硬盘录像机系列文档之三：框架
[ 2006-05-24 17:25:39 | 作者: 痉挛的老鸨 ]
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这一篇的主要内容是描述硬盘录像机的内部框架结构，建立基本的鸟瞰图。说到框架，就不能不对硬盘录像机做一个定义。
硬盘录像机的定义：以视频为中心，结合各种周边软硬件，以监控为目的的系统。
视频的定义很宽泛，包括专业摄像头/usb摄像头/DV/电视卡/web摄像头等设备采集的画面、视频片断、网络视频等。所有的目的就是一个，获取由多幅静态画面组成的动画视频。但是仅仅采集到视频是不够的，必需显示出来才能被人所认知，所以就需要视频显示的功能。同时视频具有一些基本的控制功能，比如亮度、对比度、色度、饱和度、分辨率等。显示和控制是最基本的要求，另外存储和录像播放也是必不可少，同时，系统中还会包括一些附属设备和功能，比如云台控制、开关报警、音频录制、远程观看和控制等。把以上这些功能组合起来，就构成了一套完整的硬盘录像机。
从系统架构上看，一套完整的硬盘录像机包括以下几个方面：
1.原始数据采集和控制。
对于视频采集设备，目前一般分为四种。一种是以BT848/878或7143芯片为核心的软采集卡，主要功能是通过AD转换将模拟信号转换为数字信号，再通过驱动送往应用层。接口有三种方式，一种是比较“原始”的连接库（DLL/lib)方式，通过函数进行调用来获得每一帧画面，这种方式比较原始，但是效率是最高的；第二种是通过标准的系统调用来提供数据，比如vfw(video for windows)和v4l(video for linux)，这种方式最先起源于usb摄像头，目的是提供统一的接口以方便用户调用，但是面对越来越多的视频采集设备和日益发展的硬件水平，其接口逐渐变得不那么适合，对于windows而言，正在逐步淘汰vfw，而在linux里,v4l也进化到了v2版本；第三种是windows独有的方式：directshow，复杂，强大，效率相对要低一些，开发比较困难。软卡的优点是数据处理方式很灵活，可以跟随软硬件的不断发展而进化，缺点是在目前的硬件水平下，多路同时处理比较受限，主要表现在多路压缩时占用的CPU过高和PCI带宽不够，但随着CPU的不断进步和PCI-X的逐步实现，这些都是可以解决的。
第二种采集设备是以软卡机制为前端，以dsp芯片为核心的硬采集卡。主要框架是前端依然通过AD将模拟信号数字化，但是后端并不直接将数据送出，而是送往dsp芯片进行压缩，然后将压缩后的数据送出，同时提供overlay方式的显示功能。硬卡的核心就是dsp，dsp的核心就是压缩算法，从最早的mpeg-1、mpeg-2到mpeg4，再到现在满天乱飞的h264，硬卡的进步也是有目共睹。其优点是对系统资源占用小，无论是显示还是存储，都对系统没有什么特殊要求，但是缺点也是很明显，主要是对上层的监控系统限制太多，以及升级成本偏高，升级codec对于软件而言是很容易的，但是对于dsp就不那么现实了。
第三种采集设备是usb摄像头、dv等，采用vfw或dshow方式采集视频数据。由于usb的带宽限制，这种设备一般只用于低端应用，比如家庭娱乐。但是作为硬盘录像机的附加设备，也有其存在的空间。其功能和性能较上面两种要弱，但是应用难度却相对较低。
第四种采集设备是web摄像头，一般使用montionjpeg的方式提供视频，即由webserver提供不断刷新的静态画面。四种设备中这是速度最慢的，控制通过http方式来操作，不太方便。
除了视频，在硬盘录像机中，音频也是一个比较常见的数据源，一般来自于采集设备或line in/microphone。由于监控大多采集的是日常环境中的声音，所以对音源的要求并不高，只要能获取常用频段的数据即可。但是音频数据如何与视频数据整合却是难点之一。
2、压缩
