数字视频信号源的编码器和解码器的研究

第一篇：数字视频信号源的编码器和解码器的研究

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数字视频信号源的编码器和解码器的设计

摘 要

数字视频/音频压缩编码是数字电视广播系统中非常重要的环节，主要解决电视信号数字化后所带来的海量数据量如何能够有效地存储和传输的问题。近20年来，视频/音频压缩编码技术一直处于快速发展之中，新技术和新标准不断涌现，现代视频/音频压缩编码技术已经比较成熟，可以在保持较好图像质量前提下，达到较高的压缩比。

近年来,卫星数字广播电视逐渐走进千家万户，受到大众的喜爱。与传统的模拟电视相比，卫星数字广播电视采用了全数字的图像/声音处理技术，MPEG-2这一数字视频音频编码标准被应用其中。MPEG-2采用的具有运动补偿的帧间压缩编码技术支持高图像分辨率，为数字广播电视行业带来了技术性的革命。本文主要针对数字视频信号源的编码器和解码器的研究。

关键词：视频/音频压缩编码技术，编码器，译码器

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目 录

1数字电视的优点和发展概况及其基本结构..........................................................................1 1.1数字电视的优点和发展概况.............................................................................................1 1.2数字电视的基本组成.........................................................................................................3 2视频压缩编码的方法..............................................................................................................3 2.1 AVI.......................................................................................................................................3 2.2运动补偿预测.....................................................................................................................5 2.3 预测编码基本原理.............................................................................................................5 2.4混合编码.............................................................................................................................7 3 MPEG-2编码器原理..............................................................................................................7 3.1MPEG-2标准的基本结构...................................................................................................7 3.2MPEG-2视频编码系统原理及关键技术...........................................................................8 4 MPEG-2解码器原理............................................................................................................10 总

结.......................................................................................................................................12 致

谢.......................................................................................................................................13 参考文献...................................................................................................................................14

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1数字电视的优点和发展概况及其基本结构

1.1数字电视的优点和发展概况

数字电视主要有清晰度高，音频效果好，抗干扰能力强，频道数量大增，可以支持500套数字频道，可开展多功能的交互式电视服务等优势，笔者将详细论述其多样的频道和人性化服务的优势，以及其特有的产品价值。

(1)花样百出的付费频道

数字电视中的节目，尤其是付费频道的节目，是数字电视实现盖利之根本，要想使付费频道能被用户所接受，其节目的内容的品质需要更为上乘。首先，各地所开播的付费频道其有小众化、专业化、个性化、多元化、服务性的特点。如北广传媒开办的付费频道中有《考试在线》、《四海钓鱼》、《车迷》、《爱家购物》、《动感音乐》等。上海付费频道中视频节目有24套，音频节目10套。另外，从这几个频道的名称就可以看出，付费频道的钊一对性十分的强，基本都固定在一个小的专业领域里，这样就符合当今受众越来越突出个体的需要以及对快速获得所需信息的效率追求。另外，由于各类付费频道对于专业性的要求更高，所以只依靠节目制作者本身是不够的，那么就出现了与社会机构合作经营付费频道和引入海外节目的形式。如江苏《靓装频道》，为了强化其国际性，该频道投入大量资金，通过法国Fashion TV在国内的版权代理唐龙国际传媒公司购买节目版权，另外还与美国部分时尚媒体建立了合作关系。吉林电视台的《吉祥购物频道》是与上海合家购物有限公司合作推出，全部节目在上海制作完成，吉林电视台负责节目策划和播出，上海合家购物公司提供完善、丰富的物流保障。

(2)数字电视的人性化服务特质

首先，数字电视本身存在着众多的优点，从数字电视和模拟电视情况的比较就可以看出，数字电视无论从技术条件，还是内容结构，甚至是盖利方式，都可以促使其更加注重通过服务来赢得用户。所以，现今条件下，观众可以获得以下几种便利服务:一是数字增值服务，这类服务使电视成为了一种信息工其和娱乐工其。如电视节目指南(EGP)，这就类似于书本的目录一样，它可以把现在播放的各个电视台的节目列成一份节目单，用户可以根据自己的需求进行选 课程设计说明书

