在设计数字视频录像(DVR)系统时,可以从板级DVR入手而不必从头开始。不过进行这样的决策很复杂,取决于你的目标是什么并且如何实现它。首先必须确定特殊的应用需求。例如,可以从某些形式的模拟视频信号开始,从输入信号开始考虑,在模拟环境中输入信号可能是S-视频、复合视频或分量视频。因此首先需要决策的问题在于是否需要更换摄像机来改变信号本身,或者说将信号转换成数字格式是否合适。考虑到实际能力、成本以及目前最常用的商用模数转换器(ADC)所能实现的图像质量,很少有输入信号本身就是数字信号的情况。
所选用的ADC类型将极大地影响图像记录以及回放质量。为了确保所记录图像信号的完整性,所选用的ADC应该具备如下性能,即带有YUV数字彩色分割,60场/秒NTSC,50场/秒PAL,以及720x486(525/60)和720x576(625/50)的像素分辨率。否则,将不可能实现高质量的视频录像。
需要注意的是,模拟到数字的变换需要付出比简单地选择一个ADC更多的努力。将模拟视频解码成数字分量,然后再将视频编码器的输出处理成高质量模拟信号的这些工作很容易被低估。
慎用参考设计
仔细地处理模拟信号,尤其在模拟信号到数字信号的转换阶段,这是实现高质量图像的基本要素。在这阶段的损失是降低图像质量的最大原因。在损失分辨率和造成信号失真的同时,更危险的是很容易引入高频噪声,而这却被后续的压缩编码视作为高频图像信息。其结果是付出很高的代价,即将低了压缩效率,使得数据率增加了20%或更高,从而恶化了压缩效果。再带宽有限的应用中,其带来的副作用是增加量化,进一步降低保持目标数据率的高频率。很显然,与由纯净信号输入压缩成的同等数据量的图像相比,由带有噪声的输入信号压缩而成的图像性能肯定要差。
有几家知名厂商都可以提供单芯片的视频编解码器,还有的给出外围分离元件数值的参考设计。但遗憾的是,这类方案都比较简单,其结果通常较差。如果最大目标是图像的忠实度,则当采用参考设计时,设计师就必须接受选择高性能元器件以及根据需要来加强或者有时需要省去数字离散滤波等方面的缺陷。在非常重要的布线阶段,设计时必须密切地注意一些细节,例如元器件部分、电源滤波,在模拟信号与数字信号相互靠近的地方小心合理地采用模拟和数字位面等。至此,真正的工作才刚开始。加电后,由熟悉视频的工程师进行测试。首要的事情是调整元器件值和布线,然后要判断寄存器设置调整所带来的影响。
这里必须采用模拟信号并将其转换成数字信号。下一步要确定需要存储的数据量,这是视频压缩决策最重要的一环。根据固有特性,数字视频需要较高的数据率,图像质量越高,所需的数据量就越大。视频压缩是一项使数字视频信号采用少得多的数据的技术。目前有许多种可用的压缩格式,每种都有各自的优缺点。尽管没有足够的篇幅来讨论各种压缩方法之间的所有差别,但确有必要指出描述某些压缩方法时所用的一些容易产生误解的术语。
运动JPEG压缩
在这些容易导致误解的术语中例子之一就是“有损耗(lossy)”一词的使用。像JPEG这样的算法能够完美地生成几乎无法与源图像区分开来的高质量的图像。虽然实质上某些数据可能在压缩后无法恢复,但在绝大多数情况中,损失的这些数据并没有关系,只要是测试设备或肉眼无法检测出的图像差别即可。相应地,将亮度和色度结合到复合视频信号中时会给亮度分辨率带来不利影响。虽然这不能称作为“有损耗”操作,但色度信号不可避免地掩盖了3.58MHz(NTSC)副载波周边亮度信号的事实却没有顾及到许多用户要求无损耗压缩的要求。如果同样的用户指定S-视频作为模拟源,并以无损耗压缩数据率的一半数值进行所谓的“有损耗”压缩,所获得的图像质量将会好得多。
图1:运动JPEG允许读取每一帧。
所选用的压缩技术将直接影响图像质量和存储量需求,因此至关重要的是要搞清楚所需图像的质量等级。除了Wavelet、Cinepak、Fractal压缩和其他一些专有压缩技术外,目前所用的两种最流行的压缩方法就是MPEG和JPEG。JPEG一开始是为了用于静止图像的压缩,而MPEG则是视频压缩的通用标准,可以将其视作为纪录视频的最佳选择。而JPEG的视频格式-运动JPEG则能够提供一系列其他压缩方式无法提供的压缩效果。JPEG实现了较高的图像质量,采用5:1的压缩比,还能实现与源图像难以区分的图像质量,即便是将压缩比再提高一些,仍能保持良好的图像质量。
运动JPEG的另一个优点是每一帧都是一个静止图像,因此任何一帧都可以作为一个静止图像来提取。而且由于运动JPEG的编码复杂度要低于MPEG,故采用运动JPEG的视频录像机可以实现体积更小并更省电的设计。
如上所述,针对不同应用,每种压缩方法都有其优缺点,JPEG和MPEG之间的基本差别就在于前者的每帧独立。而MPEG则侧重利用连续视频帧中的相似性,即在周期性完整关键帧中只记录各帧与相邻帧之间的差别来实现更高的压缩比。运动JPEG缺乏帧内依赖度,这意味着从一帧到另一帧没有任何省略。运动JPEG还为编码器提供延时记录的能力,可与几路视频源多路复用,并且可以选择不同的压缩比,因而具有很大的灵活性。
存储介质
前文简要介绍了ADC和压缩技术,现在回到如何为你的数字录像机选择物理存储介质、区域和存储器容量。为了缩小讨论范围,首先要确定的问题包括是否需要移动存储介质、热交换驱动器；一个内置硬盘驱动器能否够用；是否需要从你的设备上下载这类数据,以及将使用什么样的接口。
选择什么样的介质类型主要取决于如何对新视频图像进行存档。如果之前你只是简单地取出模拟录像带,对其进行标识,将其放入箱子中并运到存储的地方,那么现在将数字图像存储到移动存储介质上,然后继续进行标识并运到存储仓库,这还有意义吗？可能没有任何意义。所以真正的问题在于如何将视频图像传输到服务器或者网络上!
