硬碟錄影機

錄像機是閉路電視監控系統中不可或缺的設備，它可以將監視現場的畫面實時、真實地記錄下來，並可方便地於事後檢索查證，為案件偵破提供重要的線索與證據。

隨著數字壓縮技術以及大規模積體電路技術的發展，數字硬碟錄像機（DVR）在電視監控行業內得到了迅猛的發展，僅有能力自行研製或生產DVR的國內廠家就已遠遠超過了百家，並且，各家DVR的結構與實現方式也不盡相同。
數字硬碟錄像機的迅猛發展主要得益於其自身的機械結構簡單，採用了高精密封裝的大容量硬碟作為記錄設備，因此，只要在計算機擴充槽中插入圖像採集卡，再配上相應的系統軟體及套用軟體，就實現了傳統磁帶錄像機的所有功能。特別是隨後出現的嵌入式硬碟錄像機結構更加緊湊，性能更加穩定，幾乎成了傳統時滯錄像機的終結者。
硬碟錄像機的實現 硬碟錄像機有多種實現方法。從系統結構上來說，有PC插卡型或嵌入式一體機型；從所用的核心晶片來說，有的是基於數位訊號處理器（DSP），而有的是基於專用積體電路（ASIC），其中基於DSP的結構又分為不同的系列，它們因選用不同廠家的DSP而異；而從硬碟錄像機處理視頻的技術（視頻壓縮格式）來說，則有基於Wavelet、M-JPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.263、H.264等視頻壓縮格式的多種不同的機型。另外，無論是PC插卡型還是一體機型，即使它們所用的晶片相同，其套用軟體的界面與功能也不盡相同。
基於PC插卡的硬碟錄像機 最早的硬碟錄像機是PC插卡型，視頻採集卡主要包括視頻信號的採集、數字視頻壓縮處理和視頻快取等幾部分，其中數字視頻壓縮處理晶片有多種不同的類型（通用DSP或專用ASIC）。隨著CPU、記憶體等核心晶片的不斷升級，計算機的主頻及綜合處理能力得到不斷提高，因而在單卡硬碟錄像機的基礎上進一步出現了多卡多路硬碟錄像機，也即在PC的多個擴充槽中同時插入多塊支持並行處理的單路視音頻採集卡，以實現多路視音頻信號的同時實時採集。由於每一塊卡僅對應於1路信號，因而採集卡的數量可根據視頻信號的路數要求而靈活配置。不過，當在PC中插入多塊卡時，占用的PC資源也相應增加，如CPU及記憶體資源、主機板上擴充槽的數量、主機板電源功率等。因此，當攝像機源數量（即採集卡數量）較多時，這種硬碟錄像機就必須採用具有多插槽工控底板的工控機，並配以大功率電源，並且對CPU的主頻要求也更高。
為了解決多卡套用的資源占用問題，在單卡單路硬碟錄像機問世後不久，有廠家推出了在一塊卡上集成兩片甚至4片視頻處理晶片（DSP或ASIC）的多路視音頻採集卡，因而可以同時實現對兩路信號或4路信號的實時採集與壓縮處理。這種結構實際上是每路視頻信號唯一地對應著一片視頻處理晶片，但是它們共用一片PCI-PCI橋接晶片，因而僅占用一個PC插槽，加上視音頻信號的採集壓縮是由卡上的硬體來實現，因而有效地減少了硬碟錄像對PC資源的占用。 還有一種與上述實現原理不盡相同的基於PC的單卡多路硬碟錄像機：卡上的一片視頻處理晶片就要處理多路輸入信號，因而需採用時分輪換方式對多路視頻信號進行採集，並以M-JPEG壓縮格式進行錄像。雖然M-JPEG的壓縮效率不如基於多幀預測編碼的MPEG-1、MPEG-4及H.264等的壓縮格式高，但由於在單通道輪換採集多路視頻時，相繼幀的畫面失去了相關性（根本不是同一個攝像機攝取的畫面），因而採用基於幀間預測的視頻壓縮算法就失去了意義，只能採用幀內壓縮算法。因此，這種方式的硬碟錄像機是對採集的每一幀畫面獨立地進行JPEG壓縮處理，而後將對應於每一路輸入的各幀畫面形成獨立的M-JPEG檔案。這種方式顯然可以方便地實現多路採集，例如，在不考慮錄像畫面的連續性要求時，就可以方便容納多達16路的視頻輸入，但是對於只能以25幀/s的速率對視頻信號進行採集的視頻處理晶片來說，無論有多少路視頻信號輪流切換到其輸入端，其25幀/s的“總資源”是不能變的，因此對這種形式的硬碟錄像機來說，每路畫面的最大平均幀率僅為25/16=1.56幀/s（理想值）。
