大潮涌动2011：硬盘录像机技术解秘

硬盘录像机(DVR)是个炙手可热的明星产品，然而一般代理商和工程商对硬盘录像机都已难以窥其全貌，更不论多数终端用户了。下面来看看具体技术！

　　压缩与解压缩

　　影音的压缩与解压缩技术可说是硬盘录像机的第一重要关键技术，因为这点决定了硬盘录像机录像、回放、备份以及远程监看的影像质量、帧数与资料流量等，而压缩标准、硬压或软压、与硬解或软解则又是影音压缩与解压缩技术的关键所在。

　　目前的硬盘录像机采用的压缩标准大致包括(M)JPEG(2000)、Wavelet、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.264等。大多数读者对这些标准的名词都耳熟能详，但对这些标准的功能差异可能就不甚了解。而这些差异对DVR的品质及性价比的影响却是巨大的。

　　就影音压缩而言，事实上用户最关心的是良好的录像质量、帧数、较低的硬盘容量需求(亦即较高的压缩比)。不过压缩标准确实影响甚巨，兹以目前较为主流的压缩标准MJPEG、MPEG-4以及H.264说明如下：

　　(1)MJPEG

　　MJPEG为早期的硬盘录像机主流压缩标准，然而JPEG最适合的应用是单张影像(如照片)的压缩，而非连续影像的压缩，此乃因为JPEG(与其延伸标准MJPEG)将每张影像视为独立而彼此不相关的影像，不考虑连续影像间的相似性，因此压缩比不高。

　　(2)MPEG-4

　　MPEG-4为目前硬盘录像机最为主流的压缩标准，然而各产品间采用的细项标准差距甚大，因此也造成用户对MPEG-4硬盘录像机之质量与压缩比的认知差距。目前市场上MPEG-4硬盘录像机采用的细项标准大致可分为下列三种：

　　MJPEG：

　　部分厂商由于技术水平不足，或为求降低成本，因此虽然采用了MPEG-4压缩硬、软件，但是仅使用MPEG-4中将每张影像视为独立而彼此不相关的影像的压缩方式，亦即I-Frame，因此其压缩比也就不高了。而这也是为什么很多用户觉得MPEG-4和MJPEG没什么差别的原因。

　　SimpleProfile(SP)：

　　这是多数厂商采用的MPEG-4压缩标准，此规格除了类MJPEG的压缩影像(I-Frame)之外，也包含一种利用连续影像间相似性的压缩影像(P-Frame)，一般而言，其平均压缩比大约落在类MJPEG的2倍左右。

　　进阶SP(AdvancedSP,ASP)：

　　这大约是目前MPEG-4硬盘录像机所采用的MPEG-4最佳规格，除了前述SP的两种压缩影像之外，此规格更运用了进阶压缩影像(B-Frame)，因此其平均压缩比大约落在类MJPEG的3~4倍左右，为目前硬盘录像机中压缩比最高者。例如深微科技的DVR系列即采用此项标准。

　　(3)H.264

　　H.264即MPEG-4Part10或进阶影像编码(AdvancedVideoCoding,AVC)，为硬盘录像机采用的压缩标准中较新的，不过目前市场上H.264硬盘录像机最多仅采用其中适合于视讯会议与移动式应用(如手机)的最低阶规格BaselineProfile(BP)，而非适合于广播与储存应用的HighProfile(HiP)，因此若采用H.264(BP)其平均压缩比反而不如MPEG-4ASP,而且差距甚大。

　　综合以上所述，我们可以了解MPEG-4不一定比MJPEG好，H.264也不一定比MPEG-4好，除非使用者能知道得更深入一点，而这也是为什么很多产品都只提及其所采用之压缩标准名称，而不愿提及究竟是采用该标准里的哪个具体的细项标准。

　　至于硬盘录像机为硬压或软压、与硬解或软解的差别则在于录像分辨率、帧数、多任务的效能与回放的弹性。具体而言，硬压与硬解是使用专用的压缩/解压缩特殊应用芯片(CODECASIC)，能够达到较高的录像分辨率、帧数与较佳的多任务效能，而且回放或使用者操作各项功能时不会影响录像帧数，因此其录像与回放帧数大都可以具体标示于技术规格表;但由于透过芯片解压再输出至画面，因此就有一些显示上的限制。例如部分硬盘录像机回放时就无法即时监看摄像机影像。

　　相对的，软压与软解则是使用主中央处理器(CPU)或讯号处理器(DSP)的大部分资源作压缩与解压缩，因此录像分辨率、帧数相对较低且多任务效能较差，不但回放时会严重影响录像帧数，甚至使用者操作各项功能时(如备份或寻找档案)也会影响录像帧数，因此部分使用软压与软解的硬盘录像机干脆不将其录像与回放帧数具体标示于技术规格表;不过由于是透过主处理器作软解压，因此一般而言回放画面比较有弹性。

