近年來，數(shù)字視頻錄像技術(shù)作為多媒體壓縮技術(shù)的分支，在數(shù)字監(jiān)控應(yīng)用中脫穎而出，并由此催生出數(shù)字視頻錄像機（DVR）。本文主要是結(jié)合嵌入式DVR產(chǎn)品的發(fā)展過程，分析數(shù)字信號處理器（DSP）在數(shù)字視頻監(jiān)控中的創(chuàng)新作用。
文/鄭小龍
數(shù)字視頻錄像技術(shù)源于計算機多媒體壓縮技術(shù)，推動著視頻監(jiān)控的數(shù)字化應(yīng)用進程，由此而催生的最終產(chǎn)品就是數(shù)字視頻錄像機（DVR）。盡管早期的DVR無論在性能還是功能方面都不盡人意，但數(shù)字化已為各種數(shù)字視頻監(jiān)控的應(yīng)用注入了新鮮的活力。在推出之初，DVR得到了市場的認可，利潤十分豐厚，使得許多企業(yè)參與研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，于是呈現(xiàn)出所謂“藍色海洋”的市場景象，同時造就了一個蓬勃發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。嵌入式DVR以其穩(wěn)定可靠的性能和豐富的功能而顯示出巨大的潛力，正在逐步占據(jù)產(chǎn)品的主流地位。近年來數(shù)字監(jiān)控市場增長迅猛，數(shù)字視頻壓縮技術(shù)愈加成熟，但是市場競爭卻趨于白熱化，因此DVR正淪為薄利產(chǎn)品而陷入“紅色海洋”的市場境地。如何在激烈的競爭中創(chuàng)造出足夠的增值空間已為眾多的從業(yè)人士所關(guān)注，因此如何使數(shù)字視頻產(chǎn)品更加具有特色，更全面地滿足各種監(jiān)控系統(tǒng)的需求至關(guān)重要。在此結(jié)合嵌入式DVR產(chǎn)品的發(fā)展特點，從幾個方面來分析數(shù)字信號處理器（DSP）在數(shù)字視頻監(jiān)控中的創(chuàng)新作用，希望對其它數(shù)字視頻監(jiān)控類產(chǎn)品的發(fā)展也有所啟發(fā)。
面向高增值的發(fā)展方向
嵌入式DVR不依托于PC機，也不是消費類的錄像機，而是專為安防領(lǐng)域設(shè)計的專用數(shù)字監(jiān)控產(chǎn)品，通過采用嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)來實現(xiàn)各種管理和操作功能。其核心處理為成熟或先進的數(shù)字視頻和音頻壓縮處理技術(shù)，另外還會應(yīng)用到大容量硬盤記錄和TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)等綜合技術(shù)。音視頻壓縮編解碼的實現(xiàn)方法可以由軟件來實現(xiàn)，既可以采用可編程DSP處理平臺,也可以是由硬件來實現(xiàn)，就是采用專用芯片ASIC器件?？陀^而言，這兩個平臺對于嵌入式DVR的發(fā)展都有貢獻，但難免又彼此有所較量。DSP平臺的特點表現(xiàn)在極大的靈活性和強大的可擴展性上，通過固化在FLASH 中的軟件，可以滿足各種不同視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，特別是通過軟件的方式可以輕而易舉地實現(xiàn)系統(tǒng)的升級，也包括遠程在線升級。ASIC器件具有硬件實現(xiàn)的音視頻編解碼器，性能和功能固定，一般只能實現(xiàn)特定的壓縮格式，而升級則有待于新型芯片的推出。當(dāng)然采用DSP需要開發(fā)軟件算法，因此似乎技術(shù)門檻較高，需要特別技術(shù)能力的積累。而ASIC的設(shè)計就沒有什么太高的門檻，只要照搬相關(guān)的參考設(shè)計即可完成產(chǎn)品。然而，DSP通過軟件編程可使產(chǎn)品更具有特色，出色的算法可以實現(xiàn)H.264、MPEG-4、AVS等高級視頻編解碼器，具有很大的適用性，而且有益于提高信道密度和調(diào)整數(shù)據(jù)率，還有擴展智能化應(yīng)用，在市場上可以體現(xiàn)出更豐富的價值。而基于ASIC的產(chǎn)品視頻編解碼器格式固定，性能和功能基本無提高的余地，因此普遍存在“同質(zhì)性”，在市場上容易誘發(fā)單純的價格競爭。
