數字視頻矩陣

數字視頻矩陣在安防領域有十分廣泛的套用，數字視頻矩陣將成為安防業中新興的一個熱點，也將是視頻矩陣以後的一個發展趨勢。隨著近年來數位技術的高速發展，軟硬體水平的提高，不斷有高性能的DSP和更高速的匯流排得到套用，使基於數位技術的視頻矩陣方案能夠得以實現。數字視頻矩陣包括：嵌入式解碼矩陣、DVI矩陣、中控式HDMI矩陣等。

基本介紹

• 中文名：數字視頻矩陣
• 外文名：無
• 作用：實現對輸入視頻圖像的切換輸出
• 學科：計算機學
• 類別：DVI矩陣、中控式HDMI矩陣

基本功能和要求

作為視頻矩陣，最重要的一個功能就是實現對輸入視頻圖像的切換輸出。準確概括就是：將從任意一個輸入通道輸入的視頻圖像切換到任意一個視頻輸出通道。一般來講,一個M×N矩陣，表示它可以同時支持M路圖像輸入和N路圖像輸出。這裡需要強調的是必須要做到任意，即任意的一個輸入切換到任意的一個輸出。

另外，一個矩陣系統通常還應該包括以下基本功能：字元信號疊加；解碼器可以控制雲台、可變鏡頭和攝像機；報警器接口；可選的音頻同步切換矩陣；控制鍵盤等。對國內用戶來說，字元疊加應為全中文，以方便不懂英文的操作人員使用，矩陣系統還需要支持級聯，來實現更高的容量，為了適應不同用戶對矩陣系統容量的要求，矩陣系統應該支持模組化和即插即用（PnP），通過增加或減少視頻輸入、輸出卡來實現不同容量的組合。

矩陣系統的發展方向是多功能、大容量、可聯網，以及可進行遠程切換。一般而言矩陣系統的容量達到64×16即為大容量矩陣。如果需要更大容量的矩陣系統，也可以通過多台矩陣系統級聯來實現。矩陣容量越大，所需技術水平越高，設計實現難度也越大。

按實現視頻切換的不同方式，視頻矩陣分為模擬視頻矩陣和數字視頻矩陣。模擬視頻的視頻切換在模擬視頻層完成，信號切換主要是採用單片機或更高檔的晶片來控制模擬開關實現。數字視頻的視頻切換在數字視頻層完成，這個過程可以是同步的也可以是異步的。數字矩陣的核心是對數字視頻的處理，需要在視頻輸入端增加AD轉換，將模擬信號變為數位訊號，在視頻輸出端增加DA轉換，將數位訊號再轉換為模擬信號輸出。視頻切換的核心部分由模擬矩陣的模擬開關，變成了對數字視頻的處理和傳輸。

簡介

根據數字視頻矩陣的實現方式不同，數字視頻矩陣可以分為匯流排型和包交換型。下面以目前安防市場上廣泛套用的壓縮板卡和硬碟錄像機為例，介紹這兩種類型的數字視頻矩陣。

匯流排型數字視頻矩陣

顧名思義，匯流排型數字矩陣就是數據的傳輸和切換是通過一條共用的匯流排來實現的，例如PCI匯流排。

其中最常見的就是PC－DVR型和嵌入式DVR型。對於PC－DVR型來說，它的視頻輸出是VGA，通過PC顯示卡來完成圖像顯示，通常只有1路輸出（1塊顯示卡），2路輸出的情況（2塊顯示卡）已經很少；嵌入式DVR一般的視頻輸出是監視器，一些新的嵌入式DVR也可以支持VGA顯示。PC－DVR型和嵌入式DVR型都可以實現1路視頻輸出（還可以進行畫面分割），可以把這兩款產品當作視頻矩陣的一個特例，也就是一個只有1路視頻輸出的特殊情況（如圖1）。

特性

數字矩陣,是針對前端設備全部是網路數字視頻流輸入，到監控中心輸出上電視牆專門製作的一款產品，用於完成輸出、切換、存儲、轉發、遠程控制視頻等功能。其中數字矩陣產品是比較權威的代表之一，超強的解碼能力是網路數字矩陣視頻輸出的優勢，單機相當於16張四路解碼卡（128CIF）。主要特性有以下幾個方面：

