壓縮與解壓縮

　　影音的壓縮與解壓縮技術可說是硬盤錄像機的第一重要關鍵技術，因為這點決定了硬盤錄像機錄像、回放、備份以及遠程監(jiān)看的影像質量、幀數(shù)與資料流量等，而壓縮標準、硬壓或軟壓、與硬解或軟解則又是影音壓縮與解壓縮技術的關鍵所在。

　　目前的硬盤錄像機采用的壓縮標準大致包括(M)JPEG(2000)、Wavelet、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.264等。大多數(shù)讀者對這些標準的名詞都耳熟能詳，但對這些標準的功能差異可能就不甚了解。而這些差異對DVR的品質及性價比的影響卻是巨大的。

　　就影音壓縮而言，事實上用戶最關心的是良好的錄像質量、幀數(shù)、較低的硬盤容量需求(亦即較高的壓縮比)。不過壓縮標準確實影響甚巨，茲以目前較為主流的壓縮標準MJPEG、MPEG-4以及H.264說明如下：

　　(1)MJPEG

　　MJPEG為早期的硬盤錄像機主流壓縮標準，然而JPEG最適合的應用是單張影像(如照片)的壓縮，而非連續(xù)影像的壓縮，此乃因為JPEG(與其延伸標準MJPEG)將每張影像視為獨立而彼此不相關的影像，不考慮連續(xù)影像間的相似性，因此壓縮比不高。

　　(2)MPEG-4

　　MPEG-4為目前硬盤錄像機最為主流的壓縮標準，然而各產(chǎn)品間采用的細項標準差距甚大，因此也造成用戶對MPEG-4硬盤錄像機之質量與壓縮比的認知差距。目前市場上MPEG-4硬盤錄像機采用的細項標準大致可分為下列三種：

　　MJPEG：

　　部分廠商由于技術水平不足，或為求降低成本，因此雖然采用了MPEG-4壓縮硬、軟件，但是僅使用MPEG-4中將每張影像視為獨立而彼此不相關的影像的壓縮方式，亦即I-Frame，因此其壓縮比也就不高了。而這也是為什么很多用戶覺得MPEG-4和MJPEG沒什么差別的原因。

　　SimpleProfile(SP)：

　　這是多數(shù)廠商采用的MPEG-4壓縮標準，此規(guī)格除了類MJPEG的壓縮影像(I-Frame)之外，也包含一種利用連續(xù)影像間相似性的壓縮影像(P-Frame)，一般而言，其平均壓縮比大約落在類MJPEG的2倍左右。

　　進階SP(AdvancedSP,ASP)：

　　這大約是目前MPEG-4硬盤錄像機所采用的MPEG-4最佳規(guī)格，除了前述SP的兩種壓縮影像之外，此規(guī)格更運用了進階壓縮影像(B-Frame)，因此其平均壓縮比大約落在類MJPEG的3~4倍左右，為目前硬盤錄像機中壓縮比最高者。例如深微科技的DVR系列即采用此項標準。

　　(3)H.264

　　H.264即MPEG-4Part10或進階影像編碼(AdvancedVideoCoding,AVC)，為硬盤錄像機采用的壓縮標準中較新的，不過目前市場上H.264硬盤錄像機最多僅采用其中適合于視訊會議與移動式應用(如手機)的最低階規(guī)格BaselineProfile(BP)，而非適合于廣播與儲存應用的HighProfile(HiP)，因此若采用H.264(BP)其平均壓縮比反而不如MPEG-4ASP,而且差距甚大。

　　綜合以上所述，我們可以了解MPEG-4不一定比MJPEG好，H.264也不一定比MPEG-4好，除非使用者能知道得更深入一點，而這也是為什么很多產(chǎn)品都只提及其所采用之壓縮標準名稱，而不愿提及究竟是采用該標準里的哪個具體的細項標準。

　　至于硬盤錄像機為硬壓或軟壓、與硬解或軟解的差別則在于錄像分辨率、幀數(shù)、多任務的效能與回放的彈性。具體而言，硬壓與硬解是使用專用的壓縮/解壓縮特殊應用芯片(CODECASIC)，能夠達到較高的錄像分辨率、幀數(shù)與較佳的多任務效能，而且回放或使用者操作各項功能時不會影響錄像幀數(shù)，因此其錄像與回放幀數(shù)大都可以具體標示于技術規(guī)格表;但由于透過芯片解壓再輸出至畫面，因此就有一些顯示上的限制。例如部分硬盤錄像機回放時就無法即時監(jiān)看攝像機影像。