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择，节省了模拟电视中通过不断调台来选择节目的时间。另外，以上海数字付费电视和青岛模式为例，在上海数字付费电视中的数据增值服务共有7类，如《气象信息》、《新闻中心》、《坚果游戏》、《股票行情》等。而在青岛模式中，它为用户提供了海量信息，其搭建了电子政务平台、文化教育平台、生活信息平台，电子商务平台。这此平台随时为用户提供了最新的政府建设、居民生活、股市即时行情等信息。其实，这样的资讯平台，也是数字电视拓展外围业务的有利手段。如英国的B-SKY-B就有一个《Open》的购物频道，它上面销售的东西包括PC、电器、书和唱片等，更重要的是其便捷的交易方式，提高了“冲动型购买”的机会，由于B-SKY-B的机顶盒本身安装时就有加密系统，对于用户信息和地址十分清楚，所以用户根本不用敲自己的地址甚至是信用卡号，就可以实现交易。二是视频点播服务(VOD)，主要分为两类准视频点播，即“预先安排好节目菜单及电视节目播出时间表，将同一节目以一定的时间间隔安排在不同的数字频道内播出。”和真视频点播，它可以实现用户自行控制节目播放情况，如请进和后退。三是下载服务。如果用户想观看某个电视节目，却在节目播出的时段没有时间，那么就可以通过预订节目，让运营方把该节目下载到机顶盒中，让用户可以依据自己的时间观看该节目。四是互联网接入。用户可以用电视浏览网站，而且其速度比电脑更快。

(3)有别于传统电视的产品价值

由于传统电视媒体生产的节目是一种单纯的“灌输”式的“免费便餐”，电视上有什么节目，观众就被动的在现有的节目中进行选择，并且传统电视节目的价值只有拥有了广告时段，广告商的赞助，才会获得价值，所以节目被卖给了广告商，受众被卖给了广告，并不是一种不等价交换。因而，传统电视媒体的产品与商品从根本上违背了市场价值规律。“而数字电视媒体的产品是真正意义上的等价交换商品，它通过市场经济‘那只无形的手’，以付费电视收视点击次数和收视群体文化背景的统计信息，发挥按质论价、优胜劣汰的市场调节作用，客观地依据价值法规创造产品的增值与增量。”所以，数字电视的节目成为了一种单纯的商品，其价值本身就在于它所包含的信息，是否可以满足观众的需求，观众看电视就像是逛超级市场，面对明码标价的商品，自主选择各类商品。这种售出方式，才是以受众为本位，实现信息的有效获取。

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1.2数字电视的基本组成

交互式数字电视系统由三部分组成：数字前端系统、双向传输网络和用户终端系统[1]。

数字前端系统通常划分为信源处理、信息处理和传输处理三部分，完成节目的数字化、加扰、授权和认证等功能；双向传输网络主要通过卫星、Cable、地面发射、MMDS等方式将节目传送到用户家中，回传可采用HFC回传通道、PSTN和其它网络；用户终端系统采用机顶盒（STB）收看数字电视节目或实现交互式功能，如收看付费电视、实现Internet浏览、远程教育等。

2视频压缩编码的方法

压缩编码的方法有几十种之多，并在编码过程中涉及较深的的数学里理论基础问题，在此仅介绍几种常用的压缩编码方法[2]。2.1 AVI AVI（Audio Video Interleave）是一种音频视像交插记录的数字视频文件格式。1992年初Microsoft公司推出了AVI技术及其应用软件VFW（Video for Windows）。在AVI文件中，运动图像和伴音数据是以交织的方式存储，并独立于硬件设备。这种按交替方式组织音频和视像数据的方式可使得读取视频数据流时能更有效地从存储媒介得到连续的信息。构成一个AVI文件的主要参数包括视像参数、伴音参数和压缩参数等[3]。2.1.1视像参数

（1）、视窗尺寸（Video size）：根据不同的应用要求，AVI的视窗大小或分辨率可按4：3的比例或随意调整：大到全屏640×480，小到160×120甚至更低。窗口越大，视频文件的数据量越大。

