基于DVR的网络化家庭视频监控系统

为了免除越来越多的城市白领阶层对家人健康和家庭财产安全的后顾之忧，基于数字视频录像机DVR的网络化家庭监控系统应运而生，它可使得你无论身在全球何处都可以通过互联网和全球移动通信系统随时监控家庭的安全环境。本文基于TI公司专门为视频处理而开发的TMS320DM642芯片具体说明网络化数字视频监控系统实现的技术挑战和开发要点。

手机和MP3播放器今年增速最快。(VPM642原理框图)

视频监控是通过获取监控目标的视频图像信息，对视频图像进行监视、记录、回溯，并根据视频图像信息人工或自动地作出相应的动作，以达到对监控目标的监视、控制、安全防范、和智能管理，已被广泛应用于军事、海关、公安、消防、林业、堤坝、机场、铁路、港口、城市交通等众多公众场合，随着技术的进步和成本的降低将逐渐普及到家庭安全防范和娱乐应用。

早期的视频监控是以摄像机、监视器(电视机)组成的纯模拟的视频监控系统，称为闭路监视系统。其特点是一个摄像机对应一台监视器(电视机)的监视，只能监控范围很小的区域。

随后出现了视频切换设备，改变了摄像机和监视器(电视机)的1对1的方式。并且随着单片机技术的不断完善，闭路监视系统加入了多路视频切换、摄像机云台/镜头控制、和报警联动等数字控制功能，实现了数字控制的模拟视频监控系统。

到了九十年代，随着计算机多媒体技术、通信技术的长足进步，人们开发出了视频捕捉卡，并将其与PC机结合，出现了数字视频监控系统。并且随着视频压缩编码技术、和网络通讯技术的发展，基于PC机的数字视频监控系统功能更加完善和丰富。但是其系统的可靠性和稳定性均存在一定的问题，而且其成本昂贵。

图2：TMS320DM642视频口与视频编解码器的接口。

直到本世纪初，随着以TI公司的TMS320C6000系列、Philips公司的Trimedia、Equator公司的BSP-15等为代表的高性能DSP的出现，由嵌入式处理器来实时完成高速、大数据量的视频/音频编解码处理成为可能，结合网络通讯技术，使集可编程图像/声音编解码、本地存储、网络传输、和自动化技术为一体的嵌入式数字视频监控系统应运而生。以DSP为核心的嵌入式数字视频监控系统，配合嵌入式实时操作系统，可以以应用为中心，根据应用对功能、可靠性、稳定性、成本、体积等的综合要求，对软／硬件进行裁剪，以满足视频监控发展的二大需要：数字化和网络化。

DVR正是在数字视频监控系统基础上发展起来的，DVR采用数字音/视频压缩/解压缩的编解码技术，用硬盘来本地储存经压缩编码后的数字音／视频数据流，用网络来远程传输经压缩编码后的数字音/视频数据流和控制信息，集图像画面分割、多路视频切换、录/放像机等功能于一体。硬件上还可连接传感器、警报器、云台和镜头控制器等，实现监视范围的搜索和目标锁定，以及环境监控和报警输出；软件上还可增加图像移动侦测、特征提取等辅助功能，以满足某些特定应用的需求。

目前，DVR可按产品的结构分为基于PC的DVR和嵌入式DVR二种，这二种DVR产品各有优缺点。基于PC的DVR经过多年的开发和应用，功能日趋完善、产品日趋成熟，并可充分利用PC机上丰富的软／硬件资源。但PC机所采用的Windows操作系统为非实时操作系统，并且易受病毒攻击，影响了系统的可靠性和稳定性，另外其昂贵的成本，使其难于普及到家庭使用。嵌入式DVR，没有了PC机强大的软／硬件资源的支持，其产品的灵活性和功能的丰富性受到一定程度的限制，但随着近年来芯片技术的不断发展，嵌入式DVR的功能日益丰富、产品日益成熟，加之嵌入式DVR固有的稳定性和低成本，越来越被人们接受，尤其在家庭普及应用中。

DVR的核心技术

DVR目前仍处于不断的发展之中，它所涉及的基本技术包括：数字音/视频压缩/解压缩编解码技术；操作系统支持；海量、高可靠本地存储；网络通信等。后二者为整个IT产业的技术大背景，而前二者则是DVR产品设计者必须面对和需要解决的技术核心。

模拟视频信号数字化后，产生大量的数字视频数据流，如果直接将这些原始的视频数据进行存储和网络传输，则对存储器的存储容量和存/取速度，及网络传输的带宽必将提出严苛的要求，这不仅在技术上难于实现，而且在成本上也难于接受。所以必须对原始的视频数据进行必要的压缩处理。在保证图像质量的前提下，压缩比越高，系统的性能也就越好。由此可见，视频压缩技术是DVR产品最核心的技术。

视频压缩技术从其实现来分，可分为帧内压缩和帧间压缩二种。帧内压缩技术是将连续变化的视频图像分解为一幅一幅单独的帧，对这些单独的帧进行压缩。而帧间压缩技术则比较前后帧之间的差异，并只对帧间不同的部分进行压缩。由于连续变化的视频图像，其前后帧之间具有一定的相关性，相关性越大，帧之间的差异也就越小，需要进行的压缩处理也就越少。由此可见，帧间压缩的性能和效率远远优于帧内压缩，尤其是在图像画面变动较小的情况下，帧间压缩能提供相当大的压缩比，并且还能保证相当不错的图像质量。

对帧内和帧间不同的压缩处理，形成了许许多多不同的压缩技术或标准，在DVR产品中最常用的压缩技术有：M-JPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.263和H.264等。MPEG-x和H.26x分别是由ISO/IEC和ITU-T制定的二大视频编码国际标准，它们共同追求的目标是在尽可能低的码率(或存储容量)下获得尽可能好的图像质量。ITU-T的H.26x标准更注重使压缩标准的输出码率满足不同通信信道的传输特性。为了满足日益增长的视频网络传输要求，ISO/IEC和ITU-T二大国际标准化组织联合制定了视频编码新标准H.264。

不同的压缩技术，其处理的复杂度不同。复杂度越高，压缩比也就越大，计算量也就越大，对处理器的性能也就越高。下面分别对这几种视频压缩算法作一简单介绍。

MotionJPEG是一种基于静态图象压缩技术JPEG发展起来的动态图象压缩技术，可以生成序列化的运动图像。其主要特点是基本不考虑视频流中前后帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩。M-JPEG压缩技术可以获取清晰度很高的视频图像，而且可以灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数。因其压缩后之格式可读单一画面，所以可以任意剪接。M-JPEG因采用帧内压缩方式也适于视频编辑。