上述結構的改進型產品增加了視頻採集的通道數（如在一塊卡上集成有4個採集通道），從而可以對多路視頻輸入信號在每一個採集通道進行並行採集，這就相當於增加了顯示及錄像的“總資源”數（多路輪換加多通道採集）。例如，某廠家採用兩塊8路採集卡來實現16路信號採集，使DVR的“總資源”達到160幀/s。
需要說明的是：由於M-JPEG壓縮算法缺乏幀間壓縮，會導致總的視頻壓縮比小，從而使圖像存儲量加大（這當然會增大硬碟的開銷）。例如：在獲得與MPEG-1圖像質量相當的清晰度時，M-JPEG圖像每幀的位元組數約需6K~20KB，這大約相當於MPEG-1圖像的3~10倍。另外，採用M-JPEG算法的DVR產品很難做到對多路聲音信號的同步記錄，因為JPEG標準本身並沒有對聲音壓縮方法的描述。特別是當因多路輪換而出現錄像丟幀現象時，如何同步聲音更是一個需要考慮的問題。還有，由於M-JPEG並沒有形成統一的標準，而僅是對壓縮方法作了原則性的描述或句法規定，因此實際的M-JPEG標準都是各DVR廠家自行規定並編制的，各廠家的M-JPEG標準並不通用。這就是說，某個品牌的DVR所記錄的錄像檔案一般不能在其他基於M-JPEG壓縮的DVR系統中調用，也不能被諸如Microsoft媒體播放機（Media Player）之類的通用媒體播放軟體來調用，這就限制了不同品牌的多套DVR系統的組網套用。
基於PC結構的準嵌入式硬碟錄像機
前面所介紹的基於PC插卡的硬碟錄像機沒有脫離PC體系：PC的外觀、PC的體系結構、PC的作業系統、PC的界面，……。因而它可以被認為是一種PC的擴展套用，只要退出硬碟錄像應用程式（或者將應用程式置於後台運行），這台硬碟錄像機就是一個標準的PC了，用戶可以方便地在MS Office環境下進行文檔編輯、報表統計等操作，……。然而，正因為如此，這種結構的硬碟錄像機很容易被病毒侵襲而致使系統癱瘓；也可能會由於硬體兼容性問題或是由於系統軟體的某些BUG而致使系統宕機；更有甚者，甚至可能因系統管理人員的自身問題（例如操作人員將錄像程式置於後台運行而在前台玩遊戲）並因為某些誤設定、誤操作而致使錄像系統無法使用。
為了脫離PC體系，有商家推出了一種準嵌入式硬碟錄像機。但從實質上說，這種DVR並沒有真正脫離PC體系，因為它仍然採用了PC的硬體結構：主機板上除了CPU及其他周邊器件外，還集成有顯示卡、音效卡、網卡，也有用於插接視頻採集卡的PCI擴充槽，電源部分也是採用帶有風扇的大功率開關電源。不過，為了使其以專業設備的形式出現於監控市場，機器採用了整體化設計。與前述基於PC的DVR相比，這種準嵌入式DVR充分利用的PC的硬體資源，並有效地考慮了機器的整體空間布局，結構更加緊湊、體積也有效地減小，專門用於實現監控系統中的硬碟錄像。
CIVON即是較早面世的準嵌入式DVR之一，該產品基於微型PC主機板，具有兩個橫置的PCI插槽，最少可插入一塊單路視頻採集卡，最多可插入兩塊4路視頻採集卡，並可掛接一塊PC標準硬碟，因而可以靈活地構成不同路數的硬碟錄像機。
與普通PC一樣，該機也是採用Pentium系列CPU，但是在PC主機板的主引導IDE接口上接入的是一片內嵌了Linux作業系統及應用程式的電子盤。當機器上電時，機器自動由電子盤的Linux系統引導，然後自動啟動硬碟錄像應用程式。通過外接顯示器和鍵盤、滑鼠，用戶可以像操作PC一樣對其進行基本設定（只是機器的作業系統是Linux而非DOS或Windows），一旦設定完畢，顯示器和鍵盤、滑鼠等外設均可去掉。此時，如果聯網的客戶端安裝有配套的硬碟錄像管理軟體，即可以通過網路由客戶端訪問這台DVR，可觀看實時圖像或是調看錄像檔案，還可以對該硬碟錄像機進行其他設定與調整。
