实用与应用受追捧嵌入式DVR
2008年即将过去,这一年间什么技术最火爆?尽管人们能列出一系列耀眼的新兴技术,但“数字技术整合时代到来”无疑是对2008年最真切的概括。不要以为我们在老生常谈一个早在几年前就已提到的概念,正是在这一年,我们看到了DVR、摄像机开始配备越来越强大的微处理器和软件;网络摄像机和网络视频服务器更加流行,越来越多的人们在试图远程观看实时图像;还有网络化可视对讲、联网(指纹)门禁也开始风靡全国。
整合的世界有多美?智能家居为人们带来便捷与时尚的生活新体验;只需交纳一定流量的GPRS费用即可用手机对家中实现监控和布防;人们习惯于用视频会议摄像机办公……仔细看看这每一幅诱人的场景,所有的应用和内容都由网络来承载。“智能大时代”袭来,安防产品如何适应网络热潮?作为安防系统中必不可少的关键设备之一的DVR而言,既是这些大型安防设备生产厂商的机会,也是它们不得不面对的挑战。
数字硬盘录像机(DVR)在国内的出现才几年时间,但是由于其数字化的优势,特别在银行系统的应用,在国内监控行业形成了新的热潮。它给CCTV监控系统带来了数字化应用的革命。硬盘录像机从其功能来看具有视频切换、图像任意分割和组合显示、图像录像、云台镜头控制、报警联动控制和远程网络传输控制功能,从某种意义上讲,一台高性能的硬盘录像机可以替代传统上的CCTV系统的矩阵切换器、图像分割器、磁带录像机、控制键盘和报警主机,实现高度集成化的数字化CCTV和报警监控系统。
DVR目前采用有纯硬件解压缩、软件解压缩和硬件软件相结合解压缩三种技术,采用后两种技术的硬盘录像机因为软件解压缩比较占用计算机的CPU和内存资源,因而能够处理和录制图像的能力有限,主要是每秒处理图像的帧数。例如纯软件解压缩的硬盘录像机处理图像帧数不能超过200帧/秒,在有些要求图像质量高,压缩比高的压缩算法下,例如MPEG4格式时,能够处理的图像帧数更少,为100帧/秒。因而硬盘录像机必须是采用纯硬件解压缩方式进行,并且尽可能的节省占用计算机CPU和内存资源,同样减少了软件运行的不确定因素,这样系统的稳定性和可靠性也大大的加强了。所以目前在DVR市场中占主导地位的是MPEG4硬压缩方式的。所谓的MPEG4硬压缩格式的硬盘录像机采用纯硬件解压缩音视频卡,将音视频采集,编码压缩,解码显示采用一片集成芯片进行,利用计算机PCI总线结构,将多路音视频流直接分配传输到计算机显卡,IDE总线进行图像显示和存储,系统CPU只起到控制和分配作用,因而处理音视频流占用计算机系统的资源与处理音视频路数无关,其实通俗的讲DVR就是一台配置较好的PC机加多片音视频压缩卡与软件捆绑所构成。
DVR的优点是价格低廉成本不高,应用领域较广,对本地控制有一定优势;缺点由于是PC插卡式,它会直接受到PC机质量的影响,对PC的配置要求很高,维护起来不方便,由于大部分应用都是24小时循环录像,所以相对应的硬盘寿命很短。它在网络远程监控方面相比较没有任何优势,需要给它提供一条专用的网络接入点,还受到广域网访问局域网的制约,传送图像质量不好,所以上述缺点要想实现真正意义上的远程监控,DVR还很难做到。
嵌入式硬盘录像机具有可靠性高、防死机、抗病毒、性价比高等优点,具有传统的模拟监控系统无法比拟的优越性,它能堵塞安全漏洞,消除因工作人员的失职而引起的纠纷,为突发事件提供证据,很好地保护用户的利益。
对于非PC-based的嵌入式DVR来说,RTOS(Real Time Operation System)和Linux成为最佳的操作系统,目前市面上这种类型的进口品牌以日、韩为主,许多韩国厂商如3R、Samsung、Kodicom、Korea Computer Technologies、Artinix认为:嵌入式DVR具有高经济效益、高稳定性及与其他安防产品有高兼容性等特点,因此在近两年都陆续推出了嵌入式DVR。而日本厂商如SONY、Panasonic、JVC、KONWE则致力于发展嵌入式DVR主要是基于对图像清晰度的考虑。值得回味的是,我国第一台硬盘录像机并非出自安防行业厂商之手,而是3C转型过程中家电厂商厦门厦新于2000年7月采用Stream Machine推出的PVR方案,其压缩标准为MPEG-2,最初主要面向家庭娱乐,提供时移(Timeshifting)功能,随后国内业界将其改造成监控用硬盘录像机。目前我国嵌入式DVR品牌阵营发展得十分强大,它们有海康威视、大华、大立、诚丰、皓维、蓝色之星、金鹏、图敏、科康达等。