　　有关压缩与解压缩还有几点必须特别注意的是:

　　(1)上述有关压缩比的比较是以相同的录像质量为基准。事实上，每一种压缩方式皆有其质量参数可供设定，质量愈低，压缩比愈高，反之亦然。至于各产品的最佳质量如何，则根据该硬盘录像机所能处理的资料流量而定，也因此许多产品，尤其是压缩方式比较不先进的，只好勉强增加压缩比以降低其资料流量，从而牺牲其录像质量了。

　　(2)许多压缩比较低的产品，其不含硬盘时的硬盘录像机成本较低，不过由于其所需硬盘容量数倍于压缩比较高的产品，因此其含硬盘之后的综合成本反而比压缩比高的产品高出许多。特别在需要长时间存储录像的场合。

　　(3)部分软压与软解的产品亦会宣称其为硬压与硬解，使用者可根据前面所述细加分辨，或者以实测验证。

　　硬盘与录像资料的存取

　　硬盘录像机的另一重要关键就在硬盘与录像资料的处理，因为硬盘录像机完全依赖硬盘储存所有的录像资料。然而比较可惜的是，除了少数专业厂商能够设计出适合硬盘录像机特性的存取方式之外，绝大多数厂商都只能完全倚赖操作系统提供的档案管理系统，或是使用低阶的硬盘I/O读写方式，无法满足硬盘录像机真正的录像资料存取需求。

　　以下就目前较为常见的硬盘录像机录像资料存取方式讨论其优缺点:

　　(1)PC-based视窗档案管理系统

　　这是多数PC-based硬盘录像机所采用的资料存取方式，其优点是厂商设计门槛低，且具有良好的内部资料夹树状结构，易于寻找录像资料，然而PC-based视窗档案管理系统是设计给PC使用，而不是专为监控用硬盘录像机设计，因此其缺点不少，也非常严重：

　　(a)资料存取效能不佳，不适合长期、不间断、大量的录像资料储存。

　　(b)硬盘资料录满后重复写入时会造成实际储存位置凌乱，此点会造成资料存取的速度愈来愈差，也会缩短硬盘使用寿命。

　　(c)视窗档案管理系统需要大量硬盘容量储存暂时性资料，容易发生死机的问题。

　　(d)断电后复电无法自动迅速恢复，造成硬盘录像机不录的问题，有时还会损毁硬盘录像资料。

　　(e)寻找、回放录像资料时，容易造成录像帧数减少的问题。

　　(2)PC-based服务器档案管理系统

　　这是另一种PC-based硬盘录像机所采用的资料存取方式，然而PC-based服务器档案管理系统是设计给PC型档案服务器使用，也不是专为硬盘录像机设计，因此其优缺点与PC-based视窗档案管理系统类似，不过其缺点比较没那么严重，断电后复电也能自动恢复。

　　(3)Linux档案管理系统

　　Linux档案管理系统是极佳的服务器档案管理系统，也因此愈来愈多的硬盘录像机采用Linux作为其操作系统，早期的EXT2档案管理系统已经相当稳定，最新的EXT3则更为稳定，效能也更好，不过Linux档案管理系统毕竟也不是专为硬盘录像机设计，其优缺点如下：

　　(a)断电后复电时能够自动恢复，不会造成硬盘录像机不录的问题，也不会损毁硬盘录像资料。

　　(b)具有良好的内部资料夹树状结构，易于寻找录像资料。

　　(c)硬盘资料录满后重复写入时仍会造成实际储存位置凌乱，因此仍会造成资料存取的速度愈来愈差，也会缩短硬盘使用寿命。

　　(d)寻找、回放录像资料时，仍会造成录像帧数减少的问题。

　　(4)低阶I/O读写方式

　　部分产品采用此类资料存取方式，尤其是缺乏Linux或视窗操作系统支持的硬盘录像机，由于厂商几乎不可能自行设计出一套复杂的档案管理系统，因此此类产品其优缺点也就显而易见：

　　(a)硬盘资料录满后重复写入时不会造成实际储存位置凌乱。

　　(b)断电后复电时能够自动恢复，不会造成硬盘录像机不录的问题。

　　(c)适合长期、不间断的单纯录像，不过由于缺乏高效能的档案管理系统，因此录像时效能不佳，不适合大量资料的录像。

　　(d)录像资料寻找效能不佳，部分产品甚至容易于寻找资料时发生死机的问题。

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　　(e)寻找、回放录像资料时，容易造成录像帧数减少的问题。

　　综合以上所述，如何取各家优点，而又能克服其缺点，就成为硬盘资料处理的真正关键所在，也因此少数专业厂商研究设计出真正适合硬盘录像机特性的硬盘资料处理方式，其中又以以下所述方式为其极致：