基於DSP的嵌入式硬碟錄像機
嵌入式硬碟錄像機徹底脫離了PC結構，採用的是以DSP為核心的整體結構，視頻採集、視頻壓縮處理、網路接口等各功能模組均集成在單一的電路板上。就核心晶片DSP來說，市場上主要有TI公司的TMS320C6xxx系列、Philip公司的Trimedia系列、Equator公司的MAP-CA（BSP）系列和AD公司的ADSP-BF5xx系列等。
DSP本身並不對視頻信號進行採集，因此，對基於DPS的硬碟錄像機來說，一般還需與視頻採集晶片配合使用，如Philip公司的視頻處理晶片SAA7111A等。輸入到DVR的模擬視頻信號（S-Video或CVBS）首先經SAA7111A進行模數轉換和數據格式處理，得到標準的ITU-R BT.656格式的數字視頻流，再送給DSP去處理。
DSP的處理能力一般取決於其時鐘頻率和處理單元的並行度。目前的DSP大都有多個可以並行執行的處理單元，每個執行單元都由算術邏輯運算單元（ALU）、多路器和累加器等組成。
TI公司的TMS320C6xxx 系列 TI公司的TMS320C6xxx 系列即屬於高性能的DSP晶片，該系列可以分成定點和浮點兩大類，綜合了目前DSP的所有優點，具有較高的性價比和低功耗性能。採用該系列中不同型號晶片的DVR的視頻處理能力並不相同，壓縮標準主要為MPEG-4和H.264等兩種，圖像的解析度從低到高依次為CIF、2CIF（DCIF）、D1，其中能處理D1圖像質量的DVR一般均支持4路CIF質量的實時錄像。
Philips公司的TriMedia系列 TriMedia是Philips公司推出的專門用於多媒體視頻、音頻套用的DSP晶片。其中PNX1302即是TriMedia系列中一種具有較高質量數字視頻、音頻套用處理能力的媒體處理器。pnx1500是Philips公司繼PNX1302之後推出的一款功能更為強大的針對音視頻、圖形和通訊等多媒體套用的32位DSPCPU。PNX1500核心帶有一個C/C++可程式的TM3260 CPU，符合併行VLIW結構，其片內獨立的DMA接口可以加速數據處理，而圖像縮放、去交織和2D繪圖等諸多協處理單元則極大地提高了該晶片的多媒體處理能力。
Equator公司的MAP-CA系列 Equator公司推出的高速寬頻DSP系列晶片MAP-CA又稱作寬頻信號處理器（BSP，Broadband Signal Processor），它可以在300MHz的高速時鐘下工作，處理能力達到30 GOPS（Giga Operations Per Second，即每秒300億次整數運算），約相當於Pentium III處理速度的6.4倍，主要用於高性能、大數據量的寬頻視頻套用，如嵌入式硬碟錄像機（DVR）、嵌入式網路視頻伺服器（DVS）以及數字機頂盒、數位電視、視頻會議系統、醫療圖像產品等。這裡，MAP-CA是Equator公司MAP系列超長指令字VLIW（Very Long Instruction Word）處理器中的一種，其最新的MAP-BSP-15的工作頻率進一步提高到400MHz，使數據處理能力達到40GOPS（針對視頻編碼）。MAP-CA主要包含一個超長指令字處理器核心、一個可程式位流協處理器（The VLx）、視頻濾波協處理器、顯示刷新控制器和豐富的數字I/O接口等。MAP-CA支持各種用軟體實現的視頻、圖像以及信號的壓縮和解壓縮，這種軟體實現的算法相對硬體實現有很大的優越性，升級非常方便。
