以DSP撑起嵌入式DVR的创新空间 - 安防知识网

近年来，数字视频录像技术作为多媒体压缩技术的分支，在数字监控应用中脱颖而出，并由此催生出数字视频录像机（DVR）。本文主要是结合嵌入式DVR产品的发展过程，分析数字信号处理器（DSP）在数字视频监控中的创新作用。
文/郑小龙

数字视频录像技术源于计算机多媒体压缩技术，推动着视频监控的数字化应用进程，由此而催生的最终产品就是数字视频录像机（DVR）。尽管早期的DVR无论在性能还是功能方面都不尽人意，但数字化已为各种数字视频监控的应用注入了新鲜的活力。在推出之初，DVR得到了市场的认可，利润十分丰厚，使得许多企业参与研发、生产和销售，于是呈现出所谓“蓝色海洋”的市场景象，同时造就了一个蓬勃发展的产业。嵌入式DVR以其稳定可靠的性能和丰富的功能而显示出巨大的潜力，正在逐步占据产品的主流地位。近年来数字监控市场增长迅猛，数字视频压缩技术愈加成熟，但是市场竞争却趋于白热化，因此DVR正沦为薄利产品而陷入“红色海洋”的市场境地。如何在激烈的竞争中创造出足够的增值空间已为众多的从业人士所关注，因此如何使数字视频产品更加具有特色，更全面地满足各种监控系统的需求至关重要。在此结合嵌入式DVR产品的发展特点，从几个方面来分析数字信号处理器（DSP）在数字视频监控中的创新作用，希望对其它数字视频监控类产品的发展也有所启发。

面向高增值的发展方向

嵌入式DVR不依托于PC机，也不是消费类的录像机，而是专为安防领域设计的专用数字监控产品，通过采用嵌入式处理器和嵌入式操作系统来实现各种管理和操作功能。其核心处理为成熟或先进的数字视频和音频压缩处理技术，另外还会应用到大容量硬盘记录和TCP/IP 网络等综合技术。音视频压缩编解码的实现方法可以由软件来实现，既可以采用可编程DSP处理平台,也可以是由硬件来实现，就是采用专用芯片ASIC器件。客观而言，这两个平台对于嵌入式DVR的发展都有贡献，但难免又彼此有所较量。DSP平台的特点表现在极大的灵活性和强大的可扩展性上，通过固化在FLASH 中的软件，可以满足各种不同视频压缩标准，特别是通过软件的方式可以轻而易举地实现系统的升级，也包括远程在线升级。ASIC器件具有硬件实现的音视频编解码器，性能和功能固定，一般只能实现特定的压缩格式，而升级则有待于新型芯片的推出。当然采用DSP需要开发软件算法，因此似乎技术门槛较高，需要特别技术能力的积累。而ASIC的设计就没有什么太高的门槛，只要照搬相关的参考设计即可完成产品。然而，DSP通过软件编程可使产品更具有特色，出色的算法可以实现H.264、MPEG-4、AVS等高级视频编解码器，具有很大的适用性，而且有益于提高信道密度和调整数据率，还有扩展智能化应用，在市场上可以体现出更丰富的价值。而基于ASIC的产品视频编解码器格式固定，性能和功能基本无提高的余地，因此普遍存在“同质性”，在市场上容易诱发单纯的价格竞争。

从高性能的通用DSP到通用数字媒体处理器，再到以DSP为核心的SOC，音视频压缩编解码也经历了由M-JPEG、MPEG-4、H.264的软件算法演变的历程，特别是在单颗DSP上多路压缩编解码的实现往往是DVR突破性发展的基础。利用DSP的处理能力可以很方便地实现如图1所示的双码流功能，其中一个视频流用于录制，而另一个视频流用于协调监视，这样一个CIF流和一个D1流的结合可以被协调地处理。后端的转码数据可节约存储空间，而数据存档索引可供今后备查，不再需要保留重复无用的信息。前端可在DSP上实现智能化，可识别目标并扩展与缩放，以提供更多详细信息。

智能视频识别功能的嵌入式实现是DSP平台优势的又一个重要体现，因此嵌入式DVR可以利用DSP的资源实现各种视频内容分析，例如针对空中巡逻中的飞机和人的监测与识别、特定区域的绊线检测、特定方向的人行逆流监测（如图2）。还可以实现目标物移除或目标物遗留情况等特性，并生成报警信息。

高端嵌入式DVR可以通过增加这样的智能识别功能来提高产品附加值，而DSP是最有效的处理平台。这样的应用通过优化也同样会出现在中端类型的产品中，以扩大其应用范围，这也就增加了一个巨大的市场空间。

基于DSP的实用解决方案

在嵌入式DVR中TI 的通用媒体处理器DM642已有不俗的表现，因此为业界所熟知，其主要原因在于用户可以通过C64的DSP核心自行开发出MPEG-4、H.264或AVS等视频编解码器算法。单片DM642可实现H.264一路D1或四路CIF压缩，而对于优化的MPEG-4则所实现路数加倍或更多，因此由多片DM642可以支持高路数的嵌入式DVR。

达芬奇系列是TI具有极高集成度的新型SOC平台，可以成为嵌入式DVR理想的应用平台。该系列中的DM6446集成有DSP和CPU双核，前者为主频高达600MHz的C64+核心，可出色完成高级视频编解码；后者为主频300MHz的ARM9核心，可全面完成系统控制。DM6446还集成有视频协处理器，可以提高视频编解码能力。所集成视频处理子系统包含前端回放和缩放功能，后端则可有图文叠加(OSD)单元和视频编码器。丰富的外围接口是嵌入式DVR所不可缺少的，而DM6446几乎是量身定制，集成了四种类型接口，即连接类，如以太网接口(EMAC)和USB2.0接口；程序和数据存储类，如硬盘接口(ATA)和多种存储卡接口(NAND和MMC/SD)，还有DDR2高速存储器接口；串行接口，包含UART接口、I2C接口、SPI接口、ASP音频接口；系统类，包含PWM脉宽调制接口、通用定时器和“看门狗”等单元。图3为采用DM6446的四路嵌入式DVR参考框图，不难看出在整体系统中大部分的连接都属于无缝连接。