技术的新战场
什么是嵌入式硬盘录像机呢?行业里有这么一种约定俗成的定义:嵌入式系统一般指非PC系统,将内部的操作系统和应用程序写入到诸如闪存flash、片上缓存disk on chip或单片机等存储器芯片上,面向某种特定应用的系统或设备。嵌入式硬盘录像机是一个专用的存储设备,可移动载体,例如硬盘只负责存储图像文件。这样所带来的好处是显而易见的,上传速度快无需等待、抗病毒、防篡改能力强等等。嵌入式可细分为专业级的嵌入式DVR和PC结构嵌入式DVR。专业级嵌入式DVR使用专用的嵌入式CPU(DSP,数字信号处理器)和专用的嵌入式操作系统(Linux),开发周期较长,结构简单紧凑,去掉不必要的冗余,追求更专业、更实用、更稳定。由于嵌入式相对来说技术门槛较高而且要求一定的资金实力,相对于PC平台DVR厂商会少一些,但依然是厂商争夺的重点,除了单路、4路以外,8路、16路、24路嵌入式硬盘录像机也很受欢迎,大有与PC式DVR平分秋色之势。
由于嵌入式DVR是属于专业设备,受专用CPU、带宽和总线限制很难满足32路以上的大路数,一般只能用扩展相同的模块或靠画面合成来实现。最近,一些厂商推出了PC结构嵌入式硬盘录像机用于解决大路数存储,采用便于移植的操作系统和应用程序一起写到存储器芯片,同时将PC式DVR直接拿来或重新布板,以工控机面板换成易于操作的嵌入式面板,开发周期短,构成新的嵌入式解决方案,这就是PC结构嵌入式DVR。这种形式的DVR针对的竞争产品是PC式DVR板卡,如果说嵌入式DVR追求的是面向用户的特定需求的更专业,那么,PC结构嵌入式DVR则追求的是大路数、更便捷的网络化。在解决大路数存储方面,PC式DVR占据明显优势,单机能支持到24路、36路甚至更高。在灵活性、可扩展性及对网络的支持,PC式DVR是PC结构嵌入式DVR所无法比拟的,它唯一的优势是改变了用户的操作模式,用户是否愿意为换取这种操作习惯和几个功能,而牺牲PC所带给我们的更多的功能和服务。同时,PC结构嵌入式DVR在解决多画面显示方面表现的不尽人意,它显示分辨率低,很难满足客户要求,采用非标准系统稳定性和可维护性也差强人意。因此,PC结构嵌入式DVR一定要找好自己的产品定位,它来自专业级嵌入式DVR及PC式DVR的两面进攻,成败只有靠市场来验证。
目前,大多数PC-based DVR的图像质量都不如嵌入式DVR。但是,摆在嵌入式DVR面前的最大挑战在于联网功能。在联网工作普及的今天,已有越来越多的用户使用网络,韩国Digital Logic公司的Jonathan Kim表示:“当我们谈论嵌入式DVR时,经常遗漏掉网络化的远程控制部分。但DVR系统如果不能和网络衔接,坦白说,那就不能称为DVR系统”。部分欧美的生产商也持相同的观点,例如美国、德国、英国以及其他北欧国家,已经将网络功能视为是视频监控系统的关键。比如,在英美,很多工厂、企业都采用了具备网络功能的DVR设备,除了节省大量人力的开销外,更可以在任何地方监看工作人员和生产线状况,因此节省不少成本。可联网的特性让用户可以通过LAN、Internet等网络进行远程监看,为了让产品具备联网功能,嵌入式DVR生产商陷入“价格VS功能”的两难局面。Samsung光电子一位技术人员指出:“为了让DVR具备联网功能,我们必须在嵌入式DVR中添加某些芯片。为此,我们必须增加投资金额及成本,在价格竞争日益剧烈的情况下,成本的增加对厂家都相当不利”。
