网络DVR系统，突破了以往传统的数字硬盘录像机、模拟矩阵、摄像机等独霸天下的局面。而智能网络DVR系统，其首要的优势是数字化和压缩的过程都在本地完成，此时可通过已连入互联网的现有网络设备来传输智能数据，从而可有效降低使用成本。由于新增加了对图像的智能分析与识别、智能搜索引擎、智能寻像、多媒体指挥平台等高效实用的功能，使它作为一种独立的产品形态，己逐渐进入了人们的视野。本文介绍应用FPGA构建软压缩DVR卡、硬压缩多通道DVR系统方案的组成、原理，以及智能网络DVR可具备的智能功能及其实现方案。

    随着信息社会的发展，人们的安全意识在不断增强，对安防监控设备的需求也在持续增长。总的看来，安防视频监控技术的发展趋势为：新的H.264压缩技术可以增加硬盘的存储时间，并减少对网络带宽的需求，因而逐渐成为主流；高清晰度视频系统开始出现在一些高端应用场合，并将逐步扩展到中、低端应用；PCI Express（简称PCI-E）正在取代传统的PCI总线，从而使目前流行的PCI总线压缩卡将转换到PCI Express总线架构；随着IP网络的普及，基于IP网络视频监控系统增长迅速，并积极向智能化发展。

    显然，安防视频监控技术的这种发展，其产品都要求有更高性能和更灵活性的器件来构建，而单纯采用DSP处理器或现成芯片（ASSP）的方法己难以满足系统的需求。由于目前可编程器件具有很高的集成度和灵活性，以及低功耗和宽的工作范围，且其价格又不断下降，因此利用可编程逻辑门阵列（FPGA）特有的高性能和灵活性，使其成为许多视频监控产品的理想选择。笔者将陆续介绍，应用FPGA器件构建一些典型的视频监控产品的方案，如软压缩DVR卡、硬压缩多通道DVR系统、智能网络DVR与DVS，以及智能网络摄像机的实现方案等。这里介绍构建智能网络DVR的实现方案。

    DVR技术的发展是与计算机技术的发展密不可分的，图像处理是一个大数据流的传输过程，它在硬件方面受到计算机的计算速度、存储器的容量及动态分布、多CPU或计算机网络设计、数据总线、网络传输带宽的限制；在软件方面，也受到如数据总线流模式、数据块传输协议、数据压缩算法、模式识别算法等限制。

    DVR系统拥有多路视频输入（典型的为4路、8路或16路等），而且都已包含了原来的画面分割器和多路复用器的功能。使用网络DVR的模拟监控系统，是一个部分数字化的系统，它包括一个网络DVR设备，该网络DVR配有用于网络连接的以太网接口。视频信号在DVR中转换为数字信号并被压缩，然后通过计算机网络进行传输，在远端通过电脑便可进行监控。基于DVR的数字化网络系统，突破了以往传统的数字硬盘录像机、模拟矩阵、摄像机等独霸天下的局面。[nextpage]

    智能网络DVR系统，其首要的优势是数字化和压缩的过程都在本地完成，此时可通过已连入互联网的现有网络设备来传输智能数据，从而可有效降低使用成本。因为，仅有通过所嵌入的智能功能所识别出的带预/报警信息触发的视频数据，才会被发送到中央监控站，以用于进一步地分析并采取进一步的响应，以降低网络设备的负载并减少人为错误。

    在智能网络DVR系靳中，由于新增加了一些智能功能的图像分析与识别、智能搜索引擎、智能寻像、多媒体指挥平台等高效实用的功能，使它作为一种独立的产品形态，已逐渐进入了人们的视野。在数字硬盘录像机DVR领域中，有软压缩与硬压缩两种方式。本文简要介绍，应用FPGA构建软压缩DVR卡、硬压缩多通道DVR系统方案的组成、原理，以及智能网络DVR可具备的智能功能及其实现方案。

软压缩DVR方案
    所谓软压缩，是指采用软件通过PC或IPC平台来对单路或多路视频进行压缩，而再由PC机作进一步处理，如存储或通过网络传送等。通常，用软压缩来完成MPEG-2、MPEG-4等压缩算法。现在，单纯采用DSP处理器或现成芯片（ASSP）的方法己难以满足高性能系统的需求。但由于目前可编程器件具有很高的集成度和灵活性，以及低功耗和宽的工作范围，其价格又不断在下降，因此利用可编程逻辑门阵列（FPGA）特有的高性能和灵活性，使其可构建许多视频监控产品。