原始的视频和音频数据尺寸都是比较大的，必须通过压缩才能降低尺寸，以便于存储和网络传输。目前的压缩分为无损压缩和有损压缩两种，无损压缩能保证数据的完整性，但是压缩后的尺寸还是相对较大，所以一般在监控里使用有损压缩。有损压缩从mpeg-1、mpeg-2、mpeg-4(h263)到现在逐渐实用化的h264,尺寸不断缩小，已经逐渐接近理论的极限值。mpeg-1和mpeg-2已经逐渐被淘汰，h264对cpu的占用还太高，这是由于它的算法的复杂度决定的，所以目前常用的还是mpeg-4。市面上有一些硬卡厂家号称生产出了h264的卡，但是基本上都是采用了优化后的mpeg-4或者是简化后的h264，并非真正的h264，但是在不远的将来，h264是有可能大行其道的。目前，mpeg-4一般使用microsoft的mpeg-4 V3或xvid，在画面细腻程度上，ms mpeg-4 v3要稍微好一些，在尺寸上，xvid更加的小一些。ms mpeg4 v3基本已不再发展，ms已经逐渐转向media encode系列codec，而xvid还在不断发展，xvid基于GPL协议，居于跨平台、效率高的特点，更适用于硬盘录像机，但是似乎目前使用的不多。
按照某些行业的要求，对存储的保存时间是有硬性规定的，在硬盘价格不断下降、CPU速度不断提升以及压缩算法的不断改进的形势下，保存时间在不断拉长，但是目前所需要的硬盘数目依然很多，这是现状，也是需要对客户进行解释和培训的。
压缩的数据，不管是软件压缩还是硬卡压缩，除了存储，还有一个比较常用的功能，就是网络传输。网络传输的难点在于传输协议，一般常用的标准协议有rstp和mms等，但是未必适合硬盘录像机的全部要求，所以一般要做一些改造，甚至是自己设计。首先是协议问题，大多数开发人员考虑到尽量利用带宽，所以一般使用udp协议，但是udp协议有一些根本性的问题，比如局域网内如何连接，包的乱序和纠错造成开发上的困难等。个人建议，还是使用tcp比较适合。同时，现在逐渐流行的p2p协议也是可以考虑的，比如emule和bt的传输协议，不过由于硬盘录像机面向的是实时传输、客户端较少的现状，所以未必适用。
3、移动侦测
一些高级的云台一体机有物体跟踪，甚至是模式识别的功能，但大多数还没有到实用的阶段。所以目前常用的还是以检测指定范围内的图像移动为主，算法上大体差不多，主要区别在于优化和切割粒度上。
4、云台控制
2006-05-24 17:27
2006-05-28 22:00
2006-07-04 09:26
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这一篇的主要内容是描述硬盘录像机的内部框架结构，建立基本的鸟瞰图。说到框架，就不能不对硬盘录像机做一个定义。
硬盘录像机的定义：以视频为中心，结合各种周边软硬件，以监控为目的的系统。
视频的定义很宽泛，包括专业摄像头/usb摄像头/DV/电视卡/web摄像头等设备采集的画面、视频片断、网络视频等。所有的目的就是一个，获取由多幅静态画面组成的动画视频。但是仅仅采集到视频是不够的，必需显示出来才能被人所认知，所以就需要视频显示的功能。同时视频具有一些基本的控制功能，比如亮度、对比度、色度、饱和度、分辨率等。显示和控制是最基本的要求，另外存储和录像播放也是必不可少，同时，系统中还会包括一些附属设备和功能，比如云台控制、开关报警、音频录制、远程观看和控制等。把以上这些功能组合起来，就构成了一套完整的硬盘录像机。
从系统架构上看，一套完整的硬盘录像机包括以下几个方面：
1.原始数据采集和控制。
对于视频采集设备，目前一般分为四种。一种是以BT848/878或7143芯片为核心的软采集卡，主要功能是通过AD转换将模拟信号转换为数字信号，再通过驱动送往应用层。接口有三种方式，一种是比较“原始”的连接库（DLL/lib)方式，通过函数进行调用来获得每一帧画面，这种方式比较原始，但是效率是最高的；第二种是通过标准的系统调用来提供数据，比如vfw(video for windows)和v4l(video for linux)，这种方式最先起源于usb摄像头，目的是提供统一的接口以方便用户调用，但是面对越来越多的视频采集设备和日益发展的硬件水平，其接口逐渐变得不那么适合，对于windows而言，正在逐步淘汰vfw，而在linux里,v4l也进化到了v2版本；第三种是windows独有的方式：directshow，复杂，强大，效率相对要低一些，开发比较困难。软卡的优点是数据处理方式很灵活，可以跟随软硬件的不断发展而进化，缺点是在目前的硬件水平下，多路同时处理比较受限，主要表现在多路压缩时占用的CPU过高和PCI带宽不够，但随着CPU的不断进步和PCI-X的逐步实现，这些都是可以解决的。
