《监控系统基础》word版

1、.监控系统基础2数字视频录像机DVR的根本分类DVR在开展初期由于百家争鸣、种类繁多，让业内相关人士颇有眼花撩乱之感，在经过一段时间的变化后，各种型态的分类也大致成形。根据台湾工业技术研究院光电工业研究所?光电产业开展剖析?报告中，大致将所有的DVR分成三个类别：一.数字STB类型STB指的是Set-top Box一般译成：数字卫星接收器、机顶盒、电视上网机、随选视讯盒等，由于译名分歧，故在此以STB统称之。数字STB类型的DVR在性质上属于功能整合性的讯号接收平台，以提供数字录像功能与接收数字播送及互动应用的讯号为主，可选择接收数字无线地面传播Digital Terrestrial、数字有线

2、电视传播Digital Cable、数字卫星传播Digital Satellite等不同种类的传播讯号。二.PC-based类型PC-based类型的DVR其应用平台为一般的PC、手提电脑等。在PC内装置一片或多片影像撷取卡，利用软件进展影像压缩并执行影像编辑功能，系统较不稳定。三.单机Standalone类型单机型的DVR乃重新利用CPU及RAM来开发设计，采用专属的软件程序，研发本钱较高。采用硬件压缩，品质稳定，不会有死机的问题产生，且在影像储存速度、分辨率及影像画质上都有较大的改善。这类型的产品只单纯提供数字录放影功能，而不附加其它如播送讯号接收、上网际网络等功能。由于应用在平安监视领域

3、的产品多属于上述的第2类及第3类，因此本文将仅就这两个类型做讨论。PC-based类型与单机类型系统孰优孰劣的争议，到目前为止仍无法下定论。目前虽以PC-based的DVR占市场多数，但据观察，两种类型的产品将各自产生市场区隔。1995年即投入DVR领域开展的日本Ikegami公司，其海外部经理Yasuhiko Saito就指出：DVR市场将朝向两个不同方向开展，一方面，由于RTOSReal time Operation System，实时操作系统在运作时的可靠性，意料会有很大的开展；但另一方面，对强调可联网工作的DVR产品，Windows操作系统那么因为操作简单而将成为另一种主流。DVR的技

4、术目前仍不断在开展中，而其中的关键技术在于操作系统及影像压缩技术。一.操作系统1.以Windows为操作接口对于以PC为主要架构的DVR来说，Windows平台以其使用简单、应用普遍等特点而名列各种操作系统名单的榜首。韩国3R集团总裁Sung-Ik Chang表示：目前大多数DVR及其相关产品的厂商都采用基于Windows的操作系统；尤其在美国这样的大市场，用户为了日后维护方便，多倾向于使用基于Windows的DVR产品。韩国Digital Logic公司海外市场部经理Jonathan Kim也说：我们认为Windows操作系统是最适宜DVR系列产品的。因为Windows是目前较通用的操作系统

5、，因此具备较高的支持性，不管任何地方Windows都可以支持大部分相关产品。此外，Windows在软件晋级方面，也强于其它操作系统。由于近年来IT产业与安防产业亲密相关，因此当数字技术在IT产业日进万里的同时，相关技术开展势必影响平安产业。Windows之所以会被众多厂商所爱用，乃是因为它具有强大的可晋级性。厂商认为，由于DVR系统不可能长期停留在固定程度，因此可晋级性势必成为系统开展的关键点。假设考量汰旧本钱，一旦用户对于既有系统产生更高的要求或者原有的系统暴露出一些缺陷，大部分的用户不太可能去买一套全新的系统来交换，如此一来，产品的晋级就成为首要的解决方案。尽管供货商认为，系统的稳定性取决