從高性能的通用DSP到通用數(shù)字媒體處理器，再到以DSP為核心的SOC，音視頻壓縮編解碼也經(jīng)歷了由M-JPEG、MPEG-4、H.264的軟件算法演變的歷程，特別是在單顆DSP上多路壓縮編解碼的實現(xiàn)往往是DVR突破性發(fā)展的基礎(chǔ)。利用DSP的處理能力可以很方便地實現(xiàn)如圖1所示的雙碼流功能，其中一個視頻流用于錄制，而另一個視頻流用于協(xié)調(diào)監(jiān)視，這樣一個CIF流和一個D1流的結(jié)合可以被協(xié)調(diào)地處理。后端的轉(zhuǎn)碼數(shù)據(jù)可節(jié)約存儲空間，而數(shù)據(jù)存檔索引可供今后備查，不再需要保留重復(fù)無用的信息。前端可在DSP上實現(xiàn)智能化，可識別目標(biāo)并擴展與縮放，以提供更多詳細信息。
智能視頻識別功能的嵌入式實現(xiàn)是DSP平臺優(yōu)勢的又一個重要體現(xiàn)，因此嵌入式DVR可以利用DSP的資源實現(xiàn)各種視頻內(nèi)容分析，例如針對空中巡邏中的飛機和人的監(jiān)測與識別、特定區(qū)域的絆線檢測、特定方向的人行逆流監(jiān)測（如圖2）。還可以實現(xiàn)目標(biāo)物移除或目標(biāo)物遺留情況等特性，并生成報警信息。
高端嵌入式DVR可以通過增加這樣的智能識別功能來提高產(chǎn)品附加值，而DSP是最有效的處理平臺。這樣的應(yīng)用通過優(yōu)化也同樣會出現(xiàn)在中端類型的產(chǎn)品中，以擴大其應(yīng)用范圍，這也就增加了一個巨大的市場空間。
基于DSP的實用解決方案
在嵌入式DVR中TI 的通用媒體處理器DM642已有不俗的表現(xiàn)，因此為業(yè)界所熟知，其主要原因在于用戶可以通過C64的DSP核心自行開發(fā)出MPEG-4、H.264或AVS等視頻編解碼器算法。單片DM642可實現(xiàn)H.264一路D1或四路CIF壓縮，而對于優(yōu)化的MPEG-4則所實現(xiàn)路數(shù)加倍或更多，因此由多片DM642可以支持高路數(shù)的嵌入式DVR。
達芬奇系列是TI具有極高集成度的新型SOC平臺，可以成為嵌入式DVR理想的應(yīng)用平臺。該系列中的DM6446集成有DSP和CPU雙核，前者為主頻高達600MHz的C64+核心，可出色完成高級視頻編解碼；后者為主頻300MHz的ARM9核心，可全面完成系統(tǒng)控制。DM6446還集成有視頻協(xié)處理器，可以提高視頻編解碼能力。所集成視頻處理子系統(tǒng)包含前端回放和縮放功能，后端則可有圖文疊加(OSD)單元和視頻編碼器。豐富的外圍接口是嵌入式DVR所不可缺少的，而DM6446幾乎是量身定制，集成了四種類型接口，即連接類，如以太網(wǎng)接口(EMAC)和USB2.0接口；程序和數(shù)據(jù)存儲類，如硬盤接口(ATA)和多種存儲卡接口(NAND和MMC/SD)，還有DDR2高速存儲器接口；串行接口，包含UART接口、I2C接口、SPI接口、ASP音頻接口；系統(tǒng)類，包含PWM脈寬調(diào)制接口、通用定時器和“看門狗”等單元。圖3為采用DM6446的四路嵌入式DVR參考框圖，不難看出在整體系統(tǒng)中大部分的連接都屬于無縫連接。
深入分析就可以發(fā)現(xiàn)這確實是一個能夠有效降低產(chǎn)品系統(tǒng)成品的體系結(jié)構(gòu)，而DSP的可編程性不僅體現(xiàn)在實現(xiàn)高效視頻編解碼，在產(chǎn)品開發(fā)中還具有進一步挖掘潛力的空間。從參考框圖到最終產(chǎn)品道路雖然曲折，但前景卻光芒無限。
圖4就是一推上市場并倍受好評的基于達芬奇的嵌入式DVR產(chǎn)品。這是一款基于DSP的具有新穎設(shè)計的嵌入式DVR，其所能達到的實際效果為：支持四路或PAL/NTSC 制式視頻信號，每路皆可實時每秒25幀的獨立硬件壓縮，視頻壓縮采用H.264或MPEG-4壓縮技術(shù)，不僅支持變碼率，而且支持變幀率，可設(shè)定視頻圖像質(zhì)量，也可設(shè)定視頻圖像的壓縮碼流。在DVR的錄像功能上實現(xiàn)了文件記錄的四種模式，即定時錄像、手動錄像、移動偵測錄像、報警錄像。在存儲上可識別的主盤和從盤的兩個IDE硬盤，而硬盤上文件可以選擇覆蓋錄像和非覆蓋錄像。另外提供硬盤錄像資料的備份，支持U 盤、USB硬盤備份設(shè)備。在預(yù)覽與回放方面支持監(jiān)視器或VGA 輸出連接,預(yù)覽時顯示模式多路（1/4）切換,能支持圖像局部遮蓋錄像。支持圖像遮擋報警處理和支持回放；還有支持快放、慢放、單幀等回放模式，按錄像類型、時間綜合進行檢索；以及支持OSD 疊加、通道名疊加等功能。
