視頻編碼芯片在數字視頻監控中的作用

視頻信號數字編碼后進行傳輸或存儲，同模擬視頻信號相比，有不可比擬的優勢。視頻信號的數字編碼壓縮是有代價的，壓縮成本的高低，決定系統的成本。 


      只有在單片視頻編碼芯片出現后，數字視頻監控才進入實用化階段。由于滿足數字視頻監控應用需求的多樣性要求，采用SOC技術的視頻處理器（VIDEO PROCESSOR，有的也叫DSP）將在數字視頻監控產品中占據主流。 


一、專用壓縮芯片帶來數字視頻監控市場 


   在監控應用中，視頻圖象數字化是實時編碼壓縮的，這完全不同于VCD和DVD節目的制作（VCD和DVD節目的制作可以花費數十倍、甚至數百倍的時間進行編碼壓縮）。視頻編解碼的運算強度非常大，用原來的DSP來實現視頻編解碼幾乎不可能，壓縮算法的優化技術還不成熟，必須在專用ASIC中借助一些特定的硬件加速器如運動估計（ME）、DCT模塊、格式轉換、變長編解碼器（VLX）等來實現實時編碼。由于圖象編解碼的復雜性，純硬件實現規模太大，幾乎是不可能的，必須借助強大的處理器完成。這便是專用的圖象壓縮芯片也需要下載微碼的原因，目前在使用的MPEG-1/2編碼芯片都存在微碼，所說的硬壓縮即芯片壓縮都是有處理器的。也正是這些壓縮芯片的出現，特別是單片編碼芯片的出現，監控系統的復雜程度大幅度降低，成本也隨著降低，才使得視頻數字化監控成為可能。在通用DSP或視頻處理芯片還沒有發展到能夠實時壓縮視頻信號的情況下，專用視頻壓縮芯片的出現，帶動視頻模擬監控轉向數字視頻監控。 


   視頻圖象處理芯片（VIDEO-PROCESSOR）除了處理器以外，在芯片內還集成了一些其它的IP（INTELLIGENT PROPERTY）模塊，如VIDEO IN、VIDEO OUT、AUDIO IN、AUDIO OUT等，有的還有圖象壓縮硬件加速模塊等。這樣的芯片，稱為SOC（SYSTEM ON CHIP），即單片系統。從本質上講，專用視頻壓縮芯片和通用視頻處理芯片都屬于SOC，差異是前者帶有固定的壓縮模塊、固定的處理方式和固定的微碼，后者需要監控產品開發商開發視頻壓縮算法程序。 


   專用的視頻芯片都是為消費類應用設計的，將其應用到監控領域來，還存在一些其他方面的問題： 


   1、 消費類使用是單一的視頻編碼，不會同時要求多路視頻同時壓縮，而監控往往要多路視頻同時進行壓縮處理。 


   2、 消費類連續使用的時間一般不長，而監控使用往往都是長時間連續使用。 


   3、 消費類使用往往需要對視頻圖象信號做后期處理，進行編輯；而監控系統強調的是實時壓縮，在實時壓縮的同時還必須進行一些必要的處理，如運動檢測、時間發生器、LOGO標識、水印等，這些處理都是前處理，這些輔助功能對壓縮產品而言顯得也非常重要，這些處理都是在壓縮前或壓縮中進行的。 


   4、 更為重要的差異是，消費類使用不太需要動態調整編碼參數，而在監控領域的應用中，強烈需要動態的調整編碼參數，如幀率、圖象質量、幀結構等。 


   同消費市場相比，監控市場太小，且監控應用的需求是多樣的，不可能用一款芯片滿足千奇百怪的應用需求。芯片廠家也不可能為監控市場開發出一系列的芯片，而且芯片開發周期很長，成本代價太大，市場又在不斷發生變化，產品更新換代的速度非常迅速，對監控市場而言，等待集成了算法的專用視頻壓縮芯片成熟后開發產品，肯定跟不上市場的發展。曾經在監控領域獲得廣泛應用的專用視頻壓縮芯片如W99200AF、Z1510、SM2210、SM2288、IVT15等，已經不能滿足監控市場應用的要求。 


