嵌入式数字硬盘录像机优化方案

2010年国内嵌入式DVR的产量达到约210万台，产值约为42亿元，其市场容量比2009年增长约30%。目前，国内嵌入式DVR与PC式DVR的市场份额比例约为3∶1，即嵌入式DVR的市场份额在75%左右。其主要厂商中海康威视以绝对领先的技术实力和市场规模成为了当之无愧的“带头大哥”。

嵌入式DVR是基于嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统的嵌入式系统，它采用专用芯片对图像进行压缩及解压回放，嵌入式操作系统主要完成整机的控制和管理。

嵌入式数字硬盘录像机是脱离PC架构的DVR，主要有准嵌入式DVR、基于DSP的嵌入式DVR和基于ASIC的嵌入式DVR几种形态。嵌入式DVR是为解决PC插卡式DVR引起的死机及存储图像混乱等问题而采用硬件作压缩与解压缩开发的DVR产品。

嵌入式DVR在稳定性和处理能力方面具有较强的优势。典型的基于DSP的嵌入式DVR主要有模-数转换、图像处理及压缩、CPU及内存、存储设备、外设驱动、网络接口、串行接口、模拟视频分割显示、视频切换及报警接口等功能模块。从前端模拟摄像机传来的视频信号，一部分可以通过环通输出到普通的模拟监视器上，另外一部分则经过模-数转换之后送交DSP芯片进行图像处理和压缩，再通过CPU写入到存储设备当中，数字化的视频信号也可以通过网络传输到远程的客户端。录像回放时，则通过CPU在存储设备中读取相应的数据，并经数-模转换之后显示到模拟监视器上。嵌入式网络型硬盘录像机内置小型网络操作系统，具有网络地址、网关、子网掩码等，并且具备本地及远程网络监控和录像能力。

（一）嵌入式数字硬盘录像机的技术指标

嵌入式DVR具有使用嵌入式RTOS，软件固化在Flash中，不可修改，具有结构简单紧凑，体积小等特点，其技术性能指标也较普通DVR有更高标准。

视频参数：包括视频输入和视频输出，PAL制（625线/帧，25帧/s），NTSC制（525线/帧，30帧/s），复合视频输入或输出口采用BNC接口（1V_P-P，75Ω）；

音频参数：包括音频输入和音频输出，音频输入与输出口采用莲花头；

压缩算法：视频压缩算法常采用H.263、H.264、MPEG-4、AVS等，音频压缩采用G.722等；

图像分辨率：包括实时显示分辨率、VGA输出和视频压缩（CIF、2CIF、4CIF、HD1、D1、百万像素等）；

录像清晰度：HD1（704×288）、CIF（352×288）等；

操作系统：嵌入式实时操作系统（RTOS）；

硬盘接口：PATA、SATA；

I/O接口：RS485，报警输入/输出；

网络接口：10M/100M自适应以太网端口；

运行环境：工作温度为-10～+55℃、工作湿度为10%～90%；

供电要求：AC-90～135V或AC180～265V，47～63Hz。

（二）嵌入式数字硬盘录像机的主要功能

嵌入式数字硬盘录像机采用高性能嵌入式实时操作系统（RTOS）和嵌入式处理器，完美地实现了构建监控系统所需要的各种功能。代码固化在Flash中，系统更加稳定可靠，不受诸如病毒等外界因素的干扰，可以在恶劣的环境下以及无人值守的情况下长时间稳定工作。其具备丰富的系统设置功能，如本地显示、图像设置、录像设置、网络设置、串口设置、用户管理、解码器、报警量设置等功能，如图3-16所示。

（1）压缩功能：支持PAL/NTSC制式视频信号。视频压缩采用H.263、H.264、MPEG-4、AVS等压缩技术，支持变码率和变帧率等。可设定视频图像质量和视频图像的压缩码流。

（2）网络功能：DVR不仅提供以太网接口，还提供配套的集中监控管理系统软件。支持TCP/IP方式（支持ARP、RARP、IP、PPPoE、DHCP等），支持宽带拨号上网（PPPoE），同时支持掉线自动重拨，支持DNS域名解析。完备的网络端控制命令，可使用客户端管理软件控制及设置DVR的网络功能。用户可通过客户端软件或IE浏览器实时浏览视音频信号，还可控制云台和视频点播等。如图3-17所示为某型DVR的网络功能设置。

图3-16 某型嵌入式DVR的功能设置界面截图

（3）录像功能：支持手动录像、定时录像、移动侦测录像、报警录像及检索。探头报警录像功能支持单个探头报警联动单路或是多路通道进行录像。管理主机（监控中心）可通过网络实时记录压缩码流，支持借助网络将图像、声音同步直接输入计算机。可实现一至十六路的视音频全实时同步录像，每路视音频录像参数均可单独设置。