（2）、帧率（Frames per second）：帧率也可以调整，而且与数据量成正比。不同的帧率会产生不同的画面连续效果。2.1.2伴音参数

在AVI文件中，视像和伴音是分别存储的，因此可以把一段视频中的视像与另一段视频中的伴音组合在一起。AVI 文件与WAV文件密切相关，因为WAV

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文件是AVI文件中伴音信号的来源。伴音的基本参数也即WAV文件格式的参数，除此以外，AVI文件还包括与音频有关的其他参数[4]：

（1）视像与伴音的交织参数（Interlace Audio Every X Frames）AVI格式中每X帧交织存储的音频信号，也即伴音和视像交替的频率X是可调参数，X的最小值是一帧，即每个视频帧与音频数据交织组织，这是CD－ROM上使用的默认值。交织参数越小，回放AVI文件时读到内存中的数据流越少，回放越容易连续。因此，如果AVI文件的存储平台的数据传输率较大，则交错参数可设置得高一些。当AVI文件存储在硬盘上时，也即从硬盘上读AVI文件进行播放时，可以使用大一些的交织频率，如几帧，甚至1秒[5]。

（2）同步控制（Synchronization）在AVI文件中，视像和伴音是同步得很好的。但在MPC中回放AVI文件时则有可能出现视像和伴音不同步的现象。

（3）压缩参数：在采集原始模拟视频时可以用不压缩的方式，这样可以获得最优秀的图像质量。编辑后应根据应用环境环择合适的压缩参数。2.1.3AVI数字视频的特点

提供无硬件视频回放功能：AVI格式和VFW软件虽然是为当前的MPC设计的，但它也可以不断提高以适应MPC的发展。根据AVI格式的参数，其视窗的大小和帧率可以根据播放环境的硬件能力和处理速度进行调整。在低档MPC机上或在网络上播放时，VFW的视窗可以很小，色彩数和帧率可以很低；而在Pentium级系统上，对于64K色、320×240的压缩视频数据可实现每秒25帧的回放速率。这样，VFW就可以适用于不同的硬件平台，使用户可以在普通的MPC上进行数字视频信息的编辑和重放，而不需要昂贵的专门硬件设备。

实现同步控制和实时播放：通过同步控制参数，AVI可以通过自调整来适应重放环境，如果MPC的处理能力不够高，而AVI文件的数据率又较大，在WINDOWS环境下播放该AVI文件时，播放器可以通过丢掉某些帧，调整AVI的实际播放数据率来达到视频、音频同步的效果。

可以高效地播放存储在硬盘和光盘上的AVI文件：由于AVI数据的交叉存储，VFW播放AVI数据时只需占用有限的内存空间，因为播放程序可以一边读取硬盘或光盘上的视频数据一边播放，而无需预先把容量很大的视频数据加载到内存中。在播放AVI视频数据时，只需在指定的时间内访问少量的视频图像

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和部分音频数据。这种方式不仅可以提高系统的工作效率，同时也可以实现迅速地加载和快速地启动播放程序，减少播放AVI视频数据时用户的等待时间。

提供了开放的AVI数字视频文件结构：AVI文件结构不仅解决了音频和视频的同步问题，而且具有通用和开放的特点。它可以在任何Windows环境下工作，而且还具有扩展环境的功能。用户可以开发自己的AVI视频文件，在Windows环境下可随时调用。

AVI文件可以再编辑：AVI一般采用帧内有损压缩，可以用一般的视频编辑软件如Adobe Premiere或Media Studio进行再编辑和处理。2.2运动补偿预测

待传送的时变图像一般都包含几个具有不同运动队的物体。如果摄像机固定, 则景物静止;在摇镜头的情况下, 景物则以几乎均匀的速度移动。在任何一种情况下, 除由于运动而新增的背景和前景外, 奇遇像元都在前一帧出现过, 它的位置取决于所属物体的运动情况。因此, 如果图像的运动已知, 就可以通过对前一帧图像上的像元位移和插值来得到当前场像元的良好预测, 这正是运动补偿预测编码的基础, 其目的是使预测建立在更接近输入信号实际模型的基础上, 以获得比固定预测器更好的改进。其基本技术包含以下几部分: 1.图像位移场的估计:一个简单的方法是首先从图像中分出固定背景和具有不同但均匀位移的几个物体, 然后分别计算每个物体的位移量。

