數(shù)字監(jiān)控技術(shù)在經(jīng)過(guò)幾年的快速發(fā)展后已深入應(yīng)用到各行各業(yè)，并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但是，以往數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的錄像功能在時(shí)間的度、穩(wěn)定性等方面的指標(biāo)離人們所期望的標(biāo)準(zhǔn)還有一定的距離。錄像過(guò)程如圖1所示，攝像機(jī)將采集到的模擬音視頻信號(hào)送到音視頻編碼卡，編碼卡完成對(duì)信號(hào)的編碼、壓縮，計(jì)算機(jī)將經(jīng)過(guò)編碼壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。可以看出，錄像的過(guò)程實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)量較大，對(duì)硬盤操作很密集。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種多任務(wù)的系統(tǒng)，對(duì)硬盤的操作時(shí)間較長(zhǎng)，所以錄像時(shí)間一般都不是很高。比如，錄像文件分割，從個(gè)通道開(kāi)始到一個(gè)通道結(jié)束，在時(shí)間上會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，誤差因計(jì)算機(jī)性能的差別一般在幾秒至幾十秒之間，這在一般的應(yīng)用中是可以容忍的，但是在某些特定的應(yīng)用場(chǎng)合下對(duì)時(shí)間則有更高的要求，例如要求各通道同步回放，那么各通道錄像時(shí)間必須實(shí)現(xiàn)同步，這時(shí)候這個(gè)誤差就不能容忍。針對(duì)應(yīng)用中的各種需求，本文介紹了一種數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)錄像功能模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。

1設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了滿足各種不同的應(yīng)用需求，錄像功能模塊應(yīng)達(dá)到以下要求：

(1)錄像時(shí)間控制，主要包括2個(gè)方面：一是從啟動(dòng)錄像到開(kāi)始錄像時(shí)間的誤差，特別是當(dāng)多個(gè)通道在同一時(shí)刻同時(shí)啟動(dòng)錄像的情況下的誤差控制；二是各通道錄像文件分割時(shí)間的誤差，即從通道開(kāi)始分割到一個(gè)通道分割完畢的時(shí)間差控制。

(2)錄像分割無(wú)重復(fù)、無(wú)丟失，即前一個(gè)錄像文件和后一個(gè)錄像文件之間內(nèi)容沒(méi)有任何的重復(fù)或丟失。

(3)錄像控制穩(wěn)定性高，錄像文件管理完整性好，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)功能。監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠長(zhǎng)期地穩(wěn)定地工作，錄像功能模塊作為監(jiān)控系統(tǒng)的部分，其穩(wěn)定性要求更高，在各種情況下應(yīng)都能穩(wěn)定工作，錄像文件管理要完整，不能因停電、死機(jī)等異常情況而出現(xiàn)一些無(wú)效文件或是空的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)盡量減小損失，比如正錄像時(shí)出現(xiàn)硬盤故障，這時(shí)應(yīng)該將新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄到另一可用的硬盤。

(4)預(yù)錄功能，在出現(xiàn)警報(bào)時(shí)能夠?qū)⒕瘓?bào)前一段時(shí)間的音視頻數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。

(5)功能模塊具有透明性和通用性。對(duì)外只提供調(diào)用的接口，在使用時(shí)不必考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有相對(duì)的獨(dú)立性。

2幾個(gè)主要問(wèn)題及解決思路

2．1 啟動(dòng)錄像

　　為了保證在錄像過(guò)程中數(shù)據(jù)不丟失，錄像文件的存儲(chǔ)一般采用多線程技術(shù)，并開(kāi)辟內(nèi)存緩沖區(qū)，如圖2所示，線程1負(fù)責(zé)將經(jīng)過(guò)編碼的音視頻數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，線程2負(fù)責(zé)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。