　　(5)Linux之EXT3档案管理系统改良型

　　Linux档案管理系统既然是极佳的服务器档案管理系统，因此如果能采用Linux操作系统与EXT3档案管理系统，而又能改善其缺失，则必能成为最适合于硬盘录像机的资料存取系统，使用者也才能真正觉得安心：

　　(a)断电后复电时能够自动恢复，不会造成硬盘录像机不录的问题，也不会损毁硬盘录像资料。

　　(b)具有良好的内部资料夹树状结构，易于寻找录像资料。

　　(c)硬盘资料录满后重复写入时不会造成实际储存位置凌乱，因此资料存取速度永远如新，硬盘使用寿命较长。

　　(d)适合长期、不间断、大量的录像资料储存。

　　(e)寻找、回放录像资料时，不会造成录像帧数减少的问题。

　　至于硬盘方面，许多硬盘录像机都只强调其可支援或内建的硬盘数目，事实上，良好录像质量(如可辨识人脸或车牌)的压缩比愈高，硬盘容量需求愈低，许多低压缩比的产品为了达到录像储存的时间要求，只好在机内建4个甚至更多硬盘，如此反而造成散热不良，降低系统稳定性，缩短产品与硬盘寿命，造成严重的售后维护问题。

　　至于内建硬盘的方式则大致可分为下列三种：

　　(1)前端热插拔(HotSwap)

　　热插拔的好处是不需关机即可以更换硬盘，而且由前方容易更换，然而热插拔也有不少缺点，包括热插拔盒容易故障，换修率高，且硬盘兼容性较差，无法使用所有型号硬盘等。

　　(2)前端置换(Removable)

　　前端置换的好处是由前方更换容易，且置换盒几乎不需换修，硬盘兼容性也极为良好，唯一的缺点是必须关机才可更换硬盘。

　　(3)纯内建式(Internal)

　　纯内建式唯一的好处是硬盘兼容性极为良好，缺点则是必须关机、打开上盖才可更换硬盘，在许多安防环境里，这肯定是一件极为麻烦且容易出错的作业。

　　录像资料备份

　　录像资料的备份虽然不是每个案例所必需，却仍然是硬盘录像机的重要功能之一，其作法相当多元化，使用者应根据其需求选择。

　　(1)内建光驱

　　一般说来，这种作法的好处是备份效能、光盘兼容性都比较好，缺点则是成本较高，尤其每台硬盘录像机的光驱无法共享，且维修较为不易。另外，使用者最好确定内建的是DVD光驱才比较好。

　　(2)外接USB界面

　　这种作法的好处是可支援多种储存设备，如U盘、DVD光驱等，成本低且维修容易。不过许多产品以外接USB1.1的方式实在是速度太慢(12Mbps)、兼容性太差、也太落伍了，只能勉强用于低资料量的偶尔备份而已，也因此国外专业大厂的硬盘录像机都已转而支持速度为480Mbps的USB2.0，以符合安防产业对备份效能与光盘兼容性的需求。

　　(3)FTP服务器

　　部分产品提供FTP服务器(报警)影像备份功能，这种作法的好处是仅于需要时备份报警影像，提供使用者多一层的安全防护，缺点则是硬盘录像机必须连接网络。

　　(4)NAS(NetworkAttachedStorage)

　　部分IT厂商推出的硬盘录像机提供NAS影像备份(甚至储存)功能，不过这种作法不但增加成本，且过度依赖网络，如果网络需支持其他用途，则更会造成网络传输问题。

　　(5)远程监控PC备份

　　目前几乎所有硬盘录像机都会提供远程监控的功能，因此使用远程监控PC备份影像也不失为一项相当方便的方式，不过远程监控PC最好仅止于备份影像就好，使用者也需要考虑网络带宽的问题，否则也难免发生如同NAS所遇到的问题。事实上，这也是为什么网络摄像机与VideoServer经常发生安装后使用者才发现无法达到其录像需求的原因所在。

　　硬盘录像机技术总结

　　目前，DVR的技术发展方向有三个，即智能化、集成化、网络化。要预测嵌入式DVR的技术发展趋势，首先要了解嵌入式DVR主要采用的技术方案。市场上常见的嵌入式DVR采用的技术方案大多由四个重要部分组成，分别是：嵌入式软体/硬体技术;硬盘管理技术;算法技术;网络技术。

　　1、嵌入式软件/硬件技术

　　嵌入式DVR的核心器件与PC类似，都是采用高性能的中央处理器CPU，兼容标准不同，功能各异，今后随着芯片技术的进一步发展，MIPS+DSP或者是ARM+DSP技术会更加适合嵌入式DVR。