需求技术两重天
在硬盘录像机中,录像功能和很多其他功能相关联,如放像功能、网络功能、备份功能等等,因此采用什么样的录像技术,直接关系到整个硬盘录像机的性能和硬盘故障率。录像技术分两个方面:一是采用什么样的文件系统,这通常与采用的操作系统有关,不容易自主选择;二是在已选定文件系统的条件下,应用系统如何发挥文件系统的优势,同时避免其弱点对整个系统造成影响。
目前市场上,PC-based DVR一般基于Windows系统,文件系统一般采用NTFS或FAT32;而Embedded DVR所采用的文件系统则与厂商选择的嵌入式操作系统有密切的关系。目前Embedded DVR中所采用的嵌入式操作系统有pSOS、Embedded Linux、vxWorks等等,而采用的文件系统则有较多种类,如MS-DOS兼容文件系统、UNIX兼容文件系统、Windows兼容文件系统,还有各种专有的文件系统等等。
选定哪一种文件系统作为嵌入式硬盘录像机中的文件系统,取决于很多因素,如公司的研发能力、财力、文件系统本身的特性等。应该说,选择任何一种文件系统都不会妨碍嵌入式硬盘录像机中录像功能的实现。有的公司甚至自己组织开发文件系统来满足需求,当然我们并不赞同这样做,原因在于这样做可能会花费较长的时间来稳定,从而使设备上市的时间延长;另外,这种做法不符合现代社会分工越来越细、越来越专业的潮流,很难做到像专业软件厂商推出的文件系统那样稳定可靠。清晰度和实时程度的观察方法和监视效果相似。单位时间录像所用硬盘空间,及单幅画面的硬盘空间也是反映录像效果的最主要参数。该指标对录像时间长短和网上传输图像的速率都有很大影响。一般标准MJPEG格式,每小时每路25帧/秒要录到450M,而MPEG格式只需要250M。
文件系统选定后,可供开发人员发挥的平台就确定了。各个嵌入式硬盘录像机厂商在选定平台上应用系统中的录像模块设计的合理与否,直接决定了嵌入式硬盘录像机推向市场后的表现。磁盘预分配技术和多分区技术,保证在硬盘循环记录过程中,永不出现碎片。多分区技术可以很好地解决由于硬盘磁头工作时长距离来回奔波导致的写盘速度急剧下降和硬盘寿命也大受影响的问题。FAT表和目录区冻结技术,保证在非正常关机过程中,不会导致FAT表和目录区被破坏。这个技术的基础是前面提到的磁盘预分配技术。由于采用了磁盘预分配技术,FAT表和目录区实际上处于一个模式固定状态,就是说不管如何往硬盘上写数据,硬盘上的FAT表和目录区都不需要发生变化。这样我们通过修改文件系统软件,就可以实现在录像过程中,系统不修改FAT表和目录区,实现FAT表和目录区冻结。
在一台硬盘录像机中,一般会有多个硬盘,在录像时,多路图像同时尽量记录在一个硬盘上,让其他硬盘主轴电机停止旋转,一方面延长硬盘寿命,同时也降低硬盘录像机的功耗(硬盘在休眠状态下的功耗约为正常工作下的1/10),这称为硬盘休眠技术。在硬盘休眠技术的基础上,进一步提出了低寻道技术,可以进一步提高硬盘录像机性能和延长硬盘的寿命,针对硬盘盘片磁粉逐步损坏脱落及相关问题,创造性的将硬盘的SMART技术(Self Monitoring Analysis And Reporting Technology:自我监测、分析和报告技术)运用于硬盘录像机上,提出了硬盘失效预警技术,其原理是通过读取并分析、比较硬盘的SMART数据(即硬盘磁头、磁盘、马达、电路等主要部分的监测数据),当出现安全值范围以外的情况时,自动向用户发出警告。这样,对硬盘潜在故障可以进行有效预测,在硬盘失效前停止其工作,代之以另外的更为可靠的硬盘,从而大大提高数据的安全性,将用户的损失减至最小。