2.利用位移量产生运动补偿的预测(这包括前面场或帧的插值)。3.对预测误差及附带信息(分割和位移估计)进行编码。

对于固定物体和背景来说, 位移为零, 最佳预测就是前一帧的数据。对运动区域来说, 预测就是插值滤波器的输出, 滤波器的参数由位移估计决定。2.3 预测编码基本原理

由于语音信号的相邻抽样点之间有一定的幅度关联性，所以，可根据以前时刻的样值来预测现时刻的样值，只要传预测值和实际值之差，而不需要每个样值都传输。这种方法就是预测编码。

语音信号的样值可分为可预测和不可预测两部分。可预测部分(相关部分)是由过去的一些权值加权后得到的；不可预测的部分(非相关部分)可看成是预

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测误差。这样，在数字通信中，就不用直接传送原始话音信号序列，而只传送差值序列。因为差值序列的信息可以代替原始序列中的有效信息，而差值信号的能量远小于原样值，就可以使量化电平数减少，从而大大地压缩数码率。在接收端，只要把差值序列叠加到预测序列上，就可以恢复原始序列。

图1给出了差值脉码调制(DPCM)系统原理框图。图中输入样值信号接收端重建信号为后的差值，是，是输入信号与预测信号的差值，为量化

经编码后输出的数字码。

图1DPCM系统

编码器中的预测器与解码器中的预测器完全相同。因此，在无传输误码的情况下，解码器输出的重建信号化误差定义为输入信号

和编码器的完全相同。DPCM的总量的差值。即有

与解码器输出的重建信号

由上式可知，在这种DPCM系统中，总量化误差只和差值信号的量化误差有关。图2说明了预测的原理。

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图2 DPCM预测原理

由图2可见，预测值跟踪输入信号抽样值变化。DPCM的方框图如图2.3中，它是典型的线性预测方式。

设原始信号序列中是序列中现在的样值，而，并用

是的前

为，其

个样值。若选用的前N个样值来预测

其中，j为任意整数，表示预测值，则

数。为预测系数或加权系

是过去N个为预测阶数。由上式可见，线性预测中，第n个预测值样值的线性组合。2.4混合编码

将几种图像序列的压缩技术结合起来, 就构成了混合编码方法。不同的图像压缩技术有不同的优缺点。适当的结合有利于图像更好的压缩。MPEG-2编码器原理

3.1MPEG-2标准的基本结构

MPEG全名：Moving Pictures Experts Group，中文译名： 动态图像专家组。MPEG-2是该工作组于1994年发布的视频和音频压缩国际标准，正式名称

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为：活动图像及伴音信息的通用编码。MPEG-2标准分为9个部分，统称为ISO/IECI38l8国际标准。第一部分系统，这一部分对MPEG-2的系统层次结构进行了定义，描述这一标准是如何将多个视频，音频和数据的基本码流合成传输码流和节目码流的；第二部分视频，描述了视频的编码方法，目的在于使视频数据能够以计算机能够处理的形式在电视广播信道上进行传输；第三部分音频，是在MPEG-1基础上进行的改进，用于音频信号的编码和解码，与MPEG-1的音频编码音频标准是反向兼容的：第四部分符合测试，对每一个编码码流进行检验，判断其是否符合MPEG-2标准码流；第五部分软件，描述MPEG-2标准如何以软件形式将第一、二、三部分实现的方法；第六部分数字化存储媒体命令与控制部分，介绍了在交互式多媒体网络中服务器与用户之间会话指令的控制规范。这六个部分已经成为了国际编码的正式标准，在数字电视领域中得到了广泛的应用。MPEG-2标准的第七部分规定了多通道音频编码，与MPEG-1音频不存在反向兼容关系；第八部分目前已停止运作；第九部分规定了传送码流的实时接口。

3.2MPEG-2视频编码系统原理及关键技术

MPEG-2图像压缩的原理利用了图像的空间相关性和时间相关性。图像的空间相关性是指在一帧图像内每一个场景都是由数以亿计的像素点构成的，通常状况下一个像素与其周围的一些像素在亮度、色度上存在的特定关系； 图像的时间相关性是因为一个节目是由若干个情节构成，一个情节包含众多的图像序列，而图像序列是由许多帧连续的图像组成的，在任何一个图像序列中，前后帧的图像存在一定的相关性。