6、于用户的实际操作方式，然而，Windows操作系统本身的不稳定性，仍令使用者相当质疑。有厂商就表示，假设只单纯使用监控系统，Windows 98系统相当稳定；但假设在Windows平台上同时运行别的程序，系统不稳定、甚至死机就无可防止。2.以Linux为操作接口IT业界中Windows和Linux操作平台的剧烈竞争也延烧到安防产业。Linux是一种可多人使用的作业环境，可让多位使用者在同一时间内同时使用计算机主机的资源。Linux提供完好的多人Multiuser、多任务Multitasking及多行程Multiprocessing环境，可由网络上下载使用。由于其原始程序代码Source Cod

7、e是公开的，因此可以任意开发、修改，故Linux的使用者并不须烦恼缺乏需要的应用程序，加速了研发的速度，且系统本身以及大部分的应用程序是免费的，让开发者省下大笔的研发费用。此外，对硬件需求较低的Linux，可令使用者节省更多的硬件本钱投入，整体产品本钱随之降低。随着网际网络的盛行，全球使用Linux的人愈来愈多，也吸引了无数的开发人员投入改进核心、开展应用软件以及硬件周边驱动程序的行列，使Linux功能和完好性日益扩大，成为各方注目焦点。此外，Linux是以网络环境为根底的操作系统，具有完好的网络功能，使用者可以在Linux下以单机连上Internet，也可架设局域网络LAN；还可以以Linu

8、x架设各种Server，提供在Internet以及Intranet的邮件、FTP、Web.各种效劳。在这样的趋势之下，Linux成为DVR制造商跃跃欲试的操作系统。有些供货商甚至表示Linux比Windows更适宜应用在DVR上。韩国Eastern Info-Com公司海外市场部协理Hyoksang Kwon即表示：由于Windows较不稳定，且价格颇高，相形之下，Linux看起来是最有开展潜力的主流操作系统。实际上，如今就下Linux作为DVR的操作系统会优于Windows这样的结论仍嫌太早。据其它制造商反响，Linux在兼容性方面仍存在着一些问题，如打印机支持、Internet联接等方面，

9、都不如Windows。此外，对于已习惯使用Windows应用程序的使用者而言，刚开场会不适应Linux的作业方式；而针对Linux可读取Windows的档案，但目前Linux仍有无法让Windows系统读取档案的缺点，加上Linux为后来崛起之操作系统，故在目前维护人员并非非常充足的情形下，许多使用厂商在选择使用Linux系统时也会有一定的心理障碍。3.以RTOS为操作接口对于单机型或非PC-based的DVR来说，RTOSReal Time Operation System是最正确的操作系统，目前市面上这种类型的供货商以韩国和日本为主。许多韩国厂商如3R、Korea Computer Tec

10、hnologies、Kodicom、Artinix等认为，单机型DVR具有高经济效益、稳定性高及与既有的安防控制器有高兼容性等特点，因此在前一阵子都陆续推出了单机型的DVR。对于日本厂商而言，会致力于开展单机型DVR主要是基于对图像明晰度的考量，目前，大多数PC-based DVR的图像品质都不如单机型的DVR。然而，单机型DVR目前面临的最大挑战在于联网功能。在联网工作普及的今天，已有越来越多的用户使用网络，韩国Digital Logic公司的Jonathan Kim即表示：当我们议论单机型DVR时，经常遗漏掉网络化的远程控制部分。但DVR系统假设不能和网络衔接，坦白说，那就不能称为DVR系

11、统。部份西方的制造商也有一样的观点，例如美国、德国、英国以及其它北欧国家，已经将网络功能视为是数字CCTV产品的关键。英国Dedicated Micros执行总经理Mike Fawcett举例说明：英国的化工、制药厂采用了具备网络功能的DVR设备，除了节省大量人力的开销外，更可以在任何地方监看工作人员和消费线状况，因此节省不少本钱。可联网的特性让用户可以透过LAN/WAN、Internet等网络进展远程监看。这个特性已被预测成为将来CCTV市场的主流。为了让产品具备联网功能，单机型DVR制造商陷入价格vs.功能的两难场面。韩国Korea Computer Technology公司总经理Y.H.

