数字硬盘录像的基本知识

乐了

2 数字产品与模拟产品的比较
我们知道，以长时间录像机、画面分割器、场开关为代表的传统产品，采用录像带作为存储介质、以手动和自动相结合的方式实现现场监控。这种传统方法在专业应用中常有影像失真、画质恶化、放映时画面闪动或跳动、冻结画面不清晰、搜索(检索)不易、不便操作管理、不能对历史影像进行处理及再处理等诸多缺陷，这就为数字化产品提供了一个广阔的发展舞台。
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以硬盘录像系统为代表的数字产品将影像实时数字化，以高度压缩的方法将影像、声音及系统信息实时地贮存于计算机硬盘，可以为用户提供稳定清晰、“永不褪色”的数字影像，极大地方便了后期的影像资料检索和图像处理。数字图像的放大、增强、柔化、锐化、去噪和打印可以为用户提取更多、更有效的图像信息。而且系统的高度智能化管理也对系统操作人员实施了有效的监督。数字产品的诸多优势使其不可避免地成为替代传统产品和人工劳动的最有效的技术手段。
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3 数字硬盘录像的基本原理3.1 视音频编解码
目前大多数数字硬盘录像系统采用了MPEG4压缩标准。
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MPEG标准是由国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）共同制定的，标准的编号为ISO/IEC 11172，标准的题目为“位率约为1.5Mb/s时，用于数字存储媒体的运动图像及其伴音的编码”。此编号内共有三个部分的内容：第一部分为系统，编号为11172-1，阐述伴音压缩数据和图像数据的复用，以及加入同步信号后的整个系统的结构；第二部分为图像，编号为11172-2；第三部分内容为伴音，编号为11172-3，阐述数字伴音的压缩，其数据压缩率可有64，128和192Kb/s三种码率。

5 O0 v" y$ J: ^8 }! _7 F+ c8 GMPEG为Moving Pictures Experts Group的缩写，译为流动图像专家组，简称动像专家组。在制定MPEG4标准时，MPEG组织首先提出了一些基本原则：动像压缩与计算机应用的密切结合构成多媒体终端；整个标准要给系统的设计以充分自由，压缩质量必须适应广泛的应用；尽可能地延长标准的使用寿命。并于最后形成以下共识：图像压缩质量和当时的录像机所达到的水平相当；压缩图像和伴音码率为1.5Mb/s；数字存储应适合于当前应用的几种媒体，如CD、硬盘等。

关于视频图像及伴音压缩有多种标准，但以往真正应用广泛的、很成熟的标准主要是用于静态数据压缩的JPEG（目前有应用于动态图像压缩的MJPEG）和用于电视电话、会议电视图像压缩的H.261。现在MPEG2也已广泛用于高质量图像压缩，如DVD产品等。
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为什么目前的DVR产品大都采用MPEG4压缩标准呢？在图像及伴音质量方面，它远高于电视电话的图像及伴音质量，与VHS录像机的图像质量和光盘CD-ROM的放像质量相当。即使在通常的计算机显示屏上这些质量也是基本令人满意的。在存储方面，可以存储于多种媒体如光盘，数字录音带DAT，硬盘，可写光盘等。在压缩率或传输码率方面，普遍认为符合目前计算机网络的传输码率，以MPEG4的压缩比在目前容量的硬盘上可以存储一个月甚至更长时间的视音频数据（根据选择的压缩比和硬盘大小决定）。由于目前采用了一种可变码率的MPEG4压缩方法，给用户在容量和质量的选择上以更大的自由空间。在视频图像传输方面，压缩存储的图像可转存于光盘形成国内应用广泛的VCD格式，方便日后查看。
4 D) k; L- p& i( J% K1 F" [3.2 文件系统
数字硬盘录像系统的录像文件搜索查询功能要做到强大、高效、准确、方便实用。

对用户而言，一切与Windows系统有关的文件操作都应是透明的，即用户无需知道文件怎样放置，怎么样查询，以及如何自动覆盖。当用户查找到某一文件时他甚至无需知道文件存放在哪个硬盘上。这样就增强了对系统的安全保护，也极大地方便了用户。

在JH8000系统中的文件操作封装了快速文件的查找，文件大小的判断，逻辑硬盘的快速搜索，最小空间的快速判断，文件属性的快速动态修改，以及在硬盘总空间非常小时对报警的快速处理等。快速文件按摄像机通道号及日期时间排序。同时，对于文件备份，该系统封装了快速动态查找备份盘的函数，而且为文件备份单独开了一个线程，使备份能与系统其它操作同时进行而不相互影响。通过对文件属性的判断实现数据备份，在重要文件来不及备份前先实行有效地保护。在后台录像，前台播放历史文件时，把正在播放队列中的文件进行保护，使之不受系统自动覆盖的影响。
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' b' s- h% ^' x- c9 [, ~* F+ D此外该设备在系统录像启动后会自动启动一个时钟，这个时钟每过一分钟自动侦测当前正用于录像的硬盘空间大小，如果空间不够会自动跳转查找下一个或上一个空间较大的硬盘，文件系统相应地做出处理。如果总的硬盘空间不够，系统会启动自动或手动覆盖方式，覆盖最早一天的部分未保护文件，并给出相应的提示。
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总之，数字硬盘录像系统的文件系统要给用户一个安全、快速、方便的文件操作手段。
3.3 图像处理
图像处理也是数字硬盘录像系统的一个重要方面。对于历史影像的重现和处理可有助于对重要事件画面的辨认。
1．图像变换

