‧ 影像錄影儲存編碼技術應用與分析

隨著安防監控行業的迅速發展，嵌入式硬碟錄影機的優點逐漸顯露出來。一方面，錄影解析度從 CIF 格式逐漸過渡到以 D1 格式為主;另外一方面，單台 DVR 的路數從 4 路可以達到 32路。一切似乎看著都很順利，但是由於 D1 格式的巨大容量以及客戶要求的儲存時間越來越長，內建的硬碟容量難以滿足要求。所以要使用相同的容量來儲存更多的影像圖像，視訊壓縮技術在這裡起到關鍵的作用。

目前 DVR 儲存架構為攝影機類比視訊訊號輸入到 DVR 卡提供方便，由影像處理晶片將類比信號轉換成數位信號，然後傳至板卡自帶的臨時記憶體中，再由卡上自帶視訊壓縮晶片執行壓縮演算法，將龐大的影像訊號壓縮變小;最後這些壓縮後的影像訊號，直接或通過 PCI 橋晶片進入 PCI，儲存到硬碟。

這樣通過影像編解碼技術對外部輸入的圖像進行編碼，去除大量的冗餘資訊。其中冗餘資訊可分為空域冗余資訊和時域冗餘信息。壓縮技編碼技術的本質就是去掉資料中的冗餘資訊，它主要包含幀內圖像資料壓縮技術、幀間圖像資料壓縮技術和熵編碼壓縮技術。

一、去時域冗餘信息 使用幀間編碼技術可去除時域冗餘資訊，主要包括以下三個部分：

(一)運動補償 運動補償是通過先前的局部圖像來預測和補償當前的局部圖像，它是減少幀序列冗餘資訊的有效方法。

(二)運動表示 不同區域的圖像需要使用不同的運動向量來描述運動資訊。一般運動向量是通過嫡編碼來進行壓縮的。

(三)運動估計 運動估計是從視頻序列中抽取運動資訊。

二、去空域冗餘信息 去空域冗餘資訊主要使用的是幀內編碼技術和熵編碼技術：

(一)變換編碼

幀內圖像和預測差分信號都有很高的空域冗餘資訊，變換編碼將空域信號變換到另一正交量空間，使其相關性下降，資料冗餘度減小。

(二)量化編碼

經過變換編碼後，產生一批變換係數，對這些係數進行量化，使編碼器的輸出達到一定的位率。但這一過程也會導致精度的降低。

(三)熵編碼

熵編碼是無損編碼。它對變換、量化後得到的係數和運動資訊進行進一步的壓縮。

目前市面上主流的 DVR 採用的編解碼技術有MPEG-2、MPEG-4、H.264、M-JPEG，而 MPEG-4、H.264是監控行業最常見的壓縮方式。

在 MPEG-4 製的統計特性來設計編碼器，屬於波形編碼的範疇。MPEG-4 則代表了基於模型/物件的第二代壓縮編碼技術，採用了新一代影像編碼技術， MJPG-4 採用第一代影像編碼的核心技術，如變換編碼、量化、熵編碼外，還提出了一些新的有創見性的關鍵技術，如：影像物件提取技術、VOP 影像編碼技術、影像編碼可分級性技術、運動估計與運動補償技術。

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H.264 是一種高性能的影像編解碼技術。H.264 是在MPEG-4 技術的基礎之上建立起來的，其編解碼流程主要包括 5 個部分：幀間和幀內預測、變換和反交換、量化和反量化、環路濾波、熵編碼。它是 1995 年自 MPEG-2 視訊壓縮標準發佈以後的最新、最有前途的視訊壓縮標準。通過該標準，在同等圖像品質下的壓縮效率比以前的標準提高了 2 倍以上，並且加入了很多先進技術，如：分層設計、高精度、多模式運動估計、統一的 VLC。

H.264 與以前的 MPEG-2 和 MPEG一4，最大的優勢是具有很高的資料壓縮比率，在同等圖像品質的條件下; H.264 的壓縮比是 MPEG-2 的 2 倍以上，是 MPEG-4 的 1.5-2 倍。同時;該編碼技術還具備：精確匹配解碼，避免錯誤累積;強大的容錯能力;時延級差，以適應更多應用環境等。所以 H.264 為當今 DVR 主流的影像編碼技術。　

從目前市場來看，DVR 價格低廉，產品成熟，應用仍相當廣泛，主要應用在監控點數較少和級別要求較低的專案中。但由於編解碼設備性能的限制，一般採用硬碟順序寫入的模式，沒有應用RAID冗餘技術來實現對資料的保護。隨著硬碟容量的不斷增大，單片硬碟故障導致關鍵資料丟失的幾率在同步增長，大多數 DVR 僅帶 4-8 塊硬碟，容量極小，相容性差，無法滿足當今大碼流保存數個月的監控資料要求;另外，DVR 的架構並不具備靈活擴容的能力，甚至是無法擴容，導致有限的硬碟容量無法滿足使用者與日俱增的需求。

隨著市場需求的不斷劇增，未來 DVR 會圍繞以下幾方面發展：

(1)更高解析度。目前高檔 DVR 普遍具有 D1 編碼效果，不過仍處於發展階段，相信未來有一種清晰且又能兼顧網路傳輸的高清編碼技術，當然這也要取決於硬碟容量的發展，以及網路頻寬和成本的變革。

(2)更豐富的功能。需要更加豐富的軟體介面，便於大型系統的接入，組成綜合性的監控系統，這樣將更加有助於產品的應用和普及。

(3)更好的環境適應能力。監控環境一般都是比較複雜的，就溫度而言，其差別有可能為 -20攝氏度 -50 攝氏度，這就需要 DVR 去適應各種環境，具備更良好的性能。

(4)設備更加智慧。如採用生物辨識技術、行為分析技術、影像搜索技術等智慧化技術使設備更加智慧，實現影像監控由被動防禦轉向主動預測。