12、Min指出：为了让DVR具备联网功能，我们必须在单机型DVR中添加某些芯片。为此，我们必须增加投资金额及本钱，在价格竞争日益剧烈的情况下，本钱的增加对我们相当不利。二.压缩技术现阶段DVR所采用的压缩技术以JPEG、MPEG1、MPEG2为主。严格说起来，这些压缩技术都未必能完全符合长时间录像的需求。1.JPEG JPEG的压缩倍数为2080倍，适宜静态画面的压缩，分辨率没有选择的余地。以往的JPEG压缩技术是直接处理整个画面，所以要等到整个压缩档案传输完成才开场进展解压缩成影像画面，而这样的方式造成传输一个高解析画面时须耗时数十秒甚至数分钟。而新一代的JPEG是采取渐层式技术，先传输低解析的

13、图档，然后再补送细部之资料，使画面品质改善。这种方式所需的时间虽然与原先的方式一样，但由于可以先看到画面，所以使用者会觉得这种方式较好。2.MPEG1及MPEG2而MPEG1、MPEG2在影像挪动不大的情况下其压缩倍数约为100倍一般VCD、DVD约为35倍，假设从VCD、DVD的规格来看，MPEG1的分辨率为320×240或以下，MPEG2那么通常为720×480。MPEG1、MPEG2是传送一张张不同动作的部分画面。3.MPEG4至于压缩倍数为450倍静态图像可达800倍，分辨率输入可从320×240到1280×1024的MPEG4，那么是专为挪动通

14、信设备例如挪动 在英特网实时传输音/视频讯号而制定的最新MPEG标准。MPEG4和MPEG以往的版本相比，最大不同之处在于MPEG4使用图层layer方式，可以智能化选择影像的不同之处，在压缩下个别编辑画面，使图文件容量大幅缩减，而加速音/视频的传输。有人认为MPEG4的出现，对于DVR厂商而言无疑是一大福音，然而也有厂商认为，MPEG4规格虽已定出，但实际应用于DVR的技术上却尚未成熟，现阶段无论以软、硬件来实现都有待打破详情?技术篇MPEG4压缩技术于DVR的应用?一文。对于哪种压缩方式较适用于DVR产品的看法，厂商的意见相当分歧。韩国3R公司的Sung-IK Chang详细指出：大体来说

15、，压缩技术采用两种方法，一种是intraframe，另一种是Interframe。Interframe可区分每幅影像的差异，并只传送影像不同的部分，H.263和MPEG是这种格式的代表。而Intraframe方式那么把一个动画分解成假设干个固定的画面一幅一幅的传输，以Wavelet和Motion JPEG为此方式的代表。从传输效率考量，Interframe在性能上要远远优于Intraframe；而且，Interframe技术在画面变动较小情况下，能提供相当不错的画质。然而，平安产品的用户必须考虑到图象画质的问题，在这一点上MPEG较Wavelet和JPEG要逊色。Digital Logic公司

16、的Jonathan Kim就表示：我们成认MPEG4在视频压缩方面比较优秀，但MPEG系列皆存在着图象干扰和画面扭曲失真的情况。假设用户想购置存储量大的DVR，他可以考虑MPEG压缩格式；但假设用户希望能有良好的画质，那么应该考虑其它的压缩方式；至于那种方式好，那么取决于客户需求。Eastern Info-com公司的Hyoksang认为：图象明晰度，和图象的压缩率、CPU以及其它相关硬件的负载是成反比的，由于MPEG4具有极高的压缩率，因此导致图象的不明晰，要到达安防产业对于图象要求的标准，还有很大的改进空间。DM公司的执行总裁Mike Fawcett进一步指出：对于静止的画面，不管用JPE