深入分析就可以发现这确实是一个能够有效降低产品系统成品的体系结构，而DSP的可编程性不仅体现在实现高效视频编解码，在产品开发中还具有进一步挖掘潜力的空间。从参考框图到最终产品道路虽然曲折，但前景却光芒无限。

图4就是一推上市场并倍受好评的基于达芬奇的嵌入式DVR产品。这是一款基于DSP的具有新颖设计的嵌入式DVR，其所能达到的实际效果为：支持四路或PAL/NTSC 制式视频信号，每路皆可实时每秒25帧的独立硬件压缩，视频压缩采用H.264或MPEG-4压缩技术，不仅支持变码率，而且支持变帧率，可设定视频图像质量，也可设定视频图像的压缩码流。在DVR的录像功能上实现了文件记录的四种模式，即定时录像、手动录像、移动侦测录像、报警录像。在存储上可识别的主盘和从盘的两个IDE硬盘，而硬盘上文件可以选择覆盖录像和非覆盖录像。另外提供硬盘录像资料的备份，支持U 盘、USB硬盘备份设备。在预览与回放方面支持监视器或VGA 输出连接,预览时显示模式多路（1/4）切换,能支持图像局部遮盖录像。支持图像遮挡报警处理和支持回放；还有支持快放、慢放、单帧等回放模式，按录像类型、时间综合进行检索；以及支持OSD 叠加、通道名叠加等功能。

值得强调的是在该产品中采用了独有的软分割实现前端高品质音视频采集，最大限度地降低成本。另外通过达芬奇芯片所支持VGA的特性，采用软件即可实现特殊优化的数字显示方式，从而大幅度降低成本。至于增值功能的增加，可以作为锦上添花，如利用DSP的多余资源可以附加各种视频智能识别功能，如人脸识别、车牌识别、场景分析等。如果说前面降低成本是保证效益的举措，那么这些附加工作则是创造价值的手段，无需太多投入而由DSP软件开发来实现。

对于更高密度嵌入式DVR的设计可以采用高端的达芬奇系列平台，其中可以关注以高速DSP为核心的DM648/647系列。该平台C64+的主频为900MHz或720MHz，集成有五个16bit的数字视频端口，若需要可以配置为十个通道。单片DM648的处理能力为H.264编码两路D1或八路CIF，MPEG-4编码则可以为四路D1或十六路CIF。所集成的两个千兆以太网接口既可以扩展高速网络能力，或者可作为高速接口，再连接一片或多片以便成倍地增加通道数目。该系列的增值空间在于多视频接口可以免除或减少由视频分割片所增加的成本；千兆以太网接口可以提高充足的带宽；DSP的剩余资源可以扩展智能视频处理功能，因此不失为强大的综合平台。

随着达芬奇高清样片的推出，嵌入式DVR的密度也在增加。DM6467已具备单片处理D1分辨率的四路H.264编码的能力，因此可以进一步拓展高分辨率下的多数字视频的通道支持能力。 DM6467通过高性能的视频处理器实现编解码工作，等效性能为3GHz，同时C64+的资源在编解码中仅占用一半，仍有300MHz的性能可以用于其它增值应用，如智能识别等。图5为实现四路D1分辨率H.264嵌入式DVR的参考框图。

适应低端发展需求产品

嵌入式DVR也在进入低端市场，其中既有中小型企业的需求，也有包括家庭典型应用。在一个家庭中的典型应用中，四路视频应该是一种标准配置，前门一路监视必不可少，室内可以分别放置三路，这样主人在外就可以全面监控家里的情况。当主人回家，室内监控就只需考虑婴儿监视器，其余应该有机会转入视频娱乐，如图6所示就是这种情况。这样就需要一个具有四个通道的小型DVR，而且由于属于消费类产品，售价不可能太高，而成本需要控制的低。

在这里似乎只有ASIC会有用武之地，其实不然，通用媒体处理器和低成本的通用SOC也可以有很到位的应用，其中有两个发展方向，其一就是在上述以DSP为核心的中高端达芬奇平台上进一步提高性能并降低成本，以有效突出性价比；其二就是考虑采用以视频协处理器为主的低端达芬奇平台，以与ASIC正面交锋。DM355 作为低功耗且支持720P高清MPEG-4的低成本达芬奇平台，也具有支持四路至六路CIF分辨率的MPEG4编码的能力，大批量生产时的价格可以在十美金以下。已有厂商推出基于DM355支持四路MPEG-4的低成本DVR，且售价可以控制在一百美金以内。当然，家庭监控的应用不同于专业的数字监控方式，视频的压缩和回放不必同时进行，而娱乐方式下又需要高分辨率的解码支持，因此DM355的优势明显，特别是ARM9核心可以提供相应的系统功能。DM355之后的新平台也将很快推出，届时将能支持720P高清H.264编码，也可以是2路D1或8路CIF分辨率，将满足更多的需求。

结语

总而言之，嵌入式DVR的需求和所面向的市场在发展。作为满足各种数字视频需求的芯片处理方案，覆盖着嵌入式DVR的应用的各个方面，为更多的客户的更多产品创造出更多的价值，从而撑起数字视频监控的一片创新空间。