    软压缩DVR的功能非常适合用FPGA器件来实现，图1所示即为一个用FPGA器件来实现软件压缩DVR的功能框图。

    由图1可见，它所实现的功能大多逻辑复杂度不高，同时对数据通路性能有一定的要求，需要具有高速接口通信能力，因而适合用FPGA来实现。其缩放部分以及视频滤波等预处理工作、DMA控制器、音频FIFO和PCI-E部分可全部放入FPGA中。这里采用FPGA的好处是，可以灵活地实现任意多路的视频输入，并且视频预处理的功能可以根据不同摄像机的特性灵活定制，从而达到最优效果。

    值得一提的是，有些公司有现成的视频图像处理套件（VIP），如Altera公司的套件有9个视频预处理/后处理的IP，其中有Scaler（缩放）、2D FIR滤波等IP，在接口方面还有PCI与PCI-E的IP核，以及带有内嵌收发器的Arria GX FPGA等。

硬压缩DVR方案
    所谓硬压缩，是指采用硬件（如DSP处理器、媒体处理器和FPGA器件）来实现视频压缩，然后直接存贮或通过网络传送等。H.264 D1分辨率压缩通常可采用DSP处理器、DSP＋FPGA或单片低成本FPGA来实现，如Cyclone系列、Arria GX系列等。而从成本和易实现性等方面考虑，高端Stratix系列FPGA更适合H.264高清分辨率压缩。[nextpage]

    多路硬压缩DVR的通道数包含4、8、16通道，有的甚至超过24通道。系统的核心是多通道压缩，这里所述的FPGA实现方案与传统的ASSP或DSP处理器实现方法不同，它是一种更灵活、可扩展性更强、单路视频成本和功耗更低的解决方案。最新的65nm低成本FPGA Cyclone Ⅲ在功耗方面拥有很大优势，这种单芯片可以支持最大到16通道的H.264编码。
采用FPGA器件的典型的多通道硬压缩DVR系统如图2所示。

    由图2可见，多通道模拟视频首先经模数转换解码成标准的CCIR656格式数据。为了能在本地监视多通道的画面，通常需要复用多通道视频数据和对画面进行分割与缩放。因此，这种标准的CCIR656格式数据必须送入视频复用缩放分割部分处理。FPGA Cyclone Ⅲ器件中丰富的M9K内存资源较适合用作视频复用缩放算法时必需的行缓存，从而这部分能快速实现画面复用缩放及分割功能。然后送入多通道H.264 D1＋CIF编码部分，这部分是系统的核心，而FPGA内在的强大并行处理能力可以满足H.264算法对处理速度的要求。这与多个ASSP或DSP处理器实现方案相比，单芯片FPGA提供了更稳定的系统性能、更低的成本以及最佳的性价比。此外，也可在有的系统中，加上一块DSP芯片来实现码流分析、视频流生成或音频压缩等对实时性和平行处理要求不高的功能，以充分发挥FPGA与DSP各自的优势。

智能网络DVR可具备的智能功能
    一般，所需监控的视频图像，是直接从模拟摄像机连接至内置智能视频（IV）功能的DVR。这种智能网络DVR将首先执行一些智能分析与识别的应用，它可嵌入的智能化功能除智能网络摄像机可嵌入的的一些基本智能功能外，还可根据不同的高端应用分别嵌入一些复杂的智能功能。智能网络DVR可嵌入的智能化功能有：

1、可嵌入视频丢失、变换、模糊的检测识别与预/报警的智能功能
    该项智能功能是最基本的功能，也是最必须需要的。若DVR连接的摄像机无此功能，就必须嵌入此项智能功能的软件模块。有了此项功能，值班人员才能第一时间发现视频被遮挡或无电源供应而使视频丢失、监控场景的视频变换、或焦距丢失等使视频模糊，从而可消除隐藏的犯罪事件的发生。

2、可嵌入能联动相应防区的其它安全防范设备的综合安全防范功能
    在平安城市的建设中，视频监控系统必须要能联动相应防区的安全防范设备，如出入口控制系统，防火防盗报警系统等。即需同门禁探测器、防火与防盗及煤气与放射线泄漏等安全的报警探测器等联动，以达到综合化的安全防范功能。例如，当接收到门禁探测器、或防火、防盗及煤气与放射线等泄漏的报警信号时，相应位置的网络摄像机即可通过可预置云台自动转到相应的预置位，以自动进行录像，并触发警铃与灯，进行声光报警，从而实现综合化的安全防范功能。[nextpage]

