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          視頻編碼芯片在數字視頻監控中的作用

          [2019-02-16]

          作者:胡揚忠
          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。

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