　　相對的，軟壓與軟解則是使用主中央處理器(CPU)或訊號處理器(DSP)的大部分資源作壓縮與解壓縮，因此錄像分辨率、幀數(shù)相對較低且多任務效能較差，不但回放時會嚴重影響錄像幀數(shù)，甚至使用者操作各項功能時(如備份或尋找檔案)也會影響錄像幀數(shù)，因此部分使用軟壓與軟解的硬盤錄像機干脆不將其錄像與回放幀數(shù)具體標示于技術規(guī)格表;不過由于是透過主處理器作軟解壓，因此一般而言回放畫面比較有彈性。

　　有關壓縮與解壓縮還有幾點必須特別注意的是:

　　(1)上述有關壓縮比的比較是以相同的錄像質量為基準。事實上，每一種壓縮方式皆有其質量參數(shù)可供設定，質量愈低，壓縮比愈高，反之亦然。至于各產(chǎn)品的最佳質量如何，則根據(jù)該硬盤錄像機所能處理的資料流量而定，也因此許多產(chǎn)品，尤其是壓縮方式比較不先進的，只好勉強增加壓縮比以降低其資料流量，從而犧牲其錄像質量了。

　　(2)許多壓縮比較低的產(chǎn)品，其不含硬盤時的硬盤錄像機成本較低，不過由于其所需硬盤容量數(shù)倍于壓縮比較高的產(chǎn)品，因此其含硬盤之后的綜合成本反而比壓縮比高的產(chǎn)品高出許多。特別在需要長時間存儲錄像的場合。

　　(3)部分軟壓與軟解的產(chǎn)品亦會宣稱其為硬壓與硬解，使用者可根據(jù)前面所述細加分辨，或者以實測驗證。

　　硬盤與錄像資料的存取

　　硬盤錄像機的另一重要關鍵就在硬盤與錄像資料的處理，因為硬盤錄像機完全依賴硬盤儲存所有的錄像資料。然而比較可惜的是，除了少數(shù)專業(yè)廠商能夠設計出適合硬盤錄像機特性的存取方式之外，絕大多數(shù)廠商都只能完全倚賴操作系統(tǒng)提供的檔案管理系統(tǒng)，或是使用低階的硬盤I/O讀寫方式，無法滿足硬盤錄像機真正的錄像資料存取需求。

　　以下就目前較為常見的硬盤錄像機錄像資料存取方式討論其優(yōu)缺點:

　　(1)PC-based視窗檔案管理系統(tǒng)

　　這是多數(shù)PC-based硬盤錄像機所采用的資料存取方式，其優(yōu)點是廠商設計門檻低，且具有良好的內部資料夾樹狀結構，易于尋找錄像資料，然而PC-based視窗檔案管理系統(tǒng)是設計給PC使用，而不是專為監(jiān)控用硬盤錄像機設計，因此其缺點不少，也非常嚴重：

　　(a)資料存取效能不佳，不適合長期、不間斷、大量的錄像資料儲存。

　　(b)硬盤資料錄滿后重復寫入時會造成實際儲存位置凌亂，此點會造成資料存取的速度愈來愈差，也會縮短硬盤使用壽命。

　　(c)視窗檔案管理系統(tǒng)需要大量硬盤容量儲存暫時性資料，容易發(fā)生死機的問題。

　　(d)斷電后復電無法自動迅速恢復，造成硬盤錄像機不錄的問題，有時還會損毀硬盤錄像資料。

　　(e)尋找、回放錄像資料時，容易造成錄像幀數(shù)減少的問題。

　　(2)PC-based服務器檔案管理系統(tǒng)

　　這是另一種PC-based硬盤錄像機所采用的資料存取方式，然而PC-based服務器檔案管理系統(tǒng)是設計給PC型檔案服務器使用，也不是專為硬盤錄像機設計，因此其優(yōu)缺點與PC-based視窗檔案管理系統(tǒng)類似，不過其缺點比較沒那么嚴重，斷電后復電也能自動恢復。

　　(3)Linux檔案管理系統(tǒng)

　　Linux檔案管理系統(tǒng)是極佳的服務器檔案管理系統(tǒng)，也因此愈來愈多的硬盤錄像機采用Linux作為其操作系統(tǒng)，早期的EXT2檔案管理系統(tǒng)已經(jīng)相當穩(wěn)定，最新的EXT3則更為穩(wěn)定，效能也更好，不過Linux檔案管理系統(tǒng)畢竟也不是專為硬盤錄像機設計，其優(yōu)缺點如下：

