视频级联模式在混合式DVR(HVR)中的应用

视频级联模式在混合式DVR（HVR）中的应用传统架构的混合式DVR(HVR)HVR之前监控行业正朝向数字化、网络化、智能化的发展，而数字化已经被应用的发展所证明，其代表性产品就是DVR。DVR的核心功能为“数字录像”，即模拟采集数字转换、视频压缩和视频网络传输，当然还有实时预览、实时控制和录像回放等功能。如此众多的功能被整合在一起，加上人性化的操作方式，极好地诠释了“数字化”的理念，完美地替代并扩展了原有模拟摄像机+VCR录像机的监控应用模式。“数字化”之后就是“网络化”，那么何为“网络化”?“网络化”的过程中是否能够形成如DVR一样完美的代表性产品形态呢?自网络摄像机(IPCamera)+网络录像机(NVR)、模拟摄像机+DVS+NVR模式的闪亮登场，业内有部分人士开始呐喊“NVR是DVR的终结者”口号。然而数年过去了，DVR没有被终结，而NVR也一直未能形成气候。究其原因，还是市场规律在起作用。若想在市场唱主角，光一个漂亮的宣传口号是不行的，真正的杀手锏是要为客户带来价值。在“网络化”中，最杰出的成果是监控平台。平台通常是基于PC的一套软件系统，它能通过网络系统将DVR、NVR、IPCamera以及DVS等整合起来，集中进行管理和配置。一般的平台功能包括：设备管理、用户管理、录像管理、流媒体转发、电子地图、电视墙等等。监控平台将监控产品的功能和监控的具体应用结合起来，在可靠性、安全性和强大的功能之间达到平衡。2008年以来，高清监控的兴起为视频监控的“网络化”注入了新的生命力。由于传统模拟视频的传输方式不再适合高清视频(1280×720，1920×1080或者更高)的传输，而高清视频的传输方式如VGA、DVI、SDI以及HDMI等所支持的距离均达不到监控的要求，因此网络方式传输高清视频成为了视频监控理想的选择。除了占用的带宽比CIF和D1更高一些(即每路传输线所容纳的通道数目有所减少)之外，系统的其他部分和传统的标清系统基本上没有区别。因而，随着高清监控的市场需求不断增长，网络化的架构逐步走向普及。那么，网络化的未来，IPCamera+NVR是否是唯一的模式?答案是否定的。因为市场有其自身的规律，它不存在于理想主义者的想象之中，而是存在于现实之中。正因为此，混合式DVR(HVR)应运而生。HVR时代什么是HVR?HVR是既可以接入模拟视频，又可以接入数字视频的数字视频录像机。也就是说，它是传统的DVR和NVR的综合体，所以有人说：HVR=DVR+NVR。当然，这种简单的加法不能代表其真实的市场定位，下面以例来说明HVR的应用。某电力监控系统，其子系统由一个16路D1的DVR和16个模拟摄像机组成，现在对其进行改造，增加16个标清监控点和8个高清监控点，其可选方案有：1、增加1台16路D1的DVR和1台8路高清NVR。2、增加1台HVR。3、加1台16路D1的DVR，并将8路高清直接连接到监控平台(如果系统中有监控平台的话)。其中，方案1的成本大致是方案2的两倍左右，其性能基本上差不多;方案3需要原系统中有中心平台，而且一级单位无法现场查看和存储录像。从上面的案例可以看到，HVR系统具有好的性价比优势。HVR系统具有如下优势：·既可接入模拟视频，又可接入数字视频，构成的系统具有很大的灵活性。在实际应用中，相对集中的、距离较近的监控点适合使用低成本的模拟方式接入;而离散的、距离较远的监控点，或者高清监控点适合用数字方式接入;·HVR的模式可以灵活地配置。如一台16路模拟(D1)+8路数字(720P)的HVR，可以配置成纯DVR模式(16路模拟D1)、混合模式(16路模拟D1+8路数字720P)、NVR模式(16路720P或者32路D1的数字接入);·类似DVR的使用方式。HVR完全继承传统的DVR的使用方式，在配置完成之后，在系统的使用方式上，操作者不用去刻意区分模拟通道和数字通道，直接按照以前DVR的使用方式去操作设备即可。