17、G方式压缩还是MPEG方式压缩，传输的速度都是一样的。然而，假设物体是呈现运动状态，那么MPEG格式不会立即反响传输，这是因为MPEG格式传输的速度较慢，或者监控中的场景容易出现干扰。他认为，JPEG压缩技术不管在图象画质还是在传输速度上，都更加适宜安防产业。他说：我认为JPEG的品质较好，较具有竞争力，也较平安。随着DVR技术的不断开展、存储容量逐步扩大，用户会对画质的要求必然越来越高。英国Visionfactory董事长David Beanland表示：尽管JPEG和Wavelet格式的图象需要占用较大的存储空间，但这种压缩技术在DVR产业仍然是主流。毫无疑问地，DVR的存储容量会逐步扩展

18、，存储容量达200GB以上的DVR最慢会在2、3年后出现于市面上。一旦容量问题得到解决，使用者便会将焦点放在图象的画质，而MPEG压缩技术方式将会被淘汰。Beanland也同时质疑MPEG压缩技术录制的图象是否能作为可靠的法庭证据，目前在欧美市场还值得商榷。现任职于飞利浦公司，具有14年经历的Alan Everid那么认为对于DVR产品而言，Wavelet是最好的压缩方式。主要原因在于Wavelet移除了图象的高频成分high frequency components，仅保存单帧图象信号。这个特点，特别适用于画面变更频繁的场合，例如多画面分时显示。不过，Wavelet虽然符合安防产业的图象要求

19、，但在考量联网与否的因素下，读者需注意Wavelet并非现行的IT网络所普遍支持的格式，所以在联网的使用上会有所限制。H.264视频编码根本知识一、视频编码技术的开展历程视频编码技术根本是由ISO/IEC制定的MPEG-x和ITU-T制定的H.26x两大系列视频编码国际标准的推出。从H.261视频编码建议，到H.262/3、MPEG-1/2/4等都有一个共同的不断追求的目的，即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。而且，随着市场对图像传输需求的增加，如何适应不同信道传输特性的问题也日益显现出来。于是IEO/IEC和ITU-T两大国际标准化组织联手制定了视频新标准H.264来解决这

20、些问题。H.261是最早出现的视频编码建议，目的是标准ISDN网上的会议电视和可视 应用中的视频编码技术。它采用的算法结合了可减少时间冗余的帧间预测和可减少空间冗余的DCT变换的混合编码方法。和ISDN信道相匹配，其输出码率是p×64kbit/s。p取值较小时，只能传明晰度不太高的图像，适宜于面对面的电视 ；p取值较大时如p>6，可以传输明晰度较好的会议电视图像。H.263建议的是低码率图像压缩标准，在技术上是H.261的改进和扩大，支持码率小于64kbit/s的应用。但本质上H.263以及后来的H.263+和H.263+已开展成支持全码率应用的建议，从它支持众多的图像格式这一

21、点就可看出，如Sub-QCIF、QCIF、CIF、4CIF甚至16CIF等格式。MPEG-1标准的码率为1.2Mbit/s左右，可提供30帧CIF352×288质量的图像，是为CD-ROM光盘的视频存储和播放所制定的。MPEG-l标准视频编码部分的根本算法与H.261/H.263相似，也采用运动补偿的帧间预测、二维DCT、VLC游程编码等措施。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，进一步进步了编码效率。在MPEG-1的根底上，MPEG-2标准在进步图像分辨率、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&q

22、uot;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。近年推出的MPEG-4标准引入了基于视听对象AVO：Audio-Visual Object的编码，大大进步了视频通信的交互才能和编码效率。MPEG-4中还采用了一些新的技术，如形状编码、自适应DCT、任意形状视频对象编码等。但是MPEG-4的根本视频编码器还是属于和H.263相似的一类混合编码器。总之，H.261建议是视频编码的经典之作，H.263是其开展，并将逐步在实际上取而代之，主要应用于通信方面，但H.263众多的选项往往令使用者无所适从。MPEG系列标准从针对存