3、可嵌入对各种天灾的检测识别与预/报警的智能功能
    在平安城市的建设中，还必须有对城市火灾与水灾的水位、危房、桥梁易断处、道路危险路段或铁路公路旁易发生山石崩、雪崩以及地震站侦测地震等的地方进行检测、识别与预/报警的智能功能。通常，安置带十字刻度标尺的摄像机去进行监测。当视频设防点的视频图像移动到十字标尺的某一警告刻度时，所嵌入的智能软件算法即能自动启动录像、定点显示与预/报警，从而使值班人员能第一时间根据声光报警去进行查看与处理，以防止各种灾害带来的危害。

4、可嵌入视频移动侦测的检测识别与预/报警的智能功能
    在银行、珠宝店、商店、仓库、财会室、军械室、保密室、博物馆、油库、以及一切重要的监控的场所对安全性要求比较高的地方，均需设置视频移动侦测的预/报警功能。这一功能必须要滤除老鼠、猫、狗等小动物以及由光线变化等环境带来的干扰，并且要能精确地侦测和识别单个物体或多个物体的运动情况，包括其运动方向、运动特征等。此外，视频移动的检测区域还可单独地进行开或关，以适应特殊时间段各出入口、大厅、停车场等的要求等。

    当侦测与识别到是不认识的移动人体侵入时，即自动启动录像、定点显示与预/报警，使值班人员能第一时间根据声光报警去进行查看与处理。并能根据其运动情况，自动发送PTZ控制指令，使带云台的摄像机能够自动跟踪物体。如人体超出该摄像机监控范围之后，也能自动通知人体所在区域的其它摄像机继续进行追踪，直到抓捕罪犯为止。

5、可嵌入自动开关灯光、调整光强与识别有否外人侵入的检测识别与预/报警的智能功能
    在党政机关、学校、企业和大型家居环境，可采用智能视频分析技术用来消除巨大的电能浪费与安全隐患，如能视天气情况等自动关闭不必要的灯或打开有人办公工作的灯或根据需要自动调整灯光的强度，以及自动监控有无外人侵入等。因为智能安防视频监控系统可随时计算出在一定的环境中什么位置有人走动或办公，能自动打开或增强相应位置的灯光，自动关闭或减弱其它位置的灯光。并且在单位或家庭有存入本单位或家庭人员情况的数据库时，还可用来自动分析与识别这些环境中的人是否与数据库中已有的一致，如发现有外人侵入时，能及时进行预/报警等。

6、可嵌入出入口人数统计的检测识别与预/报警的智能功能
    网络DVR也可嵌入出入口人数统计的检测、识别与预/报警的智能功能。该项智能化功能，能够通过DVR嵌入的这项智能软件算法模块对摄像机所输入的监控画面进行分析，自动统计计算穿越国家重要部门、重要出入口或指定区域的人或物体的数量。

    这一智能化功能的应用，还可用于商业等用途，如广泛在服务、零售等行业用来协助管理者分析营业情况，或提高服务质量。如为业主计算某天光顾其店铺的顾客数量等。

7、可嵌入人群注意力及拥堵等检测识别与预/报警的智能功能
    该项智能化功能，能识别人群的整体运动特征，包括速度、方向等，用以避免形成拥塞，或者及时发现可能有打群架等异常情况。其典型的应用场景包括超级市场、火车站、娱乐场所等人员聚集的地方。

    此外，还可统计人们在某物体前面停留的时间。据此还可以用来评估新产品或新促销策略的吸引力，也可以用来计算为顾客提供服务所用的时间等。[nextpage]

8、可嵌入非滞留爆炸物的检测识别与预/报警的智能功能
    该项智能化功能，主要用于对重要设施或公共场所等处的可疑滞留物体（如化学与爆炸物体）超边预定时间段还未取走等异常行为，进行处理、识别，并锁定跟踪与预/报警，从而尽快排除，以保障人民生命和财产的安全。

9、可嵌入电子警察与智能交通的检测识别与预/报警的智能功能
    如DVR专门用于平安城市的交通管理，可嵌于电子警察与智能交通的一些智能功能。在电子警察系靳中，有车辆闯红灯、压黄线、逆向行驶、超速等违章行为的检测，并检测识别违章车辆的车牌，除存贮打印该车及违章时间外，同时预/报警并跟踪该车。