ADI公司的ADSP-BF5xx系列 ADI公司的ADSP-BF5xx處理器是在其Blackfin系列處理器的基礎上發展起來的。其中Blackfin系列處理器核心的多個功能塊可以支持8/16/32位整數型數據和16/32位分數型數據，特別是其中的4個8位視頻算術邏輯單元（ALU）可以定址包括MPEG-2、MPEG-4和JPEG在內的若干多媒體算法，使一個處理器可以同時處理音頻、視頻、圖像和數據四種信息。而Blackfin系列的升級型產品ADSP-BF533、ADSP-BF532和ADSP-BF531不僅繼承了Blackfin系列產品容易使用和代碼兼容的優點，還顯著提高了性能並且降低了功耗。這三種新處理器的引腳完全兼容，不同之處僅在於其性能和片記憶體儲器的容量差別，系統性能易於升級並且減少新產品開發中的許多風險。
ADSP-BF533具有600MHz時鐘頻率和1.2GMACS（每秒十億次乘法累加運算）運算速度，非常適合於嵌入式視頻和寬頻接入網關套用。
基於ASIC的嵌入式硬碟錄像機 ASIC即Application Specified IC，也即專門為套用目的而定製的積體電路，因此，基於視頻ASIC的硬碟錄像機結構更加緊湊，性能更加完善。不過，由於ASIC的結構往往需要參考新型算法在DSP上的成功移植，因此，就同一壓縮格式（如H.264）的硬碟錄像機的面世時間來說，基於ASIC的DVR一般都是晚於基於DSP的DVR。
SM2210即是Stream Media公司推出的一款實時MPEG-2視頻編/解碼晶片，它兼容於ISO/IEC-13818的MP@ML、SP@ML和MP@LL標準，並具有良好的接口特性，因此，SM2210在保證高質量圖像處理的同時，可以方便地與飛利浦公司的視頻編解碼晶片及Flash和 SDRAM存儲器等周邊器件相接。在編碼方式時，SM2210接受符合ITU-R 601或ITU-R 656格式的數字視頻信號輸入，並首先對其進行4:2:2至4:2:0格式的轉換，然後對該數字視頻信號進行可程式的預濾波，再然後進行實時數字編碼，形成按MPEG-2 MP@ML格式壓縮的比特流，其幀結構可以是IBBBP、IBBP、IBP、IP或單I幀。用戶也可自行定義量化矩陣，自行選擇圖像的有效區域。在解碼方式時，SM2210接受MPEG-1、MPEG-2格式的比特流並進行解碼，然後進行濾波，輸出符合ITU-R 601 或ITU-R 656格式的數字視頻信號。SM2210不僅支持NTSC、PAL及FILM（電影）等多種視頻格式、解析度和幀率，還可以編解碼VCD和SVCD格式的比特流。
很多ASIC往往還與FPGA（Field Programmable Gate Array）配合使用，將某些特定算法專門交由FPGA來實現，例如，MPEG-2和MPEG-4算法中的核心部分——離散餘弦變換（DCT）的操作。雖然MPEG算法中的DCT部分已經標準化並能在ASIC或FPGA中有效實現，但MPEG編碼中仍有許多部分尚未明確規定，而正是這些不明確部分使得一家公司的產品得以區別於競爭對手，並開發出擁有自主產權的算法。因此，一些基於ASIC的DVR便在這些部分（如運動估計模組）使用了FPGA，因為FPGA可重新配置，因此器件能方便地進行刷新，並在整個開發階段（包括配置之後）集成新算法。而完全依賴標準ASIC解決方案的公司由於受到晶片自身的限制而無法開發出性能更優的類似產品，市場風險較大。
結論 隨著電子與計算機技術的飛速發展，隨著視頻壓縮編碼技術與效率的不斷提高，隨著安防市場的持續火爆，硬碟錄像機特別是嵌入式硬碟錄像機必將有著更廣闊的發展空間，無論是硬體結構、壓縮標準還是市場套用。日本一家公司不久前推出的一款僅有移動硬碟盒大小的DivX格式的硬碟錄像機顯然為嵌入式硬碟錄像的套用又帶來了新的亮點。