图3-17 某型嵌入式DVR的网络设置界面截图

录像文件管理方式主要有数据流和文件打包两种形式。数据流方式下，录像是完整的，可任意截取、任意放置，而且停电时停到哪就录到哪，在存储的可靠性上表现更好。但是，在采用数据流的方式下文件是不能直接被计算机识别的，它需要经过一个专业软件转换格式之后才能被计算机识别。打包方式下会形成很多个小文件，对磁盘来说来回读写损耗会比较大，停电时它可能会丢掉某一个包，而且采用打包方式出错之后，如果正好出错在关键信息上，那整个文件都可能乱套。但是文件打包方式的文件可以在计算机上直接播放。

（4）回放功能：支持本地回放与网络异地回放功能。本地回放可精确时间定位放像、手动录像内容检索放像、定时录像内容检索放像、移动侦测录像内容检索放像、报警录像内容检索放像。支持画中画放像、支持实时监看与放像同时显示，并且不会对录像内容产生影响、支持快放、慢放、倒放、暂停、帧进等回放模式，可按时间回放时定位准确。

（5）实时监看监听功能：支持对每个通道视频参数（亮度、对比度、饱和度、色度）的调节。支持录像回放与实时监看同时进行、支持画面轮巡功能，可以根据需要自由设置是否启用轮巡以及轮巡间隔时间。

（6）存储备份功能：具有强大的硬盘管理功能，支持对硬盘的格式化，系统可自动实现硬盘休眠功能。支持正常运行状态下对硬盘进行格式化，硬盘上文件可以选择循环记录和非循环记录。支持本地备份到嵌入式硬盘录像机，可通过SATA硬盘实现开机热备份（支持开机状态下热插拔硬盘、支持远程备份），通过客户端管理软件备份录像机中的所有录像内容。嵌入式DVR专用硬盘与普通PC硬盘不尽相同，见表3-7。建议用户采用Seagate SV35系列和WD RE系列等硬盘作为嵌入式DVR的专用硬盘。

表3-7 嵌入式DVR专用硬盘与普通PC硬盘的比较

嵌入式DVR硬盘管理系统分为FAT格式管理系统和嵌入式存储媒体数据流的专用硬盘管理系统。前者可利用现成的PC技术，但FAT格式管理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，但这样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。当硬盘录满后，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：一是如果文件分配表损坏，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。嵌入式专用硬盘管理系统可从根本上修正上述的问题，其可大幅度提高硬盘录像机的可靠性。如浙江大华公司生产的所有嵌入式DVR都采用自行研发的文件管理系统，也采用了硬盘休眠技术，延长了硬盘的使用寿命。

（7）报警侦测功能：可实现视频丢失报警、移动侦测报警、探头触发报警、硬盘无空间提示、视频异常检测、磁盘错误扇区检测。报警后系统会自动开启录像功能，并通过报警输出功能开启相应射灯，警号和联网输出信号。图像移动侦测是DVR的主要报警功能。

（三）嵌入式数字硬盘录像机的连接

传统嵌入式数字硬盘录像机端口有S端子、BNC接口、VGA接口等，为了与高端监控显示器相连接，部分嵌入式DVR还具备了HDMI接口，如图3-18所示。

图3-18 嵌入式数字硬盘录像机端口

一些重要端口说明：(www.xing528.com)

Video IN：摄像机视频输入端；LOOPING：视频环通输出，摄像机视频输出端；Video OUT：DVR本机视频输出端；RS-232：PC串口和设备间点对点通信端口；RS-485：摄像机PTZ控制端口；VGA：本机DVR视频输出，接VGA显示器。

（1）视频连接：主机背面板的视频输入接口数量（或视频信号输入路数）是由主机型号的决定的，一般配有一个视频输出口。输入/输出接口均使用BNC连接器，且全部为标准复合视频信号。

（2）音频连接：主机背面板的音频输入接口数是由主机型号决定的。输入/输出接口均使用莲花头连接器。音频输入阻抗为10kΩ，音频输出阻抗为1kΩ。

（3）VGA连接：主机背面板提供了一个标准的VGA输出接口，应用于需要高分辨率显示输出的场合。

（4）以太网连接：主机配备一个10M/100M自适应以太网端口用于主机与计算机网络的连接，指示灯ACT和LINK用于显示当前的网络工作状态。

LINK（网络速率指示灯）：亮代表100M，灭代表10M；

ACT（收发数据指示灯）：闪烁代表有数据收发。

（5）报警输入/输出连接

报警输入：输入阻抗为22kΩ，窗口比较电压为3.0～4.18V（说明：测量GND与报警输入之间的电压，如果为3.0～4.18V，主机将不会报警。如果电压为0～3V，或者为4.18～12V，主机会报警）。

