術的發展而發展。壓縮方式從純軟件(PC圖像壓縮)和純硬件（ASIC芯片圖像壓縮）發展到DSP。目前流行壓縮卡可分為軟壓縮卡、低端硬壓縮卡和高端硬壓縮卡。純軟件壓縮就是我們通常所說的軟壓縮卡，使用一塊視頻捕捉卡把模擬視頻信號變成數字視頻信號，然后利用PC機完成視頻壓縮。在早期由于DSP技術的限制，軟壓縮卡是一個比較好的方案，但是由于方案本身的限制，軟壓縮卡的穩定性和壓縮效率是它的兩大固有缺點。由于實時數據流需要從板卡經過PCI總線傳輸到PC機系統內存中，PCI2.1的峰值傳輸率是133Mbyte/s，以一個8路卡的系統為例，完成PAL CIF 25fps的圖像壓縮的話，PCI總線的負載高達40Mbyte/s，而PCI總線還要負責傳輸預覽圖象(約39Mbyte/s)和送往顯卡的圖像以及IDE硬盤的數據，如此高的負荷很難保證能夠穩定工作。相對于MPEG-1，MPEG-4的編碼和解碼復雜度大為提高，要完成8路MPEG-4的實時壓縮在PC機上幾乎不可能實現，因此目前的軟壓縮卡采用了大量簡化壓縮算法的處理，因此數據量是目前流行的基于DSP的硬壓縮卡的2-3倍，換句話說同樣的錄像時間，所花硬盤的容量增加2-3倍。
針對軟壓縮卡的固疾，從2003年底，低端硬壓縮卡的方案浮出水面，總的來說主要有兩種方案：ASIC和DSP，由于監控市場的特殊需求，比如說動態偵測、中文字符時間戳疊加、屏幕遮擋、動態調整幀率等等，使得ASIC方案沒有被市場接受。DSP方案以采用Blackfin21532加多媒體PCI Bridge SAA7146的方案和PNX1302加畫面分割芯片AQ424的方案為代表。他們的共同特點是簡化了板卡的功能，同時簡化了壓縮算法，預覽效果也比較差。以PNX1302為例，由于平均每路可用資源從180MIPS降到50MIPS，通常都會采用簡化壓縮算法的方法來滿足實時壓縮處理的需求,因而壓縮效率會降低,數據量增大。預覽效果也比較差，都是采用CIF圖像預覽。但是，它原封不動的繼承了硬壓縮卡的穩定性，同時又有較低的價格，因此逐步被用戶接受，越來越多的取代了軟壓卡的市場。
高端硬壓縮卡目前主要有三種方案： 1顆PNX1301處理一路音視頻信號、1顆PNX1501處理四路音視頻信號、1顆DM642處理四路音視頻信號。第一種方案已經得到廣泛應用，在此不再贅述。他們相對低端硬壓縮卡來說，預覽采用D1格式，回放質量也相對好很多。其中后兩種方案在2004年6月份后各板卡廠家推出的新產品中分別被采用，成本和價格有所降低，促進了數字監控系統的普及。這兩種方案相比較起來各有優勢，PNX1501處理能力和DM642相比稍微遜色，但是由于有多個協處理器，因此DSP Core無需參與圖像的濾波和縮放處理，所以用這種方案的板卡不需要顯卡具有縮放能力，穩定性和兼容性更具優勢。為什么這么說呢？ PNX1501是從PNX13XX系列發展而來，PNX13XX系列已經得到廣泛的應用和認可，其穩定性、兼容性已毋庸置疑。在PNX13XX系列基礎上，PNX1501采用了0.13um工藝生產，架構上使用和PNX1301相同的TM3260VLIW內核，在征集全球PNX13XX開發者意見和依據H.264編碼算法的需求基礎上新增加了27條高效多媒體處理指令，使用先進的DDR技術，可以用較低的外頻得到與使用SDRAM技術相同的數據吞吐率，主要改進了視頻輸入處理器和內置圖像縮放和濾波協處理器，視頻輸入處理器支持格式轉換和濾波處理，支持兩路視頻輸入，圖像縮放和濾波協處理器從PNX1301的5-Tap的32相濾波器發展到6-Tap的64相濾波器，可以獲得更好的圖像縮放效果，無論全屏顯示還是縮小到小畫面，都具有良好的視覺效果。內置協處理器使得圖像預覽的時候在多路的情況下PCI總線數據吞吐率固定在39MByte/s以下(1024x768x2x25Byte/s)，反之，如果不使用內置協處理器縮放的話，隨著路數的增多，PCI總線數據吞吐率成倍上升，而支持PCI2.1標準的總線數據吞吐峰值只有133Mbyte/s。當然，采用DM642的方案也有它的優點，600MHz的主頻可以使它具有處理超過4路CIF圖像的能力，有資料顯示編碼一路實時MPEG-4 D1圖像大概占到DM642(600Mhz)的70%的資源。