23、储媒体的应用开展到适应传输媒体的应用，其核心视频编码的根本框架是和H.261一致的，其中引人注目的MPEG-4的"基于对象的编码"部分由于尚有技术障碍，目前还难以普遍应用。因此，在此根底上开展起来的新的视频编码建议H.264抑制了两者的弱点，在混合编码的框架下引入了新的编码方式，进步了编码效率，面向实际应用。同时，它是两大国际标准化组织的共同制定的，其应用前景应是不言而喻的。二、H.264介绍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结合视频组JVT：joint video team开发的一个新的数字视频编码标准，它既是IT

24、U-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10部分。1998年1月份开场草案征集，1999年9月，完成第一个草案，2001年5月制定了其测试形式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和以前的标准一样，也是DPCM加变换编码的混合编码形式。但它采用"回归根本"的简洁设计，不用众多的选项，获得比H.263+好得多的压缩性能；加强了对各种信道的适应才能，采用"网络友好"的构造和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目的范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输存储场合的需求；

25、它的根本系统是开放的，使用无需版权。在技术上，H.264标准中有多个闪光之处，如统一的VLC符号编码，高精度、多形式的位移估计，基于4×4块的整数变换、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，在一样的重建图像质量下，可以比H.263节约50%左右的码率。H.264的码流构造网络适应性强，增加了过失恢复才能，可以很好地适应IP和无线网络的应用。三、H.264的技术亮点1、分层设计H.264的算法在概念上可以分为两层：视频编码层VCL：Video Coding Layer负责高效的视频内容表示，网络提取层NAL：Network Abstraction Layer负

26、责以网络所要求的恰当的方式对数据进展打包和传送。在VCL和NAL之间定义了一个基于分组方式的接口，打包和相应的信令属于NAL的一部分。这样，高编码效率和网络友好性的任务分别由VCL和NAL来完成。VCL层包括基于块的运动补偿混合编码和一些新特性。与前面的视频编码标准一样，H.264没有把前处理和后处理等功能包括在草案中，这样可以增加标准的灵敏性。NAL负责使用下层网络的分段格式来封装数据，包括组帧、逻辑信道的信令、定时信息的利用或序列完毕信号等。例如，NAL支持视频在电路交换信道上的传输格式，支持视频在Internet上利用RTP/UDP/IP传输的格式。NAL包括自己的头部信息、段构造信息和

27、实际载荷信息，即上层的VCL数据。假设采用数据分割技术，数据可能由几个部分组成。2、高精度、多形式运动估计H.264支持1/4或1/8像素精度的运动矢量。在1/4像素精度时可使用6抽头滤波器来减少高频噪声，对于1/8像素精度的运动矢量，可使用更为复杂的8抽头的滤波器。在进展运动估计时，编码器还可选择"增强"内插滤波器来进步预测的效果。在H.264的运动预测中，一个宏块MB可以按图2被分为不同的子块，形成7种不同形式的块尺寸。这种多形式的灵敏和细致的划分，更切合图像中实际运动物体的形状，大大进步了运动估计的准确程度。在这种方式下，在每个宏块中可以包含有1、2、4、8或16个运

28、动矢量。在H.264中，允许编码器使用多于一帧的先前帧用于运动估计，这就是所谓的多帧参考技术。例如2帧或3帧刚刚编码好的参考帧，编码器将选择对每个目的宏块能给出更好的预测帧，并为每一宏块指示是哪一帧被用于预测。3、4×4块的整数变换H.264与先前的标准相似，对残差采用基于块的变换编码，但变换是整数操作而不是实数运算，其过程和DCT根本相似。这种方法的优点在于：在编码器中和解码器中允许精度一样的变换和反变换，便于使用简单的定点运算方式。也就是说，这里没有"反变换误差"。变换的单位是4×4块，而不是以往常用的8×8块。由于用于变换块的尺寸缩小，运