图像变换，主要是指数字图像的几何变换，或称为图像的空间变换，即图像中点与点之间的空间映射关系。图像变换是图像变形的基础，被广泛应用于遥感图像的几何校正、医学成像、计算机视觉、电视监控以及电影、电视和媒体广告等的影像特技处理中。

) e) Y" B+ K. I4 i- t数字图像的几何变换或空间变换，是指一种建立一幅图像与其变形后的图像中所有各点之间映射关系的函数，可表示为：
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[x，y]=[X(u，v)，Y(u，v)]
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或


[u，v]=[U(x，y)，V(x，y)]
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式中，[u，v]表示输入图像中像素的坐标，[x，y]表示变换后的坐标。X，Y，U，V表示惟一确定空间变换关系的映射函数，即它们惟一地定义了输入图像和输出图像中所有点之间的几何（或空间）对应关系。X，Y将输入映射到输出，称为前向映射（Forward mapping）；U，V将输出映射到输入，我们称之为逆向映射（Inverse mapping）。在数学关系上体现为实数集到实数集的映射。
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' y0 |$ r1 L8 w但是，数字图像的像素坐标必须采用离散的整数来表示。因此，对于这种从整数集到实数集的映射，在需要将实数集离散成整数集时，可能会产生两个问题，即产生洞孔或重叠。将连续的采样点映射到输出栅格的稀疏位置时，有的栅格点不能被映射到，这就是所谓的洞孔现象；当两个或多个采样点映射到同一像素位置上，就产生了所谓的重叠现象。由于图像变换是一种一一对应的映射关系，因此只要出现洞孔，就一定存在重叠，反之亦然。
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为了避免上述情况，在映射过程中必须进行一定的处理，如相交检测、非均匀采样等。因此，前向映射需要很大的时间和空间开销。

我们知道，空间变换在频域体现为乘积关系，在空间域上就体现为卷积关系。卷积可以简单地看成加权求和的过程。卷积时使用的权通常用一个很小的矩阵来表示。为了保证图像处理的实时性和图像处理的效率，我们通常采用一个3×3的变换矩阵来表示这种变换关系。例如，我们在应用程序中就是采用3×3的变换矩阵。其变换表达式为：

. [/ G, X0 X) t$ \9 f- k# S6 N[ra，ga，ba]=[rb，gb，bb]T

1 L& H, Y0 N4 O, `# t式中，ra，ga，ba为变换后空间各点的R、G、B值，rb，gb，bb为变换前空间各点的R、G、B值，T为3×3的变换矩阵。为了保证图像不溢出失真，且不改变图像的亮度信息。T变换矩阵必须保证总的权重为1。

) L8 j. e' U4 \; D! ?4 f2．图像处理
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图像处理就是用一系列特定的操作来改变图像的像素，以达到特定的目标，比如使图像变得更清晰，或从图像中提取某些特定的信息等。数字图像处理是现代图像处理的主要方法，它具有再现性好、精度高、适用面广和灵活性大等优点。现在较通行的图像处理方法是区域处理法，即输出的像素值不仅与输入的像素值有关，而且与输入像素在一定范围内的相邻像素值有关。数字硬盘录像系统中采用的图像处理方法就是区域法。

8 |% J+ j. I/ k" A(1) 图像平滑（或称柔化）
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在图像处理中，我们采用低通滤波的方法实现图像的平滑。低通滤波的基本思路是保留空间频率的低频成分，减少图像的高频成分。低通滤波可以降低图像中的视觉噪声，同时除去图像中的高频部分以后，图像中那些原本不很明显的低频部分就更容易识别了。

低通滤波可用卷积的方法来实现，低通滤波的截止频率由卷积核的大小及卷积系数所决定，用于低通滤波的卷积核叫做低通滤波器，低通滤波器应具备以下特征：
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(a) 卷积核的行数、列数（即卷积核的大小）为奇数，通常为3；

2 G& u. m+ j0 }7 Q! P8 J! p(b) 卷积系数以中心点为中心对称分布；
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(c) 所有的卷积系数都为正数；

(d) 距中心点较远的卷积系数的值较小或保持不变；
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; H: W0 `6 B+ Z) i4 g; J3 F* m3 P' _(e) 为了不改变图像的亮度，所有的卷积系数之和为1。
( D+ H4 G' ^& [. S9 a% V- i
, r* @. f, ^% N下面的低通滤波器是本系统为实现图像平滑所采用的滤波器：