第二种采集设备是以软卡机制为前端，以dsp芯片为核心的硬采集卡。主要框架是前端依然通过AD将模拟信号数字化，但是后端并不直接将数据送出，而是送往dsp芯片进行压缩，然后将压缩后的数据送出，同时提供overlay方式的显示功能。硬卡的核心就是dsp，dsp的核心就是压缩算法，从最早的mpeg-1、mpeg-2到mpeg4，再到现在满天乱飞的h264，硬卡的进步也是有目共睹。其优点是对系统资源占用小，无论是显示还是存储，都对系统没有什么特殊要求，但是缺点也是很明显，主要是对上层的监控系统限制太多，以及升级成本偏高，升级codec对于软件而言是很容易的，但是对于dsp就不那么现实了。
第三种采集设备是usb摄像头、dv等，采用vfw或dshow方式采集视频数据。由于usb的带宽限制，这种设备一般只用于低端应用，比如家庭娱乐。但是作为硬盘录像机的附加设备，也有其存在的空间。其功能和性能较上面两种要弱，但是应用难度却相对较低。
第四种采集设备是web摄像头，一般使用montionjpeg的方式提供视频，即由webserver提供不断刷新的静态画面。四种设备中这是速度最慢的，控制通过http方式来操作，不太方便。
除了视频，在硬盘录像机中，音频也是一个比较常见的数据源，一般来自于采集设备或line in/microphone。由于监控大多采集的是日常环境中的声音，所以对音源的要求并不高，只要能获取常用频段的数据即可。但是音频数据如何与视频数据整合却是难点之一。
2、压缩
原始的视频和音频数据尺寸都是比较大的，必须通过压缩才能降低尺寸，以便于存储和网络传输。目前的压缩分为无损压缩和有损压缩两种，无损压缩能保证数据的完整性，但是压缩后的尺寸还是相对较大，所以一般在监控里使用有损压缩。有损压缩从mpeg-1、mpeg-2、mpeg-4(h263)到现在逐渐实用化的h264,尺寸不断缩小，已经逐渐接近理论的极限值。mpeg-1和mpeg-2已经逐渐被淘汰，h264对cpu的占用还太高，这是由于它的算法的复杂度决定的，所以目前常用的还是mpeg-4。市面上有一些硬卡厂家号称生产出了h264的卡，但是基本上都是采用了优化后的mpeg-4或者是简化后的h264，并非真正的h264，但是在不远的将来，h264是有可能大行其道的。目前，mpeg-4一般使用microsoft的mpeg-4 V3或xvid，在画面细腻程度上，ms mpeg-4 v3要稍微好一些，在尺寸上，xvid更加的小一些。ms mpeg4 v3基本已不再发展，ms已经逐渐转向media encode系列codec，而xvid还在不断发展，xvid基于GPL协议，居于跨平台、效率高的特点，更适用于硬盘录像机，但是似乎目前使用的不多。
按照某些行业的要求，对存储的保存时间是有硬性规定的，在硬盘价格不断下降、CPU速度不断提升以及压缩算法的不断改进的形势下，保存时间在不断拉长，但是目前所需要的硬盘数目依然很多，这是现状，也是需要对客户进行解释和培训的。
压缩的数据，不管是软件压缩还是硬卡压缩，除了存储，还有一个比较常用的功能，就是网络传输。网络传输的难点在于传输协议，一般常用的标准协议有rstp和mms等，但是未必适合硬盘录像机的全部要求，所以一般要做一些改造，甚至是自己设计。首先是协议问题，大多数开发人员考虑到尽量利用带宽，所以一般使用udp协议，但是udp协议有一些根本性的问题，比如局域网内如何连接，包的乱序和纠错造成开发上的困难等。个人建议，还是使用tcp比较适合。同时，现在逐渐流行的p2p协议也是可以考虑的，比如emule和bt的传输协议，不过由于硬盘录像机面向的是实时传输、客户端较少的现状，所以未必适用。
3、移动侦测
一些高级的云台一体机有物体跟踪，甚至是模式识别的功能，但大多数还没有到实用的阶段。所以目前常用的还是以检测指定范围内的图像移动为主，算法上大体差不多，主要区别在于优化和切割粒度上。
4、云台控制
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