　　在啟動(dòng)錄像時(shí)，不僅要?jiǎng)?chuàng)建錄像文件，還要寫數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，然后才能將錄像數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。由于外存儲(chǔ)器的操作速度較慢，并且是一種共享設(shè)備，所以在創(chuàng)建文件和寫數(shù)據(jù)庫(kù)操作時(shí)都會(huì)有一定的時(shí)延，特別在是系統(tǒng)比較繁忙的時(shí)候時(shí)延會(huì)較大。比如，有多路錄像同時(shí)啟動(dòng)，時(shí)延會(huì)更長(zhǎng)，若是順序啟動(dòng)，一路通道啟動(dòng)錄像的時(shí)間則和路通道相差很大。

　　產(chǎn)生誤差的根本原因在于錄像啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建文件的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這可以通過(guò)啟動(dòng)后先暫時(shí)將數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存、再創(chuàng)建文件的辦法加以解決。可以為每個(gè)錄像通道分配一段內(nèi)存緩沖區(qū)，啟動(dòng)錄像后將數(shù)據(jù)先寫入緩沖區(qū)，并不直接創(chuàng)建文件，更改錄像狀態(tài)的標(biāo)識(shí)位后，繼續(xù)啟動(dòng)下個(gè)通道的錄像，直至所有通道啟動(dòng)完畢。創(chuàng)建文件的任務(wù)則由一個(gè)后臺(tái)等待的線程來(lái)完成，當(dāng)文件創(chuàng)建完成之后再將數(shù)據(jù)寫入文件，只要緩沖區(qū)足夠，則能夠保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。因?yàn)閷?duì)內(nèi)存的操作速度非?？欤约词雇瑫r(shí)啟動(dòng)多個(gè)通道的錄像，也能在極短的時(shí)間之內(nèi)啟動(dòng)錄像，保證錄像啟動(dòng)時(shí)間的度，同時(shí)也保證了同時(shí)啟動(dòng)的多個(gè)通道錄像啟動(dòng)時(shí)間的同步，為實(shí)現(xiàn)錄像的同步回放提供了保證。

2．2 錄像文件分割

　　錄像文件分割的目的在于避免一個(gè)錄像文件過(guò)大。錄像文件分割首先要關(guān)閉當(dāng)前正在寫入的文件，并操作數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄下錄像文件的結(jié)束時(shí)間，然后再創(chuàng)建一個(gè)新文件，在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄下創(chuàng)建的新錄像文件的信息，并將新的數(shù)據(jù)寫入新創(chuàng)建的文件。

　　錄像文件的分割主要有兩個(gè)問(wèn)題要解決，一是保證分割前后的錄像文件要連續(xù)；二是保證各個(gè)通道分割時(shí)間要基本相同。個(gè)問(wèn)題通過(guò)設(shè)置緩沖區(qū)則可以很好地解決，在分割文件過(guò)程中可以將錄像數(shù)據(jù)暫存在內(nèi)存緩沖區(qū)中，等分割完畢后再將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫到新的文件中去；第二個(gè)問(wèn)題可用類似于解決啟動(dòng)錄像時(shí)延的方法來(lái)解決，在開(kāi)始啟動(dòng)分割的時(shí)刻記下當(dāng)前緩沖區(qū)的位置(這個(gè)位置之前存放的是分割前的數(shù)據(jù)，這個(gè)位置之后存放的則為分割之后的數(shù)據(jù))，并繼續(xù)進(jìn)行錄像，新的錄像數(shù)據(jù)則暫時(shí)存放在緩沖區(qū)分割記錄點(diǎn)之后的區(qū)域，而保存并關(guān)閉前一個(gè)錄像文件、操作數(shù)據(jù)庫(kù)、創(chuàng)建新文件等較費(fèi)時(shí)的任務(wù)則交由另一個(gè)后臺(tái)線程來(lái)完成，等后臺(tái)線程完成所有任務(wù)之后再將緩沖區(qū)中暫存的數(shù)據(jù)寫入新的文件。

2．3差錯(cuò)以及故障的處理

　　在計(jì)算機(jī)長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)硬件故障或停電等各種異常情況，這對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)不良的影響，所以監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須盡可能地減少這些負(fù)面影響，把損失降到。