在卫星数字广播电视的传输过程中，在卫星数字广播电视的传输过程中，如果将所得有信息都以编码形式进行传输就会影响传输速率，加大系统负担。因而，问题的关键就在于如何剔除图像中由于时间相关性和空间相关性造成的冗余信息，通过保留非相关信息的传输以节省传输占用的频带，接收机再按照特定的解码方法，利用传出过去的非相关信息恢复成原始图像，同时需要确保图像质量使画面尽可能的清晰连贯。

MPEG-2标准的视频压缩编码技术与传统技术相比能够在相同画面质量的前提下更大的限度上去除图像中存在的冗余信息。MPEG-2标准利用了具有运

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动补偿特点的帧间压缩编码技术、DCT技术、熵编码减少了视频传输的时间冗余度、空间冗余度，信息表示上的统计冗余度，从而极大地增强了压缩性能，节省了视频传输占用的频带。

(一)帧间压缩编码技术

MPEG-2中的编码图像由I帧，P帧、B帧三类构成。I帧图像采用了帧内编码的方式，压缩的倍数较低。通过减少单帧图像内的空间相关性而暂时忽略时间相关性在接收机初始化、信道获取、节目的切换和插入上减少了视频冗余。通过编码器对I帧图像出现频率的选择使其周期性地出现于图像序列中。P帧和B帧图像都采用了帧间编码的方式，利用空间相关性的同时利用了时间相关性。P帧图像采用的前向时间预测提高了视频压缩的效率和图像的质量。B帧图像采用了未来帧作为参考，将图像帧于帧之间的传输顺序和显示顺序打乱进行传输，通过双向时间预测大大地提高了视频压缩倍数。

(二)DCT技术

DCT技术实际上是空间变换技术的一种，在MPEG-2标准中DCT的基本单位是8x8的像块。

DCT变换通过设置像块能量的位置，DCT变换通过设置像块能量的位置，将图像的能量集中在少数几个低频的DCT系数上，在新生成的8x8的DCT系数块中，左上角少量低频系数被赋予较大的数值，其余系数被赋予较小的数值，这样就可以在只编码和传输几个少数系数的同时对图像质量不造成破坏。虽然DCT技术没有对图像直接进行压缩，但通过对图像能量的集中为下一步的压缩奠定了基础。量化过程实际上就是以某个量化步长去除DCT系数。量化的步长越小，包含的视频信息越多，量化精度也就越细，但是所需要的传输频带也就高。由于人类的视觉对低频系数感应更为明显，因而在DCT变换系数中，对越低频系数分配的量化精度越细，对越高频系数分配的量化精度越粗，一般情况下，大多数的高频系数在量化之后都会转变为零。通过这一方式，在量化精度不严重超过需要的前提下，尽可能多地涵盖了DCT空间的频率信息。量化后，8x8二维矩阵中大多数的非零DCT系数位于左上角，通过之型扫描将原来的二维数组转换为一维数组后，这些系数集中在数组的前部，量化结果为零的DCT系数则位于数组键字、所用技术、应用领域、所属领域、经费数量等因素，通

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过对数据库中已有项目的遍历对比，来寻找与目标项目接近的项目，当存在某因素交集时记为1，无交集记为0，并做出累加，最后选取总得分最高的项目作为最佳参考项目。在找到接近项目后，调用对比项目的经费使用情况来判断。从理论上讲，应着重研究项目相似度的计算理论，通过对项目间进行全面的相似度分析，可以作为后续课题展开研究。MPEG-2解码器原理

解码器的工作原理如图3所示

图3解码器的工作原理

解码器中有一个频率为27 MHz左右的压控振荡器(VCO-Voltage Controlled Oscillator)，VCO输出信号作为解码器系统时钟送人计数器中，产生当前STC样值，它与PCR一样也是42 bit数值，其中高33 bit是以27MHz经过300分频后的时钟为单位计数值PCR_ Base，其作用是在解码器切换节目时，提供对解码器PCR计数器的初始值，以让该PCR值与PTS, DTS最大可能地达到相同的时间起点。低9 bit是以27 MHz时钟为单位的计数值PCR Extension ,它的作用是通过解码器端的锁相环电路修正解码器的系统时钟，使其达到和编码器一致的27MHz。从接收到的码流中依次获得各帧的PTS和DTS值，将其和当前STC值的高33 bit位作比较。如果DTS大于STC值，则对码流进行缓存，同时监测