报警输出：继电器节点输出AC120V/1A，最大转换电压为AC250V/DC30V，最大转换电流为7A，正常（继电器断开），报警（继电器闭合）。

报警探头的连接有常闭和常开两种连接方法。

感应探头使用常闭输出触点连接，如图3-19所示。电阻与感应探头处于串联状态，即电阻、DVR电源的正极（+12V）、DVR报警输入端口、感应探头正极与感应探头报警输出之间相串联并处于连通状态，这时感应探头里面的线路处于连接（即闭合）状态。此时GND与报警输入端口电压为3～4.18V，当对外界有感应时线路断开，实现报警状态，并立即重新闭合等待下一次的感应。

感应探头使用常开触点时，如图3-20所示。电阻与感应探头之间处于并联状态，此时电阻与DVR电源正极（+12V）及报警输入端口直接相连，而感应探头电源输入口、感应探头报警输出与电源正极（+12V）及DVR报警输入口相串连，此种情况感应探头里面线路处于断开的状态，GND与报警输入端口电压为3～4.18V，当探头有感应时，感应探头立即闭合，实现报警状态，并立即重新断开等待下一次的感应。

图3-19 感应探头使用常闭输出触点

图3-20 感应探头使用常开触点

报警输出的接法，以12V报警器的连接方法为例，如图3-21所示。

（6）RS-485连接：主机配置标准的RS-485接口，用于控制外接的云台解码器及摄像机。

图3-21 报警输出的接法示意图

（四）如何选用数字硬盘录像机

区分数字录像机（DVR）的优劣，可以从录像速率、储存容量、画面清晰度、操作使用方式等来做判断。速率快、容量大、清晰度高三项指标是互相制约的，选用时不能只要求其中一项最好或要求三项同时都达到最好。同时设备的操作使用是否简便也应是选择时重点考虑的因素。DVR性能评价指标如下：

1.录像速度

全实时状态下DVR的单路录像速度（帧率）为25帧/s（PAL制式）或30帧/s（NTSC制式）。如果同时记录16路图像，每路的速率只有每秒25/16张（PAL制式）。在多路录像时，DVR可以采用图像位移检测的方式大幅度提高录像速度，使活动图像的记录速度接近全实时，这比没有图像位移检测功能的录像机快出许多倍。图像位移检测录像是指全画面压缩记录有图像位移的摄影机全画面，而不是只压缩记录每路摄影机图像中有图像位移活动的部分。

录像速度是用帧率（Frame rate）表征的，帧率是指每秒显示帧数FPS（Frames Per Sec-ond）。人眼视觉暂留是指肉眼所看画面的帧率高于16时认为画面是连续的现象。帧率可以影响视频效果，也会影响视频存储容量，帧率越大需要的存储空间也越大。

2.储存容量及备份

存储容量一般越大越好，可采用接口连接外部数字储存设备，进行图像数据的备份，只有经常进行备份，才能保证有价值的图像能够被安全地保存下来，并方便进行传输。

3.图像质量

图像质量是评价数字硬盘录像机质量的核心问题。模拟的视频图像信号输入到DVR变成数字信号后，经压缩、存储、再经解压缩，其转换的优劣及转换的速度，可以从图像的清晰度、灰度、色彩还原、实时性能等多个方面加以评价，其中清晰度是评价图像质量的最重要的指标。DVR的清晰度可以分成显示清晰度、录像清晰度和回放清晰度，一般显示清晰度>录像清晰度>回放清晰度，回放清晰度能表达DVR的录像和回放的总效果，清晰度评价的度量标准主要为两个方面：图像的分辨率与画质。

（1）图像分辨率：图像分辨率是指一幅图像能分解成由多少个像素所组成，国际标准是按其水平和垂直的像素点的乘积来表征的，如720×576。图像分辨率即采集卡所能采集视频的分辨率，用于衡量视频数据量多少的一个参数。最常见的图像格式有QCIF、CIF、4CIF、16CIF等。QCIF（Quarter Common Intermediate Format）是常用的标准化图像格式。几种CIF图像格式的参数说明见表3-8。

（2）画质：对于同样的图像分辨率，由于应用的压缩方式和/或压缩数据速率的大小的不同，造成图像的大面积对比度和小面积对比度的不同，这样人们肉眼所能观察到的图像效果也有所不同，这就是我们所说的图像的画质。

表3-8 几种CIF图像格式的参数比较（PAL制式）

图像清晰度的高低直接反映了DVR的品质，但是从技术原理上来说，清晰度越高，占用的储存容量就越大，所以要让用户根据实际情况来调节清晰度的高低。

4.操作简便与否

操作使用是否简便最终决定了产品在实际应用中的适应性，为了提供友好的人机界面，可采用人性化的键盘，简化日常的操作使用，或者增加计算机网络接口功能，顺应网络发展需要等。