嵌入式硬盘录像机与传统的硬盘录像机相比,推出了很多新颖的概念,如D1和DCIF分辨率支持、位置可灵活调整的OSD和通道名称、可灵活选择的OSD格式、完善的异常处理功能、完善的日志功能、方便的本地云镜控制方式、可灵活定制的用户权限、定时开关机支持、远程开关机支持等等。除上述富有特色的功能外,这款设备数据存储技术,也就是录像技术方面,吸取了上一代设备的经验和教训,拥有一套全新的方式来解决上一代设备以及市场上大多数的硬盘录像机所碰到的问题。针对硬盘录像,采用了磁盘预分配技术、FAT表和目录冻结技术、硬盘休眠技术、低寻道技术、硬盘失效预警技术,这些技术的采纳,提高了系统记录的可靠性,延长了硬盘寿命。
MJPEG方式是对每帧图像的全部信息进行压缩记录,其图像清晰度高,资料完整,可信度高,是国外厂家(三菱、松下、LG、三星、VISTA等)普遍采用的方式;MPEG方式只对前后二帧图像的变化部分进行压缩记录,其图像清晰度稍差,一帧完整的图像是前后合成得到的,可信度稍差,其录像格式通用,易被篡改,故英、法法庭不接受MPEG方式的录像作为陈堂证供,但这种方式占用空间小,建议用在工业监控等内部管理的场合,在保安等需要公正证据的场合采用MJEPG方式为好。
嵌入式硬盘录像机、PC式硬盘录像机、PC嵌入式硬盘录像机都有各自的优缺点,用户应该选择哪一种或者说哪一种才适合用户现在的情况呢?
从上面的列表可以看出,嵌入式硬盘录像机与PC式硬盘录像机比较适合两极的使用(基本属于特殊情况,上面列表能很好体现),而PC嵌入式硬盘录像机则把这前面两种硬盘录像机综合在一起(这是应市场需求而诞生的一种产物),表现为一种中性,即大众型,能很好的满足大部分客户的需求。
需求带来的发展预测
嵌入式硬盘录像机的选择根据实际用途选择不同形式、特点的机型,必须考虑购买产品的用途,性能、功能需求,只有这样才能让所购买的产品物尽其用。综合了一下各工程商、采购商的意见,主要可以从以下几个方面体现:
1. 图像清晰度要求,图像清晰度是监控系统首先要考虑的问题,如:银行柜员制监控和金库监控可能要求不一样;高速公路和电力无人值守站监控可能不一样。一般来讲,根据公安部在这些监控用途上的清晰度要求,监视画面不低于320线,回放清晰度不低于220线。
2. 监控功能要求,功能要求包括录像视频数量、报警系统功能、控制功能等,这些所有的功能性的要求在不同的环境中可能有所差别,如:有些不要音频;有些不要实时录像;有些要求全天候录像;有些只要上班时间录像等。这些功能要求的差别决定了用户可以选择不同形式、不同档次的机型。
3. 网络应用要求,网络应用主要指是否需要远程控制,网络带宽的限制等,这些功能的需求可能在不同的监控点都不同,这些具体需求都需要专业的技术支持人员来解决。
4. 工作环境,工作环境是指监控系统工作的环境,如:温度、湿度、电源等。如果是环境比较恶劣的情况,必须要选择环境适应性很好的监控设备。
5. 系统工作方式,系统工作方式主要指是否长时间连续工作。也就是对系统稳定性的要求,该项的选择主要根据实际情况而定。需要说明的是,白天工作制的机器对稳定性要求并不高,因为几乎所有的监控设备都是经过至少48小时的老化后出厂的。长时间连续工作主要指的是长年累月连续工作的监控设备,如:高速公路、治安卡口等。
6. 售后服务质量,售后服务是市场经济里举足轻重的一部分,作为用户来说,选择可以信赖的公司是很有必要的。
7. 价格要求,作为专业产品,更应该注重品质,注重服务,低价格是很难买到很好的服务的,在市场经济中,服务就是商品。产品和服务必须是同时出售的。
近年来,由于嵌入式硬盘录像机具有使用嵌入式实时操作系统,软件固化在FLASH中不可修改;结构简单紧凑,体积小等特点;应用更加专业、实用。随着音视频编码技术的成熟,产品功能的不断完善,应用领域在不断拓宽,嵌入式硬盘录像机的市场需求成倍增长。另外DVR产品集合了录像机、画面分割器、云台镜头控制、报警控制、网络传输等多种功能于一身,从而深受安防监控业的欢迎,其中,DVR在图像储存、搜索、传输等方面的优势,使得产品被大量运用在视频监控领域。目前,嵌入式DVR的数字化、网络化、智能化趋势日益明显,其产品的未来发展趋势预测为:
