DVR目前仍处于不断的发展之中,它所涉及的基本技术包括:数字音/视频压缩/解压缩编解码技术;操作系统支持;海量、高可靠本地存储;网络通信等。后二者为整个IT产业的技术大背景,而前二者则是DVR产品设计者必须面对和需要解决的技术核心。
模拟视频信号数字化后,产生大量的数字视频数据流,如果直接将这些原始的视频数据进行存储和网络传输,则对存储器的存储容量和存/取速度,及网络传输的带宽必将提出严苛的要求,这不仅在技术上难于实现,而且在成本上也难于接受。所以必须对原始的视频数据进行必要的压缩处理。在保证图像质量的前提下,压缩比越高,系统的性能也就越好。由此可见,视频压缩技术是DVR产品最核心的技术。
视频压缩技术从其实现来分,可分为帧内压缩和帧间压缩二种。帧内压缩技术是将连续变化的视频图像分解为一幅一幅单独的帧,对这些单独的帧进行压缩。而帧间压缩技术则比较前后帧之间的差异,并只对帧间不同的部分进行压缩。由于连续变化的视频图像,其前后帧之间具有一定的相关性,相关性越大,帧之间的差异也就越小,需要进行的压缩处理也就越少。由此可见,帧间压缩的性能和效率远远优于帧内压缩,尤其是在图像画面变动较小的情况下,帧间压缩能提供相当大的压缩比,并且还能保证相当不错的图像质量。
对帧内和帧间不同的压缩处理,形成了许许多多不同的压缩技术或标准,在DVR产品中最常用的压缩技术有:M-JPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.263和H.264等。MPEG-x和H.26x分别是由ISO/IEC和ITU-T制定的二大视频编码国际标准,它们共同追求的目标是在尽可能低的码率(或存储容量)下获得尽可能好的图像质量。ITU-T的H.26x标准更注重使压缩标准的输出码率满足不同通信信道的传输特性。为了满足日益增长的视频网络传输要求,ISO/IEC和ITU-T二大国际标准化组织联合制定了视频编码新标准H.264。
不同的压缩技术,其处理的复杂度不同。复杂度越高,压缩比也就越大,计算量也就越大,对处理器的性能也就越高。下面分别对这几种视频压缩算法作一简单介绍。
Motion JPEG是一种基于静态图象压缩技术JPEG发展起来的动态图象压缩技术,可以生成序列化的运动图像。其主要特点是基本不考虑视频流中前后帧之间的变化,只单独对某一帧进行压缩。M-JPEG压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像,而且可以灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数。因其压缩后之格式可读单一画面,所以可以任意剪接。M-JPEG因采用帧内压缩方式也适于视频编辑。
M-JPEG的缺点一是压缩效率低,M-JPEG算法是根据每一帧图像的内容进行压缩,而不是根据相邻帧图像之间的差异来进行压缩,因此造成了大量冗余信息被重复存储,存储占用的空间大到每帧8~20K字节,最好也只能做到每帧3K字节。另外一点是它的实时性差,在保证每路都必需是高清晰度的前提下,很难完成实时压缩,而且丢帧现象严重,但如果采用高压缩比则视频质量会严重降低。
JPEG的新进展是多层式JPEG(ML-JPEG)压缩技术。它先传低清晰度的画面,故成像速度快很多;再补送细节的压缩资料,使画面品质改善;然后再补送更细节的压缩资料,使画面品质更加改善,这样JPEG的画面呈现由低清晰度到高清晰度、由模糊到清楚。
MPEG-1标准的码率为1.2Mbps左右,可提供30帧CIF(352×288)质量的图像,是为CD-ROM光盘的视频存储和播放所制定的。MPEG-1标准视频编码部分采用运动补偿的帧间预测、二维DCT、VLC游程编码等。此外还引入了帧内帧(I)、预测帧(P)、双向预测帧(B)和直流帧(D)等概念,进一步提高了编码效率。
MPEG-2标准是在MPEG-1的基础上,在提高图像分辨率、兼容数字电视等方面做了一些改进,例如它的运动矢量的精度为半像素;在编码运算中(如运动估计和DCT)区分“帧”和“场”;引入了编码的可分级性技术,如空间可分级性、时间可分级性和信噪比可分级性等。
MPEG-4是基于帧重建算法来压缩和传输视频数据,通过动态地监测图像各个区域的变化,根据对象的空间和时间特征来调整压缩方法,从而可以获得比MPEG-1更大的压缩比、更低的压缩码流和更佳的图像质量。MPEG4的应用目标是针对窄带传输、高画质压缩、交互式操作以及将自然物体与人造物体相融合的表达方式,同时还特别强调广泛的适应性和可扩展性。
H.264是ITU-T的VCEG(视频编码专家组)和ISO/IEC的MPEG(活动图像编码专家组)的联合视频组(JVT:Joint Video Team)开发的一个新的数字视频编码标准,它既是ITU-T的H.264,又是ISO/IEC的MPEG-4的第10 部分。1998年1月份开始草案征集,1999年9月,完成第一个草案,2001年5月制定了其测试模式TML-8,2002年6月的 JVT第5次会议通过了H.264的FCD板。2003年3月正式发布。
H.264常用统一的VLC符号编码,高精度、多模式的运动估计,基于4×4块的DCT变换、分层的编码语法等。这些措施使得H.264算法具有很的高编码效率,在相同的重建图像质量下,能够比H.263节约50%左右的码率。H.264的码流结构网络适应性强,增加了差错恢复能力,能够很好地适应IP和无线网络的应用。
为了更好地适应网络传输,及长时间存储要求,目前,DVR一般均采用编码效率高的MPEG-4或H.264视频压缩技术。这必将增加压缩算法的运算量,对处理器性能的要求也就越高。
操作系统
Windows操作系统具有应用普遍、使用简单、日后维护方便、软件易于升级等特点,成为基于PC的DVR首选的操作系统。但Windows操作系统本身具有不稳定性,但系统中除了运行DVR应用软件外,还运行其它的软件时,系统将不稳定,甚至出现“死机”等严重问题,影响系统的正常运行。