●板卡功能的完善
隨著國內安防產業的成熟，業內用戶關注的焦點已經不再是“什么樣的壓縮標準最好”了，這是一個巨大的進步，用戶、DVR軟件開發商、板卡廠商也跟隨著這個產業一同進步，回到了理性的軌道。使用高科技的數字化監控系統的目的是為了使我們的生活變得更簡單，開發出滿足用戶需求的產品才是成為DVR軟件廠商和板卡廠商追求的目標。因此，使用DSP方案的板卡由于技術的靈活性，可以方便的附加許多新的功能來滿足市場的不斷需求，如：水印、中文OSD疊加、時間戳疊加、Mosaic遮蔽、強制關鍵幀輸出、動態改變壓縮幀率參數、動態檢測、雙碼流、板載加密區等。簡單的功能在此不贅述，而動態檢測和雙碼流是適應用戶需求而產生的新功能的代表,在這里詳細介紹一下。
動態檢測的需求是DVR軟件開發商和用戶都渴望已久的，但是由于方案本身的限制，一直達不到實用的要求。直到使用DSP的方案之后，解決動態檢測這種技術問題變得易如反掌，而且檢測的靈敏度很高，同時誤報率很小，因而在有些系統中甚至部分替代了紅外探測器。除此之外，使用動態檢測技術還可以顯據減少數據存儲量，特別是夜間噪聲比較大的時候。有物體運動的時候才錄像，只要處理好預錄和延遲錄像的話，效果和連續錄像一樣。其實，它對數據量減少的貢獻不亞于采用新的壓縮標準。而雙碼流功能則是板卡行業的新星武漢恒億為了滿足用戶對網絡監看的需求與帶寬的矛盾而在2001年率先提出，并且在行業內得到廣泛應用。采用這種技術開發出來的DVR產品也得到用戶的認可。
雙碼流是指在壓縮一個高清晰度格式（D1/HALFD1/MD/CIF）的碼流用于存儲之外，再啟動一個可以獨立控制幀率和數據量的QCIF格式的碼流用于網絡傳輸。眾所周知，DVR已經從單純的音視頻記錄設備發展到音視頻記錄和網絡視頻服務復用的設備。有很多用戶希望在1M ADSL上看4路以上的圖像，而兼顧本地錄像質量的情況下，一般每路設定數據量應該不低于500Kbps，而1M ADSL的上行速率實際上會在400K-600Kbps之間，因此，這樣的需求很難被滿足，可是如果使用QCIF的雙碼流功能，這個問題就迎刃而解了。而聰明的軟件開發人員稍微作點技術處理的話，會更加完美的滿足用戶的需求。因為通常多路圖像分割顯示的時候每個畫面很小，此時無論是D1分辨率還是CIF、QCIF分辨率的圖像顯示的效果并沒有太大差別，而放大到單路顯示效果差別就大了。因此，在這種情況下可以考慮對放大顯示的圖像傳送CIF格式的碼流，其他路仍然傳送QCIF碼流或直接停止傳送。當然，為了保證切換的時候有足夠快的反應速度，必須在服務器端調用板卡的強制關鍵幀輸出功能。因為通常關鍵幀設置為每100幀產生一個，而解碼端又必須從關鍵幀開始解碼，因此在最壞的情況下，要等待4秒鐘才能看到圖像，顯然這是用戶無法接受。所以，當板卡提供強制關鍵幀輸出功能時，只要在網絡開始連接的時候使用這個功能就可以實現快速連接。
此外，DVR系統在擴展一些新的功能，比如說加入人臉識別和目標跟蹤，而這些功能的實現依賴于實時圖像的捕捉，因此，目前有些板卡提供實時圖像捕獲接口，但是目前還不成熟，主要表現在CPU占用率太高，無法滿足實用的需求。
總之，由于DVR產業已經基本形成了從芯片制造商à板卡制造商àDVR軟件開發商à工程商à用戶的產業鏈，分工日益明確，板卡廠商可以不斷吸取用戶的需求，發揮DSP的靈活性，開發出滿足用戶需求的新功能，從而推動數字監控系統的發展。
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