★超大型視頻管理平台及超級網路解碼能力

單機最大可管理1024路視頻，配置專業的GPU，實現單機64路/96 CIF,16路/36路/54路 D1解碼能力。超強的解碼能力是網路數字矩陣視頻輸出的基礎，單機相當於16張四路解碼卡（128CIF）

★4路/6路 VGA/DVI/HDMI 1080高清顯示輸出

四屏/六屏輸出網路VGA數字矩陣，各屏輸出1/2/9/16畫面，可實現單機 CIF 96入96出，D1 54入54出。滿足新的“全面覆蓋，重點監控”，1:1顯示輸出的行業主流需求

★多廠家設備兼容，無縫接入

兼容其他廠家硬碟錄像機，視頻伺服器，網路攝像機的網路視音頻流

★多機聯網全交叉矩陣切換功能

採用標準的TCP/IP輸入及輸出，1000M網口，通過普通1000M交換機進行多機聯網全交叉矩陣切換，實現256入256出（16屏），512入512出（32屏），1024入1024出（64屏）等超大型聯網監控系統

包交換型視頻矩陣

包交換型矩陣是通過包交換的方式(通常是IP包)實現圖像數據的傳輸和切換。包交換型矩陣目前已經比較普及，比如已經廣泛套用的遠程監控中心，即在本地錄像端把圖像壓縮，然後把壓縮的碼流通過網路（可以是高速的專網、internet、區域網路等）傳送到遠端，在遠端解碼後，顯示在大螢幕上。包交換型數字矩陣目前有兩個比較大的局限性：延時長、圖像質量差。由於要通過網路傳輸，因此不可避免的會帶來延時，同時為了減少對頻寬的占用，往往都需要在傳送端對圖像進行壓縮，然後在接收端實行解壓縮，經過有損壓縮過的圖像很難保證較好的圖像質量，同時編、解碼過程還會增大延時。所以目前包交換型矩陣還無法適用於對實時性和圖像質量要求比較高的場合（如圖2）。

典型視頻矩陣

目前，矩陣市場上已經出現了帶有多路視頻輸出和解碼功能的矩陣卡，這種矩陣卡在原有的硬體解碼卡的基礎之上，同時實現了一卡多路的視頻輸出。由於採用了全新的高性能DSP，並配合目前已經得到普遍套用的2.2版本PCI匯流排，我們已經可以利用現有的硬體平台組建一個小型的數字視頻矩陣系統。那么，下面就介紹一下實現數字視頻矩陣的兩個典型方案：

用矩陣卡和DVR板卡組建視頻矩陣、實時錄像系統

在該系統中，由音視頻壓縮卡完成圖像壓縮功能，與PC機構成DVR系統，這和目前市場上主流的PC－DVR完全相同。此外，在系統中增加矩陣卡，並由音視頻壓縮卡把數字視頻數據通過PCI匯流排傳送到矩陣卡，由矩陣卡實現視頻的輸出，這就構成了一個小型的數字視頻矩陣（如圖3）。

用矩陣卡組建網路矩陣

在該方案里，通過網路監控中心主機來調度多塊解碼卡，將從網路遠端接收的圖像數據切換到各個解碼卡進行解碼，最後由解碼卡實現視頻輸出（如圖4）。

優勢分析

以某數字矩陣產品為例：數字視頻矩陣的優勢只要有以下幾個方面：

成本優勢

採用數字視頻矩陣方案，只需一台設備就可以同時實現視頻矩陣和DVR的功能，大大地節省了成本。對矩陣的控制和DVR的控制集成在一起，方便靈活。如果採用模擬矩陣，至少需要一台矩陣主機和一台DVR主機，安裝調試複雜，除了DVR的成本外，還要為模擬矩陣付出高額的成本。此外，對於模擬矩陣的控制，可能還需要外接其他設備，比如顯示設備、矩陣控制器，矩陣控制鍵盤等，有些複雜的功能甚至需要專門的PC機來進行配置。模擬矩陣的方案還需要視頻信號的分配、復用設備來實現DVR的錄像功能，而採用數字矩陣，則只需在DVR的基礎之上，增加簡單的矩陣模組即可，成本相對低廉，且數字矩陣、錄像系統的集成度高，穩定性強，也降低了以後維護的成本。