* 客户对符合个性定制的嵌入式DVR个性化需求加强;
* 嵌入式DVR的产品细分种类越来越多,产品系列越来越多;
* 嵌入式DVR产品的外形与包装要求越来越高,产品的稳定性要求越来越高,其体积会趋于小型化;
* 嵌入式DVR产品的服务内容会更丰富,对商家的技术支持要求越来越高;
* 嵌入式DVR的操作简易性会提高,后续将更方便客户的操作;
* 随着市场规范化,嵌入式DVR的价格将会降低,而且性能会更为优越;
* 嵌入式DVR的兼容性将加强,设备将打破现有的寿命值,更易升级;
* 嵌入式DVR功能的多样化将成为开发的热点,国内嵌入式DVR产品将打开外销之路。
* DVR向DVR+DVS发展,视频监控由模拟走向数字,而与视频监控数字化相伴随的必然是网络化。
在目前的视频监控市场上,硬盘记录与网络传输两项功能却是分离的,DVR强调的是记录,DVR侧重的是现场监看和事后取证,DVS基于网络,强调的是远程实时监看和网络存储。但随着网络环境的日益改善,DVS的需求必然会日益增强。从技术上讲,DVR和DVS可以完美结合,只要对一个视频源进行两次编码,即可实现记录与网传功能的同时实现。
高分辨率和高帧率的需求会增强:在目前的视频监控市场中,D1是最佳、CIF是一个可接受的分辨率。目前的视频编码技术影响码率的最重要两个因素:一个是视频像素的个数,一个是量化系数。以目前的编码技术而言,在码率低于800kbps的全帧率情况下,CIF是最通用的,但随着数字视频监控市场的发展,DVR产品也逐渐进入了许多有特殊要求的行业,由此也带来了相当多的特殊需求,高分辨率(FULL D1及以上解析度)的需求,满足高速运动物体监控的高帧率(50帧)的需求等特定需求,都在不断增加。
差别创造机遇与挑战
2006年年底至2007年上半年,安防市场秩序需进一步规范,代理规范问题、市场炒货问题、仿冒伪劣问题、贴牌问题、走私水货问题依然存在,但随着政府管控力量的加大及安防认证、标准等的建设,根据部分业界人士的意见,嵌入式DVR的市场将出现以下趋势:
2006年嵌入式DVR行业较大的技术发展在于MPEG-4/H.264压缩技术的普及与应用,以及D1画质的大幅提升改善了产品技术含量。另外,产品在网传的功能上也取得了一定的突破。大部分业界人士对DVR的未来发展充满信心,认为DVR产品将在提高稳定性、完善功能性的基础上,进一步开发与其他系统的集成、兼容能力,例如与门禁、巡更、环境参数监测等系统的整合,最终达到智能化的应用。另一方面,也有少数人士表示,随着宽带的发展与普及,DVR未来将受到价廉方便的网络摄像机的冲击。但无论如何,DVR产品作为安防监控应用中重要的录像设备,其图像储存取证的功能是关键,产品的功能定位也标志着DVR产品在一定的范围内仍然有其发展的空间。
* 经济持续高速发展,治安状况有待加强,发展与安全的矛盾在社会上出现;
* 西部大开发,为安防市场新的一轮需求提供原动力;
* 北京2008年奥运和上海世博会的影响,据业内相关人士统计北京奥运和上海世博会将为公共安全事业打造800亿人民币的市场;
* 911与恐怖主义促使各国对城市对反恐投入的加大及反恐意识的加强,与我国未来三年国家将投入3亿元作为城市反恐经费;
* 全国的城镇化与快速城市建设的影响;
* 长、珠三角重点城市平安城市建设的投入,也为安防业注入了好的发展机遇;
* 海外市场对安防产品广阔的需求与国内安防企业产品质量的进一步提升及我国是WTO成员为国内企业走向世界提供很好的条件;
* 安防市场的进一步成熟、规范,安防行业将有价格战向科学的市场营销体系发展。
随着市场和技术的进一步发展,嵌入式硬盘录像机将向着拥有更高的分辨率,更低的码率,更强的性能,更高的可靠性,更丰富的功能:包括将网络化、智能化、人性化、更紧密地结合朝监控系统的方向发展。同时也将在水利、电力、消防等领域得到更广泛的应用作者:邝文乔