无论是前端预览和录像，还是云镜操作和报警控制等，与传统的DVR没有区别。这样，可以让使用者无障碍地过渡到新的系统;·系统价格优势，HVR在不大幅增加系统成本的前提下，提供更高的综合性能。一个16路模拟D1+8路数字720P接入的HVR，市场价格仅仅高出相同档次的DVR的10%〜20%。那么，HVR时代可延续多久?它是不是DVR、NVR之间的过渡产品呢?事实上，混合式系统将长期存在。原因基于以下的客观因素：·原有模拟系统已经大规模普及，老的系统有升级需求。特别是部分监控点有高清的升级需求，HVR可以做到无缝过渡;·模拟系统方案在集中性、短距离场合具有成本上优势。毕竟IP摄像机的成本大大高于普通模拟摄像机，传统的模拟接入方式在上述场合具有明显的性价比优势;·网络系统带宽的限制以及数字通道必须先编码压缩再解码回放的处理过程，使得目前数字通道在实时性方面比模拟通道差。即使是高清监控，客户也需要在实时性和清晰度之间做出取舍。正如当初人们将VCD作为DVD的过渡产品，因为DVD时代姗姗来迟，VCD在中国曾经撑起偌大一片天空。而NVR相对传统的模拟接入在功能上并没有绝对的优势，所以纯NVR系统若想完全取代现有的DVR(HVR)系统，在可以预见的时间内恐怕难以实现。如果目光深邃到100年以后，监控领域可能是另外一种状况，如无线网络带宽已经足够传输实时视频，或者视频监控已摆脱目前通讯网络模式的束缚，发展出新颖的、专用的“视频监控网”传输方式，届时NVR或将成为市场主流。HVR的基本架构和DVR的基本功能一样，HVR的核心功能也是数字录像、预览回放等。由于加入了数字通道(数字通道的处理方式和模拟通道的处理方式完全不同)，因而对比传统的DVR架构有所扩展(图1)。图1通用HVR的系统结构图2HVR的模拟和数字的预览及录像通道从图2可以看出，HVR确实是DVR和NVR的综合体，图1左边的模拟通道是DVR的主通道，而右边的数字通道则是NVR的主通道。HVR架构上的难题对比NVR，HVR增加了模拟视频接入和编码的功能;而相对DVR，HVR强化了音视频解码和数字接入部分功能，功能的丰富带来的是系统复杂性的增加。如果要构建一个模拟16路D1+数字16路D1的HVR，现有的单片芯片基本上都没有如此强大的编解码能力，那就要以处理芯片的级联来实现。传统的芯片级联的方式通常通过PCI或者PCIE接口来实现，而大多媒体处理芯片将编码和解码的功能做在一起，如下图3。而HVR遇到的困惑就是：视频预览模块挂在主控模块上，所有解码后的原始数据都从PCI给主控，再由主控输出到监视器，这样给主控模块造成了很大的压力。图3多处理器级联模式下HVR系统结构1路D1的原始视频数据(YUV4∶2∶2)约为20Mbyte/秒;1路1920×1080P的数据大约相当于6个D1。据此可以让视频解码器将原始视频缩放到预期的大小，多路拼装成一个1920×1080的视频，然后通过PCI传输，即便如此，仅仅预览这个环节对PCI的带宽需求是120MByte/s;在实际的嵌入式应用系统中，仍很难保证PCI工作在120Mbyte负荷以下的。基于常识可知，PCI的带宽压力越小，系统就越稳定。当然，如果不考虑成本和功耗，还有一个解决方案：将视频解码器集成在主控芯片中，所有的解码任务由主控完成，直接输出到回放预览模块，原始数据不走PCI总线，这样的代价就是需要主控有非常强大的解码能力，但是具有16路D1解码能力的芯片是很少的。而有厂家给出了另外一种解决方案，能完美地解决上述问题，这就是视频级联显示技术。视频级联模式某品牌的视频级联模式有4个支持标准的BT.656格式的视频输入接口，同时支持byteinterleaving和frameinterleaving格式的多路D1合成的码流，即每个接口可以支持1路，2路或4路D1;另外，4个输入接口两两组合，可组成2个标准的BT.1120接口，支持高清数据的输入。该视频级联模式还有一路高清视频输出接口，可支持模拟或者数字输出(此处用到的是数字输出)。