　　操作系统：目前市面上的嵌入式DVR采用的操作系统主要分为三类：第一类为厂家自己开发的简单RTOS;第二类为商业化的专用嵌入式操作系统，如VXWORKS/WinCE;第三类为源代码开放的LINUX操作系统。RTOS最简单高效，但其扩展性比较差，复杂功能实现比较困难;第二类操作系统有很好的系统特性，但其扩展性不是很好，许多功能扩展依赖第三方，且许可费用也比较高;第三类LINUX操作系统采用开放性的架构与模块化设计，可针对应用量身定做，去除与监控无关的多余功能，而且，LINUX支持多人、多工工作，只需要很少的硬件支持，这样的系统，效率更高，出错的机率更低。其可靠性经过验证，可以用在关键任务和场合的多应用操作系统，因特网使用的WEB服务器，都是24小时连续运行，其中绝大多数都是使用LINUX操作系统。他也是专门针对网络的应用推出的系统，所以它支持的网络协议很多，在相关软件的支持下，可实现WWW、FTP、DNS、DHCP、E-mail等服务。而且其内核代码完全公开，可以任意开发、更改。这样的特点使得全世界已超过千万人使用Linux，更由于许多厂商投入开发核心程序、发展相关软体以及硬件周边驱动程序，使Linux功能和完整性日益壮大。因此采用LINUX的操作系统也是大势所趋。

　　2、硬盘管理技术

　　嵌入式DVR硬盘管理系统分为两类，一是与PC机相同的FAT格式管理系统，第二种是嵌入式DVR生产厂家自行开发的，适合存储媒体数据流的硬盘管理系统。前者的优势在于无需投入研发成本，可以利用现成的PC技术。但此系统无法管理大数据包，只能进行分包，将一段完整的录像，分为若干个小的文件包，因此容易产生包与包之间丢帧现象;同时硬盘磁头需要频繁地读写数据与文件索引，磁头频繁跳动，对于每天十几到二十四小时连续读写硬盘的DVR系统，极容易造成硬盘故障;而如果硬盘录满后，需要删除整段文件，但新录制的文件与老的文件大小不同，由此会在硬盘上产生大量碎片空间，影响硬盘的使用和系统效率;另外，FAT文件系统用做录像机录像资料管理还存在两个风险，一是文件分配表如果损坏，则录像资料大多会丢失，二是系统突然断电或遭到人为破坏，当前的录像数据不能够保存。

　　而第二种方式就可以从根本上修正上述的问题。因而从嵌入式DVR硬盘操作系统的发展方向看，长时间稳定录像采用第二种方式可以大幅度提高硬盘录像机的可靠性。但专用的文件系统需要专业公司具备相当的开发硬盘文件系统的能力与经验，目前国内只有少数几个厂家拥有该项技术。如浙江大华生产的所有嵌入式DVR都采用自行研发的文件管理系统，更采用硬盘休眠技术，延长了硬盘的使用寿命。今后如果要在嵌入式DVR立足，也必定要将专用文件管理纳入到研发的日程当中。

　　3、算法技术

　　在算法上，MPEG-IV的成熟应用及H264的应用扩大必将成为趋势。MPEG-IV产品的开发商越来越多，使得它成熟度愈来愈高。而H264因其更切合网络传输的要求成为主流。

　　今后，为了使嵌入式DVR具有更广泛的适用性，各种算法的统一将是未来发展的趋势，但这种统一不是以国内哪个企业的标准为标准，需要广泛的政府职能部门与DVR产业链上的各类企业的广泛参与。

　　4、网络技术

　　新一代的嵌入式DVR已经具备与PC机相同的网络特性，今后的网络技术发展将使嵌入式DVR可以满足不同网络环境下图像传输要求。嵌入式DVR的网络技术正朝两个方向发展：一是专网技术条件下开发满足保安监控需求的高品质的网络录像机，其技术要求实时、清晰、可靠、组网灵活、分散存储、多级管理，其最终发展目标是取代模拟光缆条件下的图像传输市场;第二个网络技术是公网条件下的网络传输解决方案，由于公网网络传输条件差，因此为了最大限度保证在公网图像传输的QoS，需要采用多种新的网络和图像压缩传输技术，如流媒体技术等。

　　综上所述，随着网络技术、识别技术、微电子技术、编解码技术、操作系统技术等的发展将使得嵌入式DVR向着智能化、集成化、无线化、高清晰化、个性化、互动化发展，今后更加开拓自动跟踪、特定目标跟踪、特定目标识别、摄取、处理等功能。

　　而民用高清晰录像系统的发展将会影响嵌入式DVR的技术发展方向。由于民用高清晰录像市场巨大，前景广阔，国内外大的公司都在此投入人力物力，以期待取得突破性进展，如果在不久的将来，高清晰度影系统广泛普及，其技术及标准也会为视频监控系统所使用，变成数字监控系统的事实标准。DVR生产企业正密切关注高民用清晰视频发展，并不断探索将其技术应用到保安监控领域的可能性。