　　硬盤是計(jì)算機(jī)中故障率較高的硬件，如果在進(jìn)行錄像時(shí)突然出現(xiàn)硬盤故障，要保證能夠持續(xù)錄像，這時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該能夠自動(dòng)在其他可用的硬盤上創(chuàng)建新的文件并持續(xù)錄像。

斷電、死機(jī)、非正常關(guān)機(jī)則可能產(chǎn)生一些無(wú)效文件、空數(shù)據(jù)庫(kù)記錄。按寫數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的時(shí)機(jī)不同可分為2種情況：

(1)寫數(shù)據(jù)庫(kù)記錄在錄像文件創(chuàng)建之前。當(dāng)在已經(jīng)開(kāi)始錄像但錄像文件又還沒(méi)有創(chuàng)建的時(shí)候斷電，就會(huì)造成空的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄；如果在文件已經(jīng)創(chuàng)建但還沒(méi)寫入任何數(shù)據(jù)時(shí)斷電，那么這個(gè)文件也是無(wú)效的空文件。

(2)寫數(shù)據(jù)庫(kù)記錄在錄像文件創(chuàng)建之后或是在錄像文件關(guān)閉之后。當(dāng)在已經(jīng)創(chuàng)建文件之后斷電，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)無(wú)效文件，因?yàn)檫@個(gè)文件沒(méi)有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)索引，將無(wú)法再被找到和使用，而且會(huì)地占用著存儲(chǔ)器的空間。

　　通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建一張臨時(shí)的錄像文件表可以很好地解決這些問(wèn)題，在創(chuàng)建錄像文件之前將些文件相關(guān)信息存人臨時(shí)的表中，等到該錄像文件正常關(guān)閉以后，再將該文件的信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)正式的錄像文件表中，并將臨時(shí)的表中的記錄刪除。這樣，無(wú)論在任何情況下，只要在每次系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候檢查這個(gè)臨時(shí)表，并作相應(yīng)的處理則可保證數(shù)據(jù)庫(kù)中錄像文件的記錄與存儲(chǔ)器中的文件保持一致。在啟動(dòng)時(shí)如果臨時(shí)表中無(wú)記錄，則表明所有錄像都正常的結(jié)束；如果有記錄，則分別檢查每一條記錄所對(duì)應(yīng)的錄像文件，有以下幾種情況：

(1)文件不存在，則該記錄是是條空記錄，將其刪除；

(2)文件存在，但文件的大小為零，則將文件和該條的記錄都刪除；

(3)文件存在，文件大小不為零，該文件有效，則在正式錄像文件表中加入此文件的記錄，并刪除臨時(shí)表中的記錄。

3設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3．1 錄像功能模塊的結(jié)構(gòu)

　　模塊的所有功能由兩個(gè)互相協(xié)作的類來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，圖中列出了類的部分重要函數(shù)，CRecordFile類負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的操作和管理緩沖區(qū)，CRecorder類負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)任務(wù)隊(duì)列、運(yùn)行后臺(tái)任務(wù)執(zhí)行線程、對(duì)外提供接口，管理標(biāo)識(shí)位等其他任務(wù)。

　　模塊整體的結(jié)構(gòu)如圖4所示，每一個(gè)CRecorder。類的實(shí)例中包括一個(gè)任務(wù)隊(duì)列，一個(gè)后臺(tái)線程，N個(gè)CRecordFile類實(shí)例，和記錄每個(gè)通道錄像狀態(tài)的若干標(biāo)識(shí)位。任務(wù)隊(duì)列用于存放還沒(méi)有處理的磁盤操作任務(wù)，后臺(tái)程序按順序處理這些等待的任務(wù)，N個(gè)CRecordFile類的實(shí)例分別對(duì)應(yīng)N個(gè)錄像的通道。在CRecorder類實(shí)例初始化時(shí)完成內(nèi)存的分配，線程的啟動(dòng)以及標(biāo)識(shí)位的初始化等任務(wù)。磁盤操作任務(wù)有3種不同的類型：