功能優勢

在模擬矩陣+DVR方案中，矩陣和DVR各自為政，需要分別控制，模擬矩陣提供的操作方式複雜，易操 九鼎高級綜合存儲型數字矩陣（12盤位）

作性很差，且功能單一，如果要實現比較複雜的功能，需要繁瑣的操作流程；而採用數字矩陣，通過一個控制平台即可實現對切換矩陣和DVR的同時控制，操作界面可由二次開發商在Windows或Linux下自由開發，可以根據自己客戶的需求定製應用程式，定製各種功能，所構建的系統，完全取決於開發商自己的軟體。

在數字矩陣中，基於對圖像的數字處理：可以在實現視頻切換的同時，對圖像進行很多處理，比如疊加字元、疊加圖像，區域遮蓋等，這些都是目前DVR所普遍具有的功能，但是對於模擬矩陣，由於它的核心是基於模擬信號的處理，在面對這些功能時，就顯得力不從心。這裡以字元疊加功能為例，模擬矩陣往往需要外接字元疊加晶片來實現，有的模擬矩陣通常只能實現ASCII碼也就是英文字元的疊加，更不用說同時支持簡體、繁體，甚至日文了。至於圖像疊加等功能，在模擬信號層基本是無法實現的。

數字矩陣可以提供豐富的圖像顯示模式。傳統的模擬矩陣只能進行最簡單的1:1的圖像輸出；而數字矩陣在此基礎上還可以實現N→1(通過對圖像的縮放處理，可以實現多路圖像在一個視窗顯示)和1→N(一個輸入圖像同時在多個輸出端顯示)的顯示方式，甚至是畫中畫等高級功能。

最後是系統穩定性，採用九鼎數字矩陣+DVR的方案，系統集成度高、功耗低，穩定性高；而採用模擬矩陣方案，則出故障的機率就會大大增加。

潛力

模擬矩陣控制系統目前已經非常成熟，其產品的結構和功能在近幾年，甚至是十幾年內，都沒有發生質的變化，可挖掘的潛力已經十分有限。

而數字矩陣則完全不同，目前數位技術的發展可以用日新月異來形容。首先，隨著硬體性能的提高，在高速匯流排方面：66M的PCI匯流排已經很成熟和普及，比如PCI－E或其它的高速串列匯流排在不斷的提出；在晶片技術上：已經出現了600M、720M甚至是1GHz的高性能DSP。可以說，得益於硬體平台性能的不斷提高，數字矩陣的功能也將不斷的提升。

與此同時，軟體的進步同樣不可忽略，不斷有新的圖像壓縮、處理算法提出，圖像壓縮效率不斷提高，也不斷有更複雜、更智慧型的圖像處理算法得到套用，比如智慧型的移動檢測、智慧型識別技術（人臉識別、指紋識別、車牌識別、簽名識別）。這些更高層次的圖像處理技術，利用目前的硬體平台，已經可以套用到我們的數字視頻系統中。因此隨著軟、硬體水平的飛速提高，我們有理由相信，數字矩陣的發展空間將會非常寬廣，無論是在性能上還是在功能上必然會全面超過模擬矩陣。數字視頻矩陣分類

分類

以某數字矩陣產品為例：數字矩陣主要有以下幾種分類：

拼接網路VGA數字矩陣GS-7404P(4*4)D1

高級綜合存儲型數字矩陣（12盤位）GS-7416C12H(4*16)Cif

高級綜合存儲型數字矩陣（16盤位）GS-7409D16H(4*9)D1

網路VGA數字矩陣 GS-7416C(4*16)Cif

網路VGA數字矩陣 GS-7409D(4*9)D1

網路VGA數字矩陣 GS-7616C(6*16)Cif

網路VGA數字矩陣 GS-7609D(6*9)D1

高級綜合存儲型數字矩陣（12盤位）GS-7616C12H(6*16)Cif

高級綜合存儲型數字矩陣（16盤位）GS-7609D16H(6*9)D1

未來發展方向

聯網矩陣發展方向

數字矩陣源於網路，並與網路有著密不可分的關係，網路的重要特徵在於它的分散式計算能力。那么其功能不應受制於類似於模擬矩陣或硬碟錄像一樣單台機箱的約束，而是應充分的借用它在網路方面的先天優勢，方便地進行分散式計算。