　　(a)斷電后復電時能夠自動恢復，不會造成硬盤錄像機不錄的問題，也不會損毀硬盤錄像資料。

　　(b)具有良好的內部資料夾樹狀結構，易于尋找錄像資料。

　　(c)硬盤資料錄滿后重復寫入時仍會造成實際儲存位置凌亂，因此仍會造成資料存取的速度愈來愈差，也會縮短硬盤使用壽命。

　　(d)尋找、回放錄像資料時，仍會造成錄像幀數(shù)減少的問題。

　　(4)低階I/O讀寫方式

　　部分產(chǎn)品采用此類資料存取方式，尤其是缺乏Linux或視窗操作系統(tǒng)支持的硬盤錄像機，由于廠商幾乎不可能自行設計出一套復雜的檔案管理系統(tǒng)，因此此類產(chǎn)品其優(yōu)缺點也就顯而易見：

　　(a)硬盤資料錄滿后重復寫入時不會造成實際儲存位置凌亂。

　　(b)斷電后復電時能夠自動恢復，不會造成硬盤錄像機不錄的問題。

　　(c)適合長期、不間斷的單純錄像，不過由于缺乏高效能的檔案管理系統(tǒng)，因此錄像時效能不佳，不適合大量資料的錄像。

　　(d)錄像資料尋找效能不佳，部分產(chǎn)品甚至容易于尋找資料時發(fā)生死機的問題。

　　(e)尋找、回放錄像資料時，容易造成錄像幀數(shù)減少的問題。

　　綜合以上所述，如何取各家優(yōu)點，而又能克服其缺點，就成為硬盤資料處理的真正關鍵所在，也因此少數(shù)專業(yè)廠商研究設計出真正適合硬盤錄像機特性的硬盤資料處理方式，其中又以以下所述方式為其極致：

　　(5)Linux之EXT3檔案管理系統(tǒng)改良型

　　Linux檔案管理系統(tǒng)既然是極佳的服務器檔案管理系統(tǒng)，因此如果能采用Linux操作系統(tǒng)與EXT3檔案管理系統(tǒng)，而又能改善其缺失，則必能成為最適合于硬盤錄像機的資料存取系統(tǒng)，使用者也才能真正覺得安心：

　　(a)斷電后復電時能夠自動恢復，不會造成硬盤錄像機不錄的問題，也不會損毀硬盤錄像資料。

　　(b)具有良好的內部資料夾樹狀結構，易于尋找錄像資料。

　　(c)硬盤資料錄滿后重復寫入時不會造成實際儲存位置凌亂，因此資料存取速度永遠如新，硬盤使用壽命較長。

　　(d)適合長期、不間斷、大量的錄像資料儲存。

　　(e)尋找、回放錄像資料時，不會造成錄像幀數(shù)減少的問題。

　　至于硬盤方面，許多硬盤錄像機都只強調其可支援或內建的硬盤數(shù)目，事實上，良好錄像質量(如可辨識人臉或車牌)的壓縮比愈高，硬盤容量需求愈低，許多低壓縮比的產(chǎn)品為了達到錄像儲存的時間要求，只好在機內建4個甚至更多硬盤，如此反而造成散熱不良，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，縮短產(chǎn)品與硬盤壽命，造成嚴重的售后維護問題。

　　至于內建硬盤的方式則大致可分為下列三種：

　　(1)前端熱插拔(HotSwap)

　　熱插拔的好處是不需關機即可以更換硬盤，而且由前方容易更換，然而熱插拔也有不少缺點，包括熱插拔盒容易故障，換修率高，且硬盤兼容性較差，無法使用所有型號硬盤等。

　　(2)前端置換(Removable)

　　前端置換的好處是由前方更換容易，且置換盒幾乎不需換修，硬盤兼容性也極為良好，唯一的缺點是必須關機才可更換硬盤。

　　(3)純內建式(Internal)

　　純內建式唯一的好處是硬盤兼容性極為良好，缺點則是必須關機、打開上蓋才可更換硬盤，在許多安防環(huán)境里，這肯定是一件極為麻煩且容易出錯的作業(yè)。

　　錄像資料備份

　　錄像資料的備份雖然不是每個案例所必需，卻仍然是硬盤錄像機的重要功能之一，其作法相當多元化，使用者應根據(jù)其需求選擇。

　　(1)內建光驅

　　一般說來，這種作法的好處是備份效能、光盤兼容性都比較好，缺點則是成本較高，尤其每臺硬盤錄像機的光驅無法共享，且維修較為不易。另外，使用者最好確定內建的是DVD光驅才比較好。