2 f, O9 R6 p$ z) u) Z0 F- A 1/16 1/8 1/16
3 U$ N) l# y' T: Y. W" N; G4 H
  y$ u$ m# O" T 1/8 1/4 1/8

# g5 i- R$ f: ]$ N 1/16 1/8 1/16

由于低通滤波削弱了图像的高频成分，图像中像素值的突变被平均值所替代，因此低通滤波使图像变得平滑，在视觉上变得模糊。
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(2) 图像锐化


1 \/ ^6 Q" @0 Y9 V0 I4 t" V我们通常采用高通滤波的方法来实现图像的锐化。高通滤波增强了图像空间频率的高频部分，而阻挡了空间频率的低频部分。相对于高频成分而言，低频成分被削弱了。在需要突出图像中的高频成分时，可对图像进行高通滤波。
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) @: O' X! T* K" a4 a5 ]. h$ H- N# U高通滤波也可以通过卷积的方法来实现，这时使用的卷积核被称为高通滤波器。高通滤波器的基本特征应是：

4 n9 t- D7 j3 s& y# ^& D; R(a) 卷积核的行数、列数（即卷积核的大小）为奇数，通常为3；

(b) 卷积系数以中心点为中心对称分布；
, H7 b  z+ O! S  s4 V6 A

" B, \: E; n; o: \(c) 中心的卷积系数为正数；


4 p, f2 Q: k. P: ~: j+ L(d) 中心周围的卷积系数一般取负数或0；
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(f) 卷积系数之和为1。

' V4 W4 H: \, s+ S( G6 q
& u- `  M* e- \' ]/ y8 X# F  f下面的滤波器是本系统为实现图像锐化所采用的高通滤波器：
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1 -2 1
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5 W, P. Z, A( r+ \9 \" s -2 5 -2

' }; D9 a" J/ D0 z7 F3 Y' b- G 1 -2 1
+ d1 e/ i3 |" G, z. J+ w. T
, C  I, x5 O1 K2 G. n在高通滤波器中，卷积核中心的卷积系数最大，在处理中起着关键的作用。当该卷积系数经过图像中的高频部分（即图像像素值突变的部分）时，由于其值较大，它与像素值的乘积很大，在最后的卷积结果中占有很大的比重。因此，卷积过后，图像中像素值的突变就更显突出，即图像中像素之间的变化得到增强；同时，图像中像素值变化较小的区域（即图像的低频部分）所受的影响却很小。所以，高通滤波将使图像锐化，使图像更加醒目，在视觉上，就显得更为清晰。但同时，高通滤波也放大了图像的噪声。

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DVR的基本分类DVR在发展初期由于百家争鸣、种类繁多，让业内相关人士颇有「眼花撩乱」之感，在经过一段时间的变化后，各种型态的分类也大致成形。根据台湾工业技术研究院光电工业研究所《光电产业发展剖析》报告中，大致将所有的DVR分成三个类别：一．数字STB类型STB指的是Set-top Box（一般译成：数字卫星接收器、机顶盒、电视上网机、随选视讯盒等，由于译名分歧，故在此以STB统称之）。数字STB类型的DVR在性质上属于功能整合性的讯号接收平台，以提供数字录像功能与接收数字广播及互动应用的讯号为主，可选择接收数字无线地面传播（Digital Terrestrial）、数字有线电视传播（Digital Cable）、数字卫星传播（Digital Satellite）等不同种类的传播讯号。二．PC-based类型PC-based类型的DVR其应用平台为一般的PC、手提电脑等。在PC内装置一片或多片影像撷取卡，利用软件进行影像压缩并执行影像编辑功能，系统较不稳定。三．单机（Standalone）类型单机型的DVR乃重新利用CPU及RAM来开发设计，采用专属的软件程序，研发成本较高。采用硬件压缩，品质稳定，不会有死机的问题产生，且在影像储存速度、分辨率及影像画质上都有较大的改善。这类型的产品只单纯提供数字录放影功能，而不附加其它如广播讯号接收、上网际网络等功能。由于应用在安全监视领域的产品多属于上述的第2类及第3类，因此本文将仅就这两个类型做探讨。PC-based类型与单机类型系统孰优孰劣的争议，到目前为止仍无法下定论。目前虽以PC-based的DVR占市场多数，但据观察，两种类型的产品将各自产生市场区隔。1995年即投入DVR领域发展的日本Ikegami公司，其海外部经理Yasuhiko Saito就指出：「DVR市场将朝向两个不同方向发展，一方面，由于RTOS(Real time Operation System，实时操作系统)在运作时的可靠性，预料会有很大的发展；但另一方面，对强调可联网工作的DVR产品，Windows操作系统则因为操作简单而将成为另一种主流」。