只有你自己才能确定什么介质在你的环境中工作得更好。考虑灵活度,利用一个标准的2.5"硬盘驱动器可能是一个有效的选择,或者对于更加恶劣的环境,采用一个现货供应的闪存可能是更好的选择。受消费者的巨大需求的驱动,闪存的存储密度迅速提高,与此同时价格急剧下降。当然,如果你希望是移动存储介质,则还需要一个弹射机构,能够通过按钮将闪存卡取出来。这样,任何一个用户都能够采用和在传统的录像机中交换录像带一样的方式来交换闪存卡。最后,固态的闪存卡意味着在记录设备中没有运动部件。这在便携设备、手机和人体电子设备中具有极大的优势。
文件管理
将模拟图像资料转换成数字并以数字的方式进行存储可能看起来是最终目标,但实际上这仅仅是开始。而大量的努力则应该用到如何管理这些文件上。文件管理在数字视频录像中可能是最容易忽视和误解的地方之一。
首先,要选择什么样的数据格式？目前最流行的是QuickTime格式,迄今为止任何计算机都能够播放这种格式。实际上,对于许多计算机来说,QuickTime播放软件是以默认的方式安装到计算机上去的。如果没有安装的话,可以免费下载标准的QuickTime播放器,而且大多数非常复杂的编辑软件都支持QuickTime格式。
对于可插拔介质,采用标准的计算机文件格式,使得文件可以容易地保存到硬盘上,这是一个毫无疑问的优点,特别是需要拷贝文件进行分析和存档的时候。采用标准的计算机文件系统可以直接读取视频文件而无需专用的软件。
USB 2.0接口可以作为一个选择方案,也可以与移动存储介质一并使用。这种简单的可插拔设备提供了高速的数据存取,所提供的数据率高达800Mb/。在最近的计算机上,USB 2.0口是一个标配功能,而且目前已被普遍用作为大众存储设备,Windows XP操作系统提供内置支持。于是,当连接你的设备时,Windows 只是将其视作为另一个硬盘。这样,你只需轻点鼠标,就可以方便地回放你的来自数字录像机的视频文件,或者你可以将视频文件复制到计算机或网络上。
DVR方框图和电路板
在图2中给出了Fast Forward Videos公司的一种板级产品的内核架构方框图,即众所周知的Outrider。该架构(正在申请专利)为我们提供了一种利用有限的处理器来管理和处理大量数据的方法。
图2:硬件框图。
许多设计只是利用处理器来简单地传送数据。该设计则使处理器做其擅长的数据处理工作,而数据的转移则不占用处理器资源。这部分是通过存储器优化和文件系统来实现的,这两者都利用随机存取为文件效率而进了最优化。
Fast Forward Video公司的视频解决方案得益于公司二十年来进行密集的、非常严苛的高质量图像产品方面的设计经验。我们的记录设备都是为颇具鉴别能力的消费者设计的,所涉及的一系列具有挑战性的应用包括人体电子,车载电子,水下电子甚至是外太空电子设备。Fast Forward Video公司的记录设备与其他设备高度兼容,可以完全集成来满足任何记录系统的需求。
图3:FFV Outrider产品提供两种方法来方便地取出和转移纪录材料。Outrider CF(上)采用小型的闪存卡,而Outrider IDE(下)则利用80-GB、手提电脑所用的 2.5-英寸的IDE硬盘.
作者:Scott Keating
行销副总裁
Fast Forward Video公司
京公网安备 11011202001138号
