硬盘录像机的结构与实现

引言 

录像机是闭路电视监控系统中不可或缺的设备，它可以将监视现场的画面实时、真实地记录下来，并可方便地于事后检索查证，为案件侦破提供重要的线索与证据。随着数字压缩技术以及大规模集成电路技术的发展，数字硬盘录像机（DVR）在电视监控行业内得到了迅猛的发展，仅有能力自行研制或生产DVR的国内厂家就已远远超过了百家，并且，各家DVR的结构与实现方式也不尽相同。

数字硬盘录像机的迅猛发展主要得益于其自身的机械结构简单，采用了高精密封装的大容量硬盘作为记录设备，因此，只要在计算机扩充槽中插入图像采集卡，再配上相应的系统软件及应用软件，就实现了传统磁带录像机的所有功能。特别是随后出现的嵌入式硬盘录像机结构更加紧凑，性能更加稳定，几乎成了传统时滞录像机的终结者。

 

硬盘录像机的实现

 

硬盘录像机有多种实现方法。从系统结构上来说，有PC插卡型或嵌入式一体机型；从所用的核心芯片来说，有的是基于数字信号处理器（DSP），而有的是基于专用集成电路（ASIC），其中基于DSP的结构又分为不同的系列，它们因选用不同厂家的DSP而异；而从硬盘录像机处理视频的技术（视频压缩格式）来说，则有基于Wavelet、M-JPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.263、H.264等视频压缩格式的多种不同的机型。另外，无论是PC插卡型还是一体机型，即使它们所用的芯片相同，其应用软件的界面与功能也不尽相同。

 

基于PC插卡的硬盘录像机

 

最早的硬盘录像机是PC插卡型，视频采集卡主要包括视频信号的采集、数字视频压缩处理和视频缓存等几部分，其中数字视频压缩处理芯片有多种不同的类型（通用DSP或专用ASIC）。随着CPU、内存等核心芯片的不断升级，计算机的主频及综合处理能力得到不断提高，因而在单卡硬盘录像机的基础上进一步出现了多卡多路硬盘录像机，也即在PC的多个扩充槽中同时插入多块支持并行处理的单路视音频采集卡，以实现多路视音频信号的同时实时采集。由于每一块卡仅对应于1路信号，因而采集卡的数量可根据视频信号的路数要求而灵活配置。不过，当在PC中插入多块卡时，占用的PC资源也相应增加，如CPU及内存资源、主板上扩充槽的数量、主板电源功率等。因此，当摄像机源数量（即采集卡数量）较多时，这种硬盘录像机就必须采用具有多插槽工控底板的工控机，并配以大功率电源，并且对CPU的主频要求也更高。

 

为了解决多卡应用的资源占用问题，在单卡单路硬盘录像机问世后不久，有厂家推出了在一块卡上集成两片甚至4片视频处理芯片（DSP或ASIC）的多路视音频采集卡，因而可以同时实现对两路信号或4路信号的实时采集与压缩处理。这种结构实际上是每路视频信号唯一地对应着一片视频处理芯片，但是它们共用一片PCI-PCI桥接芯片，因而仅占用一个PC插槽，加上视音频信号的采集压缩是由卡上的硬件来实现，因而有效地减少了硬盘录像对PC资源的占用。

 

还有一种与上述实现原理不尽相同的基于PC的单卡多路硬盘录像机：卡上的一片视频处理芯片就要处理多路输入信号，因而需采用时分轮换方式对多路视频信号进行采集，并以M-JPEG压缩格式进行录像。虽然M-JPEG的压缩效率不如基于多帧预测编码的MPEG-1、MPEG-4及H.264等的压缩格式高，但由于在单通道轮换采集多路视频时，相继帧的画面失去了相关性（根本不是同一个摄像机摄取的画面），因而采用基于帧间预测的视频压缩算法就失去了意义，只能采用帧内压缩算法。因此，这种方式的硬盘录像机是对采集的每一帧画面独立地进行JPEG压缩处理，而后将对应于每一路输入的各帧画面形成独立的M-JPEG文件。这种方式显然可以方便地实现多路采集，例如，在不考虑录像画面的连续性要求时，就可以方便容纳多达16路的视频输入，但是对于只能以25帧/s的速率对视频信号进行采集的视频处理芯片来说，无