全媒体制播技术中的硬盘录像机及实现方法

硬盘录像机（Digital Video Recorder），即数字硬盘录像机，相对于传统的模拟视频录像机采用硬盘进行录像，也被称为DVR。

硬盘录像机采用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，得到广泛应用。

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。

1.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四片视频处理芯片（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，无论有多少路视频信号轮流切换到其输入端，其25帧/s的“总资源”是不能变的，因此对这种形式的硬盘录像机来说，每路画面的最大平均帧率仅为25/16=1.56帧/s（理想值）。

上述结构的改进型产品增加了视频采集的通道数（如在一块卡上集成有4个采集通道），从而可以对多路视频输入信号在每一个采集通道进行并行采集，这就相当于增加了显示及录像的“总资源”数（多路轮换加多通道采集）。例如，某厂家采用两块8路采集卡来实现16路信号采集，使DVR的“总资源”达到160帧/s。

2.基于PC结构的准嵌入式硬盘录像机

前面所介绍的基于PC插卡的硬盘录像机没有脱离PC体系：PC的外观、PC的体系结构、PC的操作系统、PC的界面……因而它可以被认为是一种PC的扩展应用，只要退出硬盘录像应用程序（或者将应用程序置于后台运行），这台硬盘录像机就是一个标准的PC了，用户可以方便地在MS Office环境下进行文档编辑、报表统计等操作……然而，正因为如此，这种结构的硬盘录像机很容易被病毒侵袭而致使系统瘫痪；也可能会由于硬件兼容性问题或是由于系统软件的某些BUG而致使系统宕机；更有甚者，甚至可能因系统管理人员的自身问题（例如操作人员将录像程序置于后台运行而在前台玩游戏）并因为某些误设置、误操作而致使录像系统无法使用。

3.嵌入式DVR

这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是完成整机的控制及管理。此类产品没有PC式DVR那么多的模块和多余的软件功能，在设计制造时对软、硬件的稳定性进行了针对性的规划，因此此类产品品质稳定，不会有死机的问题产生，而且在音视频压缩码流的储存速度、分辨率及画质上都有较大的改善，就功能来说丝毫不比PC式DVR逊色。嵌入式DVR系统建立在一体化的硬件结构上，整个音视频的压缩、显示、网络等功能全部可以通过一块单板来实现，大大提高了整个系统硬件的可靠性和稳定性。

4.硬盘录像机的核心技术

DVR的技术发展方向有三个，即智能化、集成化、网络化。硬盘录像机的核心技术包括嵌入式软件/硬件技术、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：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，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，出错的概率更低。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。它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、发展相关软件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。前者的优势在于无须投入研发成本，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。

（3）算法技术(www.xing528.com)

在算法上，MPEG-4的成熟应用及H.264的应用扩大必将成为趋势。MPEG-4产品的开发商越来越多，使得它的成熟度愈来愈高。而H.264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。

（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。

5.实例

一种实际应用于电视节目录播的硬盘录像机的前面板如图3-35所示。

图3-35　硬盘录像机前面板

R1按钮表示录制模式，P1和P2按钮表示播放模式。录制节目时，先按R1进入录制模式，然后按下红色的圆形按钮，停止录制时按下蓝色的方形按钮。可以通过1394线或者USB接口导出视频。视频文件相对较大，所以导出视频文件时建议使用移动硬盘，尽量不要用U盘。

硬盘录像机也可以通过可视化应用工作站来进行操作，即利用显示器、键盘、鼠标来完成视频的录制、播放和导出。点击显示器桌面上的AppCenter图标进入硬盘录像机应用界面。

AppCenter有两个模式，点击菜单栏上的View可进入Workstation和Front Panel两种控制模式。

控制条按钮如图3-36所示。可将需要播放的视频拖拽入P1和P2进行播放。

图3-36　控制条

视频默认存储位置为V：/default。导出视频可以用移动硬盘直接拷贝，或者通过AppCenter选中需要拷贝的视频，右击出现菜单，点击send...发送至移动硬盘。

硬盘录像机以硬盘存储器为核心，输入信号通过输入电路、录制通道记录存储在硬盘中，播放信号从硬盘中读出并通过播放通道、输出电路输出，如图3-37所示。

图3-37　硬盘录像机电路框图