29、动物体的划分更准确，这样，不但变换计算量比较小，而且在运动物体边缘处的衔接误差也大为减小。为了使小尺寸块的变换方式对图像中较大面积的平滑区域不产生块之间的灰度差异，可对帧内宏块亮度数据的16个4×4块的DC系数每个小块一个，共16个进展第二次4×4块的变换，对色度数据的4个4×4块的DC系数每个小块一个，共4个进展2×2块的变换。H.264为了进步码率控制的才能，量化步长的变化的幅度控制在12.5%左右，而不是以不变的增幅变化。变换系数幅度的归一化被放在反量化过程中处理以减少计算的复杂性。为了强调彩色的逼真性，对色度系数采用了较小量化步长。4、统一的VL

30、C H.264中熵编码有两种方法，一种是对所有的待编码的符号采用统一的VLCUVLC：Universal VLC，另一种是采用内容自适应的二进制算术编码CABAC：Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding。CABAC是可选项，其编码性能比UVLC稍好，但计算复杂度也高。UVLC使用一个长度无限的码字集，设计构造非常有规那么，用一样的码表可以对不同的对象进展编码。这种方法很容易产生一个码字，而解码器也很容易地识别码字的前缀，UVLC在发生比特错误时能快速获得重同步。5、帧内预测在先前的H.26x系列和MPEG-x系列标准中，都是采用的帧间预测的方式。在H

31、.264中，当编码Intra图像时可用帧内预测。对于每个4×4块除了边缘块特别处置以外，每个像素都可用17个最接近的先前已编码的像素的不同加权和有的权值可为0来预测，即此像素所在块的左上角的17个像素。显然，这种帧内预测不是在时间上，而是在空间域上进展的预测编码算法，可以除去相邻块之间的空间冗余度，获得更为有效的压缩。如图4所示，4×4方块中a、b、.、p为16个待预测的像素点，而A、B、.、P是已编码的像素。如m点的值可以由J+2K+L+2/4式来预测，也可以由A+B+C+D+I+J+K+L/8式来预测，等等。按照所选取的预测参考的点不同，亮度共有9类不同的形式，但色度的

32、帧内预测只有1类形式。6、面向IP和无线环境H.264草案中包含了用于过失消除的工具，便于压缩视频在误码、丢包多发环境中传输，如挪动信道或IP信道中传输的强健性。为了抵御传输过失，H.264视频流中的时间同步可以通过采用帧内图像刷新来完成，空间同步由条构造编码slice structured coding来支持。同时为了便于误码以后的再同步，在一幅图像的视频数据中还提供了一定的重同步点。另外，帧内宏块刷新和多参考宏块允许编码器在决定宏块形式的时候不仅可以考虑编码效率，还可以考虑传输信道的特性。除了利用量化步长的改变来适应信道码率外，在H.264中，还常利用数据分割的方法来应对信道码率的变化。从

33、总体上说，数据分割的概念就是在编码器中生成具有不同优先级的视频数据以支持网络中的效劳质量QoS。例如采用基于语法的数据分割syntax-based data partitioning方法，将每帧数据的按其重要性分为几部分，这样允许在缓冲区溢出时丢弃不太重要的信息。还可以采用类似的时间数据分割temporal data partitioning方法，通过在P帧和B帧中使用多个参考帧来完成。在无线通信的应用中，我们可以通过改变每一帧的量化精度或空间/时间分辨率来支持无线信道的大比特率变化。可是，在多播的情况下，要求编码器对变化的各种比特率进展响应是不可能的。因此，不同于MPEG-4中采用的精细分级编码FGSFine Granular Scalability的方法效率比较低，H.264采用流切换的SP帧来代替分级编码。四、H.264的性能比较TML-8为H.264的测试形式，用它来对H.264的视频编码效率进展比较和测试。测试结果所提供的PSNR已清楚地说明，相对于MPEG-4ASP：Adv