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STC值的变化，当STC值增大到与DTS值相等时，对该帧码流进行解码，播放该帧;如果由于传输网络的缓冲延时抖动，当码流到达解码器时，其PTS值已经小于STC值，则解码器跳过这一帧，丢弃该帧数据。由于PTS和DTS是根据PCR值产生的，因此必须将获得的第一个PCR值作为初始值去置位解码器的STC计数器，使它们的值一样，否则将导致时基不同，从而解码出错。音频与视频的处理相似，只是不存在时序重排的问题。

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总

结

通过这次数字视频信号源的编码器和解码器的研究的课程设计让我学到了许多知识，不仅给我开阔了思路，而且还让我认识到了自己对以前所学过知识的不足。

在这次课程设计当中我碰到了许多问题，我曾经接触过这方面的书籍和实物，也对其有一些简单的了解。但是却不知道具体的工作原理，当我拿到课程设计的题名后完全不知道该怎么办好，好在有同学们和老师的帮助使我明白了其中的道理，于此同时我通过大量地阅读和查阅相关的资料，最终此次课程设计才得以完成。

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致

谢

课程设计是在大学生活中必须经历的过程，从设计之初的无从下手到设计工作的圆满完成，期间遇到了诸多的问题和困难。但最终在同学们的热心帮助的老师细心指导下，通过自己的努力，最终这些问题与困难都得到了圆满解决。

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参考文献

[1].蒋秀华.现代电视机原理 [M].北京高等教育出版社，2008.P88~99

[2].裴昌辛.电视原理与现代电视系统 [M].西安.西安电子科技大学出版社，1997.P101~169

[3].赵坚勇.电视原理与接收技术 [M].北京：国防工业出版社，2007.P56~99

[4].刘达.数字电视技术 [M].北京：电子工业出版社，2007．P45~88

[5].解玉琢.MPEG-2运动图像编码国家标准及MPEG的新进展 [M].北京：清华大学出版社，2002．P99~155

第二篇：高清嵌入式视频编解码器 高清数字视频传输编码器

高清嵌入式视频编解码器 高清数字视频传输编码器

——虹图高清嵌入式编解码器TMV-HV1001 虹图高清嵌入式编解码器TMV-HV1001是北京图美视讯虹图系列视频编码器产品中的一员。本产品是针对较大规模的专业级数字视频系统应用而设计的专业设备，用于解决视频一级低速率数据的编解码、复用以及网络传输。具有功耗低、数据处理能力强、接口丰富等优点，很好地满足了实时系统控制、工业自动化、实时数据采集、军事系统等有严格要求，并且可靠性要求高的重要设备的需求。

【产品优势】

• 支持全高清视频实时编解码;

• 嵌入式构架;

• 支持2 路VGA输入、2路VGA输出接口;

• 支持2 路HDMI 高清输入、2路HDMI输出接口;

• USB2.0 接口，可插入U盘用于临时视频码流存储;

• SATA接口，用于本地视频存储，适合DVR场合使用;

• 视频编码支持MPEG4-10 AVC Base line，最高1080P 60帧/秒;

• 双路千兆以太网音视频传输;

• 友好的操作界面和便于操作的菜单系统。

【产品规格】

视频输入：2 路VGA接口，2路HDMI接口

视频输出：2 路VGA接口，2路HDMI接口

其他接口：1个USB2.0接口，1个SATA接口

网络接口：2 路千兆以太网

机 箱：采用标准1U机箱

电 源：AC220V

环 境：温度：0℃~70℃ 湿度：85%RH 以下

外形尺寸：480×360×44(宽×深×高(mm))

【应用领域】

可以广泛应用在通讯、网络，适合实时系统控制、产业自动化、实时数据采集、军事系统等需要高速运算的领域，也适用于智能交通、航空航天、医疗器械、水利等模块化及高的可靠度、可长期使用的应用领域。此外还适合课堂录播系统、医疗系统、雷达系统等仪器视频记录系统。

各种有线、无线网络环境的视频通讯传输应用。