　　(2)外接USB界面

　　這種作法的好處是可支援多種儲存設備，如U盤、DVD光驅等，成本低且維修容易。不過許多產(chǎn)品以外接USB1.1的方式實在是速度太慢(12Mbps)、兼容性太差、也太落伍了，只能勉強用于低資料量的偶爾備份而已，也因此國外專業(yè)大廠的硬盤錄像機都已轉而支持速度為480Mbps的USB2.0，以符合安防產(chǎn)業(yè)對備份效能與光盤兼容性的需求。

　　(3)FTP服務器

　　部分產(chǎn)品提供FTP服務器(報警)影像備份功能，這種作法的好處是僅于需要時備份報警影像，提供使用者多一層的安全防護，缺點則是硬盤錄像機必須連接網(wǎng)絡。

　　(4)NAS(NetworkAttachedStorage)

　　部分IT廠商推出的硬盤錄像機提供NAS影像備份(甚至儲存)功能，不過這種作法不但增加成本，且過度依賴網(wǎng)絡，如果網(wǎng)絡需支持其他用途，則更會造成網(wǎng)絡傳輸問題。

　　(5)遠程監(jiān)控PC備份

　　目前幾乎所有硬盤錄像機都會提供遠程監(jiān)控的功能，因此使用遠程監(jiān)控PC備份影像也不失為一項相當方便的方式，不過遠程監(jiān)控PC最好僅止于備份影像就好，使用者也需要考慮網(wǎng)絡帶寬的問題，否則也難免發(fā)生如同NAS所遇到的問題。事實上，這也是為什么網(wǎng)絡攝像機與VideoServer經(jīng)常發(fā)生安裝后使用者才發(fā)現(xiàn)無法達到其錄像需求的原因所在。

　　硬盤錄像機技術總結

　　目前，DVR的技術發(fā)展方向有三個，即智能化、集成化、網(wǎng)絡化。要預測嵌入式DVR的技術發(fā)展趨勢，首先要了解嵌入式DVR主要采用的技術方案。市場上常見的嵌入式DVR采用的技術方案大多由四個重要部分組成，分別是：嵌入式軟體/硬體技術;硬盤管理技術;算法技術;網(wǎng)絡技術。

　　1、嵌入式軟件/硬件技術

　　嵌入式DVR的核心器件與PC類似，都是采用高性能的中央處理器CPU，兼容標準不同，功能各異，今后隨著芯片技術的進一步發(fā)展，MIPS+DSP或者是ARM+DSP技術會更加適合嵌入式DVR。

　　操作系統(tǒng)：目前市面上的嵌入式DVR采用的操作系統(tǒng)主要分為三類：第一類為廠家自己開發(fā)的簡單RTOS;第二類為商業(yè)化的專用嵌入式操作系統(tǒng)，如VXWORKS/WinCE;第三類為源代碼開放的LINUX操作系統(tǒng)。RTOS最簡單高效，但其擴展性比較差，復雜功能實現(xiàn)比較困難;第二類操作系統(tǒng)有很好的系統(tǒng)特性，但其擴展性不是很好，許多功能擴展依賴第三方，且許可費用也比較高;第三類LINUX操作系統(tǒng)采用開放性的架構與模塊化設計，可針對應用量身定做，去除與監(jiān)控無關的多余功能，而且，LINUX支持多人、多工工作，只需要很少的硬件支持，這樣的系統(tǒng)，效率更高，出錯的機率更低。其可靠性經(jīng)過驗證，可以用在關鍵任務和場合的多應用操作系統(tǒng)，因特網(wǎng)使用的WEB服務器，都是24小時連續(xù)運行，其中絕大多數(shù)都是使用LINUX操作系統(tǒng)。他也是專門針對網(wǎng)絡的應用推出的系統(tǒng)，所以它支持的網(wǎng)絡協(xié)議很多，在相關軟件的支持下，可實現(xiàn)WWW、FTP、DNS、DHCP、E-mail等服務。而且其內核代碼完全公開，可以任意開發(fā)、更改。這樣的特點使得全世界已超過千萬人使用Linux，更由于許多廠商投入開發(fā)核心程序、發(fā)展相關軟體以及硬件周邊驅動程序，使Linux功能和完整性日益壯大。因此采用LINUX的操作系統(tǒng)也是大勢所趨。