此外，其可以将视频输入和视频输出接口串联起来，组成菊花链结构，从而实现多片视频数据的实时预览和回放，参考图4。图4视频级联模式的视频预览回放级联模式该视频级联模式是一个多核处理器，包括一个600MHz的ARM11和一个300MHzARM9，以及硬件加速的H.264编码解码器，可以支持到8个D1的H.264的实时编码或者解码。视频级联模式内部的ARM11可以做系统的主控制器，ARM9用来控制H.264的流程和音频处理，一般不供外部使用。可以用4片3520构成一个16D1模拟接入(16D1编码)和16D1的网络接入(16D1解码)的HVR系统(图4)：16路模拟通道首先经过4片TW2866做模拟/数字变换，然后用byteinterleaving模式合成在2路BT.656链路中，传输给Hi3520，Hi3520剩下的2个BT.656接口并接成1个16bit的BT.1120的接口，用来做视频串联，将4片Hi3520首尾串接起来，组成视频预览回放的串联通路。先计算一下PCI的负荷：4片Hi3520共享一个PCI总线，主控H1的PCI设定为主模式，而其他3片Hi3520的PCI则为从模式，通过PCI总线，主控芯片H1可以对从设备C1〜C3进行软件加载，可以发送控制命令和接收音视频码流，如果以每个D1，2Mbit的码流来计算，PCI的负荷为24Mbit(3Mbyte)，如果加上存储和回放(通过PCI来扩充PCI转SATA桥)，共88Mbit(11Mbyte)的负荷，只有1路D1的原始视频的1半，这就意味着程序员不必再挖空心思为降低PCI载荷而浪费宝贵的时间。在DVR和HVR系统中，对录像和预览回放的处理方式是不一样的，比如全D1的录像机，它的录像通道就是D1大小，是不变的;而预览和回放不一样，需要根据用户的设定来改变，比如在一个1920×1080的显示器上，用户可以将屏幕划分成多个子窗口，一般有36、25、16、9、8、4、1等划分方法，也称之为layout方式。首先，主控芯片H1根据客户规定的layout方式发给每片处理器。每片处理器将采集或者解码得到的视频数据进行缩放，再放到规定的layout子窗口内。然后，将合成的视频从级联输出口输出，随着视频从C1传到C2、C3，最后传到H1。H1贴好自己的layout子窗口后，整个预览视频就完整了，通过MDIN340这颗HDMI驱动器，将视频完整地显示在监视器上，如图5所示。从HVR系统的主要使用方式来分析一下数据流向，探究该视频级联模式的视频预览回放级联模式的具体运作。图5视频级联模式下的layout填充录像模拟通道：每片处理器从视频口采集4路D1的模拟视频，经过数据转换和视频编码后，通过PCI发送给主控H1，H1将数据存入硬盘;数字通道：通过H1的千兆以太网接口，从前端IPC获取压缩码流，直接存入硬盘。预览每片处理器首先从级联输入口获得前级已经填充的视频(C1除外)。模拟通道：从视频采集口获得4路D1的模拟视频后，根据layout的要求进行缩放，然后将图片按照layout的要求进行填充;数据通道：主控CPU将数据预览的任务根据各CPU占用情况，将解码任务和相应的layout分配给较为空闲的处理器。分配完成后，H1将从网口接收到的视频流源源不断地转发给处理器。该处理器对此视频流进行解码，缩放，并填充到对应的layout子窗口中。模拟和数字的填充完成后，处理器将视频从级联口发送给下一级的CPU。直到H1，通过显示驱动芯片将视频转换成标准的HDMI信号，再由监视器显示出来。录像回放录像回放对于模拟和数字通道是相同的，主控CPUH1从硬盘读取视频流，将layout和码流分配给各个处理器，各个处理器进行解码、缩放和贴图，通过级联口将视频播放出来。报警处理本地的报警源由本地的设备捕获：例如IO报警、视频移动报警等，均由本地设备驱动程序捕获;数字通道的报警则根据接入协议，由前端产生，通过信令传输到主控H1，有H1解析并联动。云镜控制本地通道的云镜控制，有主控芯片H1执行