值得強調(diào)的是在該產(chǎn)品中采用了獨有的軟分割實現(xiàn)前端高品質(zhì)音視頻采集，最大限度地降低成本。另外通過達芬奇芯片所支持VGA的特性，采用軟件即可實現(xiàn)特殊優(yōu)化的數(shù)字顯示方式，從而大幅度降低成本。至于增值功能的增加，可以作為錦上添花，如利用DSP的多余資源可以附加各種視頻智能識別功能，如人臉識別、車牌識別、場景分析等。如果說前面降低成本是保證效益的舉措，那么這些附加工作則是創(chuàng)造價值的手段，無需太多投入而由DSP軟件開發(fā)來實現(xiàn)。
對于更高密度嵌入式DVR的設(shè)計可以采用高端的達芬奇系列平臺，其中可以關(guān)注以高速DSP為核心的DM648/647系列。該平臺C64+的主頻為900MHz或720MHz，集成有五個16bit的數(shù)字視頻端口，若需要可以配置為十個通道。單片DM648的處理能力為H.264編碼兩路D1或八路CIF，MPEG-4編碼則可以為四路D1或十六路CIF。所集成的兩個千兆以太網(wǎng)接口既可以擴展高速網(wǎng)絡(luò)能力，或者可作為高速接口，再連接一片或多片以便成倍地增加通道數(shù)目。該系列的增值空間在于多視頻接口可以免除或減少由視頻分割片所增加的成本；千兆以太網(wǎng)接口可以提高充足的帶寬；DSP的剩余資源可以擴展智能視頻處理功能，因此不失為強大的綜合平臺。
隨著達芬奇高清樣片的推出，嵌入式DVR的密度也在增加。DM6467已具備單片處理D1分辨率的四路H.264編碼的能力，因此可以進一步拓展高分辨率下的多數(shù)字視頻的通道支持能力。 DM6467通過高性能的視頻處理器實現(xiàn)編解碼工作，等效性能為3GHz，同時C64+的資源在編解碼中僅占用一半，仍有300MHz的性能可以用于其它增值應(yīng)用，如智能識別等。圖5為實現(xiàn)四路D1分辨率H.264嵌入式DVR的參考框圖。
適應(yīng)低端發(fā)展需求產(chǎn)品
嵌入式DVR也在進入低端市場，其中既有中小型企業(yè)的需求，也有包括家庭典型應(yīng)用。在一個家庭中的典型應(yīng)用中，四路視頻應(yīng)該是一種標(biāo)準(zhǔn)配置，前門一路監(jiān)視必不可少，室內(nèi)可以分別放置三路，這樣主人在外就可以全面監(jiān)控家里的情況。當(dāng)主人回家，室內(nèi)監(jiān)控就只需考慮嬰兒監(jiān)視器，其余應(yīng)該有機會轉(zhuǎn)入視頻娛樂，如圖6所示就是這種情況。這樣就需要一個具有四個通道的小型DVR，而且由于屬于消費類產(chǎn)品，售價不可能太高，而成本需要控制的低。
在這里似乎只有ASIC會有用武之地，其實不然，通用媒體處理器和低成本的通用SOC也可以有很到位的應(yīng)用，其中有兩個發(fā)展方向，其一就是在上述以DSP為核心的中高端達芬奇平臺上進一步提高性能并降低成本，以有效突出性價比；其二就是考慮采用以視頻協(xié)處理器為主的低端達芬奇平臺，以與ASIC正面交鋒。DM355 作為低功耗且支持720P高清MPEG-4的低成本達芬奇平臺，也具有支持四路至六路CIF分辨率的MPEG4編碼的能力，大批量生產(chǎn)時的價格可以在十美金以下。已有廠商推出基于DM355支持四路MPEG-4的低成本DVR，且售價可以控制在一百美金以內(nèi)。當(dāng)然，家庭監(jiān)控的應(yīng)用不同于專業(yè)的數(shù)字監(jiān)控方式，視頻的壓縮和回放不必同時進行，而娛樂方式下又需要高分辨率的解碼支持，因此DM355的優(yōu)勢明顯，特別是ARM9核心可以提供相應(yīng)的系統(tǒng)功能。DM355之后的新平臺也將很快推出，屆時將能支持720P高清H.264編碼，也可以是2路D1或8路CIF分辨率，將滿足更多的需求。
結(jié)語
總而言之，嵌入式DVR的需求和所面向的市場在發(fā)展。作為滿足各種數(shù)字視頻需求的芯片處理方案，覆蓋著嵌入式DVR的應(yīng)用的各個方面，為更多的客戶的更多產(chǎn)品創(chuàng)造出更多的價值，從而撐起數(shù)字視頻監(jiān)控的一片創(chuàng)新空間。
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