视频编码芯片在数字视频监控中的作用

视频信号数字编码后进行传输或存储，同模拟视频信号相比，有不可比拟的优势。视频信号的数字编码压缩是有代价的，压缩成本的高低，决定系统的成本。 


      只有在单片视频编码芯片出现后，数字视频监控才进入实用化阶段。由于满足数字视频监控应用需求的多样性要求，采用SOC技术的视频处理器（VIDEO PROCESSOR，有的也叫DSP）将在数字视频监控产品中占据主流。 


一、专用压缩芯片带来数字视频监控市场 


   在监控应用中，视频图象数字化是实时编码压缩的，这完全不同于VCD和DVD节目的制作（VCD和DVD节目的制作可以花费数十倍、甚至数百倍的时间进行编码压缩）。视频编解码的运算强度非常大，用原来的DSP来实现视频编解码几乎不可能，压缩算法的优化技术还不成熟，必须在专用ASIC中借助一些特定的硬件加速器如运动估计（ME）、DCT模块、格式转换、变长编解码器（VLX）等来实现实时编码。由于图象编解码的复杂性，纯硬件实现规模太大，几乎是不可能的，必须借助强大的处理器完成。这便是专用的图象压缩芯片也需要下载微码的原因，目前在使用的MPEG-1/2编码芯片都存在微码，所说的硬压缩即芯片压缩都是有处理器的。也正是这些压缩芯片的出现，特别是单片编码芯片的出现，监控系统的复杂程度大幅度降低，成本也随着降低，才使得视频数字化监控成为可能。在通用DSP或视频处理芯片还没有发展到能够实时压缩视频信号的情况下，专用视频压缩芯片的出现，带动视频模拟监控转向数字视频监控。 


   视频图象处理芯片（VIDEO-PROCESSOR）除了处理器以外，在芯片内还集成了一些其它的IP（INTELLIGENT PROPERTY）模块，如VIDEO IN、VIDEO OUT、AUDIO IN、AUDIO OUT等，有的还有图象压缩硬件加速模块等。这样的芯片，称为SOC（SYSTEM ON CHIP），即单片系统。从本质上讲，专用视频压缩芯片和通用视频处理芯片都属于SOC，差异是前者带有固定的压缩模块、固定的处理方式和固定的微码，后者需要监控产品开发商开发视频压缩算法程序。 


   专用的视频芯片都是为消费类应用设计的，将其应用到监控领域来，还存在一些其他方面的问题： 


   1、 消费类使用是单一的视频编码，不会同时要求多路视频同时压缩，而监控往往要多路视频同时进行压缩处理。 


   2、 消费类连续使用的时间一般不长，而监控使用往往都是长时间连续使用。 


   3、 消费类使用往往需要对视频图象信号做后期处理，进行编辑；而监控系统强调的是实时压缩，在实时压缩的同时还必须进行一些必要的处理，如运动检测、时间发生器、LOGO标识、水印等，这些处理都是前处理，这些辅助功能对压缩产品而言显得也非常重要，这些处理都是在压缩前或压缩中进行的。 


   4、 更为重要的差异是，消费类使用不太需要动态调整编码参数，而在监控领域的应用中，强烈需要动态的调整编码参数，如帧率、图象质量、帧结构等。 


   同消费市场相比，监控市场太小，且监控应用的需求是多样的，不可能用一款芯片满足千奇百怪的应用需求。芯片厂家也不可能为监控市场开发出一系列的芯片，而且芯片开发周期很长，成本代价太大，市场又在不断发生变化，产品更新换代的速度非常迅速，对监控市场而言，等待集成了算法的专用视频压缩芯片成熟后开发产品，肯定跟不上市场的发展。曾经在监控领域获得广泛应用的专用视频压缩芯片如W99200AF、Z1510、SM2210、SM2288、IVT15等，已经不能满足监控市场应用的要求。 


二、视频处理器推进数字视频监控市场 


   随着IC技术的进步、处理器技术的发展，DSP、RISC、VLIW三种不同技术的处理器逐步统一，现在的多媒体处理器融合了三种处理器技术。 


   SOC技术发展非常迅速，VIDEO PROCESSOR已经非常强大。视频处理器集成了很多外围电路，包括VI单元（VIDEO IN UNIT）、VO单元（VIDEO OUT UNIT）、AI单元（AUDIO IN UNIT）、AO单元（AUDIO OUT UNIT），内部还有一些协处理器，如变长编码/解码器VLX、运动预测ME、DMA控制器、IIC控制器等，这些IP模块的集成大大增强了VP的处理能力，这些VP也是以DSP的名称出现。 


   随着DSP主频的不断提高，处理能力的不断增强，以及视频编码技术的不断进步，在DSP上开发视频压缩软件，实现实时的视频压缩成为可能。其中，开发拥有自主知识产品的、基于通用DSP平台的、高效率的视频压缩软件，显得非常重要。我们开发通用的DSP的能力不够，我们开发专用的视频压缩芯片的能力也不够，但我们可以在通用的DSP上，开发出高效率的视频压缩软件，并根据监控市场应用的需求，不断增添新的功能。由于监控市场的封闭性，视频压缩软件可以不受标准的限制，可以及时吸纳视频编码最新成果，以适应市场需求、满足用户要求为第一目的。而专用视频压缩芯片是为消费类设计的，强调的是兼容性。因此，为了满足监控市场的需求，在视频处理器上开发定制的压缩软件，具有以下一些特点： 


   1、 可以不受标准的限制，采纳最新的压缩技术，符合监控市场的特点。比如，监控是长时间录象，对低码率的要求很高。因此，在视频压缩软件中，第一追求的是高压缩比。 


   2、 远程监控很强调网络的功能，低网络带宽的限制，导致对低码率的要求。有些应用，对网络的延时要求很低，要求低延时。因此，视频压缩软件可以根据不同的应用需求，为不同的应用实现不同的功能：可以以低码率为实现目标，可以以低延时为设计目标。 


   3、 根据应用场合和环境的变化，可以在压缩过程中动态地修改编码参数，如图象质量、帧率、帧结构等。 


   4、 可以很方便地实现视频信号叠加图标、字符串等，如时间信息、地点信息。 


   5、 在很多监控场合，还需要语音的压缩，一般消费类芯片支持的是声音的压缩，声音的带宽比语音的带宽要大得多（语音在3400Hz以内，声音的带宽从0~20KHz）。语音压缩可以采用G.729a、G.729、G.723、G.723.1等，压缩码流只有8Kbit/s、6.3Kbit/s、5.3Kbit/s，而声音的压缩码流最低为16Kbit/s，一般都在32Kbit以上，这对存储差异不大，但在窄带上传输来说，显得特别重要。 


   6、 支持“水印”技术，防止记录文件被串改。 


   总之，在视频处理器上开发自己的压缩软件，拥有自主的知识产权，能够根据应用的实际需求做相应的编码软件的调整，意义特别重大：不再受压缩芯片约束，可以自由的发挥。在视频处理器（DSP）上实现视频图象的软件压缩编码，正是国人的长处。国人互勉，抓住机遇，在日益增长的监控领域，创立民族品牌。 


三、结束语 


   杭州海康威视数字技术有限公司是一家致力于研究视音频编解码核心技术、开发和生产自主数字视音频压缩产品的专业公司，作为国内在视频处理器（DSP）上开发视频编码软件的先驱，在多款视频视频处理器（DSP）上进行了非常有益的尝试，已经取得了非常有意义的进展，目前推出的COIN DS-400XM和COIN DS-400XH两个系列的产品，代表了监控类数字视音频编码产品的发展方向。