    在智能交通中，有对道路车辆视频进行分析，从而实现对车型、车速、车辆拥堵与疏导等的视频检测、处理、识别、跟踪的预/报警功能。

10、可嵌入面像、步态、声音等的检测识别与预/报警的智能功能
    在城市出入口（民航、铁路与公路站口、轮船码头等）、过道、以及军事、公安、政府、银行、博物馆、珠宝店等重要机密与财产的地方，可设置面像、或步态、或声音等人体生物特征识别的智能功能，并将该智能软件算法模块嵌入网络DVR中。尤其面像与步态识别，不像指纹识别与眼虹膜识别等那样需要人的配合，它可以在离摄像头有相当远的距离内在人群中识别出特定的个体。因为它可将捕捉到的面像与步态的视频或声音，与数据库档案中的面像、步态或声音的资料进行比对识别，如识别是通揖等逃犯与其他疑犯，则立即会自动启动录像与预/报警，并进行跟踪，直到抓捕为止。

    在此同时，还要将这些检测与识别的智能功能数据数字化、压缩并存储，并且将检测与识别的分析结果输出传输到监控中心，同时分发给授权的管理者。

智能网络DVR的实现方案
    基于DVR的数字化网络系统，突破了以往传统的数字硬盘录像机、模拟矩阵、摄像机等独霸天下的局面。在智能网络DVR系靳中，由于新增加了上述一些智能功能的图像分析与识别、智能搜索引擎、智能寻像、多媒体指挥平台等高效实用的功能，使它作为一种独立的产品形态，己逐渐进入了人们的视野。

    智能网络DVR系统由视频输入、A/D与预处理、对视频分析识别的智能软件算法模块、视频编码压缩模块、视频记录存贮、图像回放与显示、网络接口模块等部分组成。智能网络DVR系统实现方案的组成与工作原理方框图如图3所示。

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    典型的嵌入式的DVR的视频输入，可接4路、8路、16路摄像机。由图3可知，当输入摄像机输出的视频信号后，即进行A/D变换，并在进行必要的预处理后，方可送入DVR中所嵌入的对视频分析识别的智能软件算法模块中去进行分析与识别，其输出一方面送入本机的硬磁盘或光盘记录存贮，另方面将有异常的带预/报警信息触发的视频数据送入编码压缩模块压缩后再经网络接口送入网络传输到监控中心，以用于进一步地分析并采取进一步的响应，以降低网络设备的负载并减少人为错误。硬磁盘或光盘记录存贮部分，还可供本地图像回放显示以及监控中心的查询。显然，智能网络DVR系统，其首要的优势是数字化和压缩的过程都在本地完成，此时可通过已连入互联网的现有网络设备来传输智能数据，以有效降低使用成本。

    基于智能网络DVR系统的控制站点多，系统视频容量大；它从图像采集开始进行数字化处理、传输，且各个DVR都有独立的IP地址，并采用分布式的信息转发和存储，将数字化的视频压缩信号直接连接到LAN/WAN中；它作为整个网络的视频共享资源，大大提高了网络带宽利用率，从而实现远程维护、远程配置、远程状态查询，减少现场维护工作量，使远程管理成像在本地一样方便。显然，这种以智能的实用的图像分析与识别功能为特色的产品形态，将会越来越多地在实际应用中逐渐为用户所接受。

    值得指出的是，DVR中所嵌入的对视频分析识别的智能软件算法模块，将本文所述的智能功能都嵌入是不切合实际的，而是根据应用的需要而分别嵌入所需的功能。如仅用于智能交通，就只嵌入电子警察与智能交通的智能功能；如仅商业用途，也只嵌入人数统计与人群注意力及拥堵检测识别的智能功能；如用于预报各种灾害，就可嵌入对各种灾害的检测识别的智能功能等等。

结语
    由上看出，智能网络DVR系统方案是一种非常实用的智能视频产品行态，嵌入式系统非常适于有4、8、16路监控点的场所使用，且其智能功能可根据需要而嵌入，方便灵活。只需要进行基本的配置，就可以搜集到特定的智能信息，使管理者更容易决定分派哪些具体的工作。随着各机构希望能增强他们的视频系统，不同类型的分布式的智能应用可能会被组合到一起。显然，网络分布式智能拥有无限的扩展能力，未来的扩展实际上就如同搭积木一样简单。

    因此，已有好的品牌的DVR公司，不要总是跟着国外的产品走，应尽快组织开发出智能视频分析识别的模块，以嵌入自己的DVR系统中，以形成自己品牌的智能DVR系统，定可畅销国内外。（本文作者雷玉堂  现任职于武汉市乐通光电有限公司高新技术研究所）