　　2、硬盤管理技術

　　嵌入式DVR硬盤管理系統(tǒng)分為兩類，一是與PC機相同的FAT格式管理系統(tǒng)，第二種是嵌入式DVR生產(chǎn)廠家自行開發(fā)的，適合存儲媒體數(shù)據(jù)流的硬盤管理系統(tǒng)。前者的優(yōu)勢在于無需投入研發(fā)成本，可以利用現(xiàn)成的PC技術。但此系統(tǒng)無法管理大數(shù)據(jù)包，只能進行分包，將一段完整的錄像，分為若干個小的文件包，因此容易產(chǎn)生包與包之間丟幀現(xiàn)象;同時硬盤磁頭需要頻繁地讀寫數(shù)據(jù)與文件索引，磁頭頻繁跳動，對于每天十幾到二十四小時連續(xù)讀寫硬盤的DVR系統(tǒng)，極容易造成硬盤故障;而如果硬盤錄滿后，需要刪除整段文件，但新錄制的文件與老的文件大小不同，由此會在硬盤上產(chǎn)生大量碎片空間，影響硬盤的使用和系統(tǒng)效率;另外，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)用做錄像機錄像資料管理還存在兩個風險，一是文件分配表如果損壞，則錄像資料大多會丟失，二是系統(tǒng)突然斷電或遭到人為破壞，當前的錄像數(shù)據(jù)不能夠保存。

　　而第二種方式就可以從根本上修正上述的問題。因而從嵌入式DVR硬盤操作系統(tǒng)的發(fā)展方向看，長時間穩(wěn)定錄像采用第二種方式可以大幅度提高硬盤錄像機的可靠性。但專用的文件系統(tǒng)需要專業(yè)公司具備相當?shù)拈_發(fā)硬盤文件系統(tǒng)的能力與經(jīng)驗，目前國內只有少數(shù)幾個廠家擁有該項技術。如浙江大華生產(chǎn)的所有嵌入式DVR都采用自行研發(fā)的文件管理系統(tǒng)，更采用硬盤休眠技術，延長了硬盤的使用壽命。今后如果要在嵌入式DVR立足，也必定要將專用文件管理納入到研發(fā)的日程當中。

　　3、算法技術

　　在算法上，MPEG-IV的成熟應用及H264的應用擴大必將成為趨勢。MPEG-IV產(chǎn)品的開發(fā)商越來越多，使得它成熟度愈來愈高。而H264因其更切合網(wǎng)絡傳輸?shù)囊蟪蔀橹髁鳌?/p>

　　今后，為了使嵌入式DVR具有更廣泛的適用性，各種算法的統(tǒng)一將是未來發(fā)展的趨勢，但這種統(tǒng)一不是以國內哪個企業(yè)的標準為標準，需要廣泛的政府職能部門與DVR產(chǎn)業(yè)鏈上的各類企業(yè)的廣泛參與。

　　4、網(wǎng)絡技術

　　新一代的嵌入式DVR已經(jīng)具備與PC機相同的網(wǎng)絡特性，今后的網(wǎng)絡技術發(fā)展將使嵌入式DVR可以滿足不同網(wǎng)絡環(huán)境下圖像傳輸要求。嵌入式DVR的網(wǎng)絡技術正朝兩個方向發(fā)展：一是專網(wǎng)技術條件下開發(fā)滿足保安監(jiān)控需求的高品質的網(wǎng)絡錄像機，其技術要求實時、清晰、可靠、組網(wǎng)靈活、分散存儲、多級管理，其最終發(fā)展目標是取代模擬光纜條件下的圖像傳輸市場;第二個網(wǎng)絡技術是公網(wǎng)條件下的網(wǎng)絡傳輸解決方案，由于公網(wǎng)網(wǎng)絡傳輸條件差，因此為了最大限度保證在公網(wǎng)圖像傳輸?shù)腝oS，需要采用多種新的網(wǎng)絡和圖像壓縮傳輸技術，如流媒體技術等。

　　綜上所述，隨著網(wǎng)絡技術、識別技術、微電子技術、編解碼技術、操作系統(tǒng)技術等的發(fā)展將使得嵌入式DVR向著智能化、集成化、無線化、高清晰化、個性化、互動化發(fā)展，今后更加開拓自動跟蹤、特定目標跟蹤、特定目標識別、攝取、處理等功能。

　　而民用高清晰錄像系統(tǒng)的發(fā)展將會影響嵌入式DVR的技術發(fā)展方向。由于民用高清晰錄像市場巨大，前景廣闊，國內外大的公司都在此投入人力物力，以期待取得突破性進展，如果在不久的將來，高清晰度影系統(tǒng)廣泛普及，其技術及標準也會為視頻監(jiān)控系統(tǒng)所使用，變成數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的事實標準。DVR生產(chǎn)企業(yè)正密切關注高民用清晰視頻發(fā)展，并不斷探索將其技術應用到保安監(jiān)控領域的可能性。