二、視頻處理器推進數字視頻監控市場 


   隨著IC技術的進步、處理器技術的發展，DSP、RISC、VLIW三種不同技術的處理器逐步統一，現在的多媒體處理器融合了三種處理器技術。 


   SOC技術發展非常迅速，VIDEO PROCESSOR已經非常強大。視頻處理器集成了很多外圍電路，包括VI單元（VIDEO IN UNIT）、VO單元（VIDEO OUT UNIT）、AI單元（AUDIO IN UNIT）、AO單元（AUDIO OUT UNIT），內部還有一些協處理器，如變長編碼/解碼器VLX、運動預測ME、DMA控制器、IIC控制器等，這些IP模塊的集成大大增強了VP的處理能力，這些VP也是以DSP的名稱出現。 


   隨著DSP主頻的不斷提高，處理能力的不斷增強，以及視頻編碼技術的不斷進步，在DSP上開發視頻壓縮軟件，實現實時的視頻壓縮成為可能。其中，開發擁有自主知識產品的、基于通用DSP平臺的、高效率的視頻壓縮軟件，顯得非常重要。我們開發通用的DSP的能力不夠，我們開發專用的視頻壓縮芯片的能力也不夠，但我們可以在通用的DSP上，開發出高效率的視頻壓縮軟件，并根據監控市場應用的需求，不斷增添新的功能。由于監控市場的封閉性，視頻壓縮軟件可以不受標準的限制，可以及時吸納視頻編碼最新成果，以適應市場需求、滿足用戶要求為第一目的。而專用視頻壓縮芯片是為消費類設計的，強調的是兼容性。因此，為了滿足監控市場的需求，在視頻處理器上開發定制的壓縮軟件，具有以下一些特點： 


   1、 可以不受標準的限制，采納最新的壓縮技術，符合監控市場的特點。比如，監控是長時間錄象，對低碼率的要求很高。因此，在視頻壓縮軟件中，第一追求的是高壓縮比。 


   2、 遠程監控很強調網絡的功能，低網絡帶寬的限制，導致對低碼率的要求。有些應用，對網絡的延時要求很低，要求低延時。因此，視頻壓縮軟件可以根據不同的應用需求，為不同的應用實現不同的功能：可以以低碼率為實現目標，可以以低延時為設計目標。 


   3、 根據應用場合和環境的變化，可以在壓縮過程中動態地修改編碼參數，如圖象質量、幀率、幀結構等。 


   4、 可以很方便地實現視頻信號疊加圖標、字符串等，如時間信息、地點信息。 


   5、 在很多監控場合，還需要語音的壓縮，一般消費類芯片支持的是聲音的壓縮，聲音的帶寬比語音的帶寬要大得多（語音在3400Hz以內，聲音的帶寬從0~20KHz）。語音壓縮可以采用G.729a、G.729、G.723、G.723.1等，壓縮碼流只有8Kbit/s、6.3Kbit/s、5.3Kbit/s，而聲音的壓縮碼流最低為16Kbit/s，一般都在32Kbit以上，這對存儲差異不大，但在窄帶上傳輸來說，顯得特別重要。 


   6、 支持“水印”技術，防止記錄文件被串改。 


   總之，在視頻處理器上開發自己的壓縮軟件，擁有自主的知識產權，能夠根據應用的實際需求做相應的編碼軟件的調整，意義特別重大：不再受壓縮芯片約束，可以自由的發揮。在視頻處理器（DSP）上實現視頻圖象的軟件壓縮編碼，正是國人的長處。國人互勉，抓住機遇，在日益增長的監控領域，創立民族品牌。 


三、結束語 


   杭州海康威視數字技術有限公司是一家致力于研究視音頻編解碼核心技術、開發和生產自主數字視音頻壓縮產品的專業公司，作為國內在視頻處理器（DSP）上開發視頻編碼軟件的先驅，在多款視頻視頻處理器（DSP）上進行了非常有益的嘗試，已經取得了非常有意義的進展，目前推出的COIN DS-400XM和COIN DS-400XH兩個系列的產品，代表了監控類數字視音頻編碼產品的發展方向。