(1)啟動(dòng)錄像，主要是創(chuàng)建文件、寫數(shù)據(jù)庫(kù)；

(2)錄像文件分割，主要是關(guān)閉當(dāng)前文件，寫數(shù)據(jù)庫(kù)和創(chuàng)建新的文件；

(3)停止錄像，主要是關(guān)閉當(dāng)前正在錄像的文件并寫數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　啟動(dòng)錄像，調(diào)用CRecorder類的StartRecord()，首先函數(shù)將對(duì)應(yīng)通道的標(biāo)識(shí)位設(shè)置為錄像狀態(tài)，這時(shí)經(jīng)過(guò)編碼的音視頻數(shù)據(jù)可以開(kāi)始存入對(duì)應(yīng)通道的緩沖區(qū)，然后在任務(wù)隊(duì)列里插入一個(gè)啟動(dòng)錄像的新任務(wù)，當(dāng)這個(gè)任務(wù)被后臺(tái)進(jìn)程執(zhí)行以后，文件已經(jīng)被創(chuàng)建好了，這時(shí)就可以周期性地將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存入磁盤。

　　文件分割，主線程通過(guò)周期性調(diào)用DivideUp()函數(shù)將正在錄像的文件進(jìn)行分割，DivideUp()函數(shù)首先將對(duì)應(yīng)通道的標(biāo)識(shí)位設(shè)置為正在分割狀態(tài)，同時(shí)(用臨界信號(hào)量互斥來(lái)保證)CRecordFile類會(huì)把緩沖區(qū)當(dāng)前指針的位置記錄下來(lái)(分割點(diǎn)指針)，然后會(huì)將一個(gè)錄像文件分割的磁盤操作的任務(wù)加入到任務(wù)隊(duì)列，DividelUp()函數(shù)因?yàn)橹皇菍?duì)內(nèi)存進(jìn)行操作，所以完成調(diào)用的時(shí)間極短。CRecord-er類的后臺(tái)線程會(huì)從任務(wù)隊(duì)列中取出這個(gè)任務(wù)并執(zhí)行，主要完成以下任務(wù)：首先是將緩沖區(qū)中分割點(diǎn)指針之前的數(shù)據(jù)保存到當(dāng)前打開(kāi)的文件中并且關(guān)閉該文件，其次是保存數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，然后再創(chuàng)建一個(gè)新的文件，并將新文件的信息記錄到臨時(shí)的錄像文件數(shù)據(jù)庫(kù)表，將分割點(diǎn)指針之后的數(shù)據(jù)保存到新的文件中。后臺(tái)任務(wù)完成后則完成了文件的分割。停止錄像與啟動(dòng)錄像、文件分割的過(guò)程類似，停止錄像的后臺(tái)任務(wù)主要完成文件的關(guān)閉和數(shù)據(jù)庫(kù)的更新，當(dāng)隊(duì)列中對(duì)應(yīng)的任務(wù)被執(zhí)行后則操作完成。

3．2 錄像狀態(tài)控制

　　為了各個(gè)線程能夠相互協(xié)調(diào)地工作，在程序中必須設(shè)置必要的標(biāo)識(shí)位來(lái)保存各個(gè)通道的狀態(tài)和錄像文件的狀態(tài)。由于錄像的啟動(dòng)、停止和錄像文件的分割采用了異步的方式，所以這里每個(gè)通道設(shè)置了兩個(gè)狀態(tài)位(內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài))來(lái)記錄錄像的狀態(tài)。外部狀態(tài)表明實(shí)際錄像
　　狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，分為Idle(空閑)和Recording(錄像)兩個(gè)狀態(tài)。內(nèi)部狀態(tài)表明錄像啟動(dòng)、停止、文件分割的具體過(guò)程，分為7個(gè)狀態(tài)：Idle(空閑)，Starting(正在啟動(dòng)錄像，數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū))，Starring FileCreated(正在啟動(dòng)錄像、錄像文件創(chuàng)建完畢，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)可寫入磁盤)，Recording(正常錄像)，Dividing(文件分割)，Dividing FileCreated(分割進(jìn)行中、新錄像文件創(chuàng)建完畢)，Stopping(停止錄像)。外部狀態(tài)表明當(dāng)前是否在進(jìn)行錄像，從啟動(dòng)錄像時(shí)刻到停止錄像的時(shí)間段內(nèi)都是錄像狀態(tài)，其余時(shí)間為空閑狀態(tài)。