多機無縫級聯是九鼎數字矩陣網路監控系統的一項基本功能，因為多機全交叉切換則是網路矩陣賴以生存的重要職能。如果說實時流媒體是數字矩陣的軟晶片，那么網路交換機就是它的硬晶片。很多人能夠理解非常複雜的模擬系統的接線結構，或許也是電腦方面的專家，但對於家喻戶曉的普通網路交換機，卻不知道它在這樣大型的監控系統里起著不可估量的作用。

通過實時流媒體及網路交換機，進行多機聯網全交叉矩陣切換，則可輕鬆實現256入256出(16屏)、512入512出(32屏)等超大型聯網監控系統。

網路負載發展方向

在大型的網路監控系統中，核心骨幹網的負載能力是一個最重要的指標。越是大型的系統，每兆位元組的傳輸成本越高。一個512路以上的網路監控系統，相當於一個上千戶寬頻用戶的網路資源需求。在實時性方面的要求，比以文本傳輸或可間斷非實檔案流為主的民用寬頻要求要高得多，所以在網路負載平衡方面需做出 九鼎拼接網路VGA數字矩陣。

非常專業的考慮。然而因為IP監控的剛剛興起，甲方或工程商缺少專業的網路建設方面的知識與經驗。相關的廠家雖然技術員的水平相對要高一些，但往往不會從產品的角度做出比較負責任的考慮與設計，反而會出於商業的目的設計一些比較獨立的僅具有商業目的的產品，比如網路存儲伺服器。

在這樣大的網路監控系統中，要最大可能的對獨立的子系統或分區進行物理切割，比如分區的前端DVR/DVS/IPC與後端訪問網路相隔離。而像網路矩陣本身不能產生附加頻寬的同時，需要起到這個分區或切割的職能，比如採用雙1000M網口設計，一個網口用來輸入某一區域前端設備網路過來的視頻，另一個網口再進入主幹網，自身完成了解碼、存儲功能，從而通過流媒體的轉發，巧妙地實現了網關的職能。這樣，就把整個網路的壓力降到了最低，那么網路風暴產生的機會就大大降低了。

網路存儲發展方向

最近幾年，海量存儲技術一直在快速地進步。從07年初的160G，快速跳過 250G、320G、500G、750G，並逐漸進化到1000G、1500G，及目前最高的2000G硬碟。 前2000G硬碟在價格上與三年前的160G硬碟是持平的。也就意味著目前通過一台2U機箱的9個2000G硬碟，相當於三年前112個以上160G硬碟位超大型存儲陣列，這差不多是一個省級數據中心的存儲量。

這樣的技術進步是眾人皆知的，因為它直接影響到普通PC市場的變化。顯然，數字監控的重要的本地錄像功能自然也會受它的影響。隨著犯罪水平的不斷提高，作案的時候連同監控設備一起搬走或是一起破壞的事件屢屢發生，集中存儲或是集中存儲與本地存儲相結合的需求日趨強烈。伴隨著海量存儲技術的不斷進步，海量存儲的成本不斷降低，這種需求自然而然的成為了IP監控的必備功能。

當網路集中存儲的需求產品化後，即出現了專門的獨立存儲伺服器。這個產品雖然解決了存儲的問題，但卻加重了核心骨幹網上的壓力。比如512路視頻進入骨幹網後，按512K來算，即產生了256M的實際網路頻寬。如果這個256M的頻寬，經流媒體伺服器，再轉存儲伺服器，然後輸出到解碼伺服器，有一部分通過分控訪問，就會產生超過1000M實際碼流的網路風暴。

數字矩陣採用流媒體、存儲、解碼輸出一體化設計，即網路視頻一經輸入到某台矩陣，則少有機會再需轉發出來。這樣的方案不僅可以最大程度降低網路風暴的風險，更重要的是通過本機的本地記憶體複製等機制，使網路傳輸的延時降到最低，從而使圖像的實時性、連慣性等方面得到非常大的提升，這就從根本上解決了這一系列問題。

綜上所述，新一代數字矩陣如果能完全滿足上述要求，不斷豐富IP監控的功能特點，使數字矩陣賦予新的職能，才能發揮IP監控的原動力作用，把IP監控推向新的發展高峰。