　　外部狀態(tài)轉(zhuǎn)換和內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5和圖6所示，明確狀態(tài)是為了讓各個(gè)線程協(xié)調(diào)工作，主要有3個(gè)線程：主線程、后臺(tái)任務(wù)線程、寫磁盤的線程。主線程主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)、停止錄像、錄像分割和將經(jīng)過(guò)編碼的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)。后臺(tái)任務(wù)線程是負(fù)責(zé)處理3種磁盤操作任務(wù)，每個(gè)CRecorder類實(shí)例中包含一個(gè)后臺(tái)磁盤操作任務(wù)線程。寫磁盤的線程負(fù)責(zé)周期性地將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)保存到磁盤。

　　執(zhí)行每一個(gè)操作都有一定的條件限制，一個(gè)操作必須在一定的狀態(tài)下才能執(zhí)行。啟動(dòng)錄像的條件是內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)都為Idle狀態(tài)，文件分割的條件是內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)都為Recording狀態(tài)，停止錄像的條件是外部狀態(tài)為Recording狀態(tài)，內(nèi)部狀態(tài)為Recording，Dividing或DiVidig FileCreate狀態(tài)。表1中列出了所有的有效的狀態(tài)組合、當(dāng)前狀態(tài)下可執(zhí)行的操作和程序運(yùn)行的主要狀況，表中的狀態(tài)從上至下是以啟動(dòng)錄像、文件分割、停止錄像的順序排列。

4錄像時(shí)間測(cè)試

　　為了驗(yàn)證此方案錄像時(shí)間、各通道同步的，分別對(duì)啟動(dòng)錄像和錄像分割進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試環(huán)境：主板：華北工控 740GVE(Intel 865 G)；處理器：Intel P4 2．0 G；內(nèi)存：256 M D13R266*2；硬盤：邁拓DiamondMax Plus9 120G ATAl33；視頻編碼卡：?？礑S-4004HC*2。

　　在系統(tǒng)不同繁忙程度下，分別對(duì)8路通道同時(shí)啟動(dòng)錄像和分割時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試。表2，表3是對(duì)錄像啟動(dòng)時(shí)間和錄像分割時(shí)間的測(cè)試結(jié)果，設(shè)啟動(dòng)錄像或啟動(dòng)分割的觸發(fā)時(shí)間為0時(shí)刻，時(shí)間單位為ms。從測(cè)試的結(jié)果可以看出，即使在系統(tǒng)非常繁忙時(shí)，也能在極短的時(shí)間之內(nèi)完成所有通道的啟動(dòng)和分割(10～30 ms)，而后臺(tái)硬盤操作任務(wù)的完成時(shí)間則因系統(tǒng)的繁忙程度不同從零點(diǎn)幾秒到幾秒多需要十幾秒。

5 結(jié) 語(yǔ)

　　該方案已經(jīng)用VC++6．O實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用到DVR系統(tǒng)中，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。該方案優(yōu)點(diǎn)是能夠滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需求，提高了錄像時(shí)間度和各通道同步錄像的度，提高了錄像功能模塊的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性。該方案的缺點(diǎn)是對(duì)內(nèi)存的容量有著更高的要求，但隨著計(jì)算機(jī)的硬件性價(jià)比的不斷提高，該缺點(diǎn)已可忽略不計(jì)，在當(dāng)前主流配置的計(jì)算機(jī)上，此方案已能夠很流暢地運(yùn)行。