浅谈数字视频矩阵在安防领域的发展

　　视频矩阵在安防领域有十分广泛的应用，在现有产品中，绝大多数都是传统的模拟视频矩阵。随着近年来数字技术的高速发展，软硬件水平的提高，不断有高性能的DSP和更高速的总线得到应用，使基于数字技术的视频矩阵方案能够得以实现。同时，得益于数字视频处理技术的强大功能，数字视频矩阵的优势逐渐显现，我们有理由相信，数字视频矩阵将成为安防业中新兴的一个热点，也将是视频矩阵以后的一个发展趋势。

　　一、视频矩阵的基本概念

1．视频矩阵的基本功能和要求

作为视频矩阵，最重要的一个功能就是实现对输入视频图像的切换输出。准确概括那就是：将视频图像从任意一个输入通道切换到任意一个输出通道显示。一般来讲,一个M×N矩阵：表示它可以同时支持M路图像输入和N路图像输出。这里需要强调的是必须要做到任意，即任意的一个输入和任意的一个输出。

　　另外，一个矩阵系统通常还应该包括以下基本功能：字符信号叠加；解码器接口以控制云台和摄像机；报警器接口；控制主机，以及音频控制箱、报警接口箱、控制键盘等附件。对国内用户来说，字符叠加应为全中文，以方便不懂英文的操作人员使用，矩阵系统还需要支持级联，来实现更高的容量，为了适应不同用户对矩阵系统容量的要求，矩阵系统应该支持模块化和即插即用（PnP）的，可以通过增加或减少视频输入、输出卡来实现不同容量的组合。

矩阵系统的发展方向是多功能、大容量、可联网以及可进行远程切换。一般而言矩阵系统的容量达到64×16即为大容量矩阵。如果需要更大容量的矩阵系统，也可以通过多台矩阵系统级联来实现。矩阵容量越大，所需技术水平越高，设计实现难度也越大。

　　2．视频矩阵的分类

按实现视频切换的不同方式，视频矩阵分为模拟矩阵和数字矩阵。

　　·模拟矩阵

视频切换在模拟视频层完成。信号切换主要是采用单片机或更复杂的芯片控制模拟开关实现。

　　·数字矩阵

视频切换在数字视频层完成，这个过程可以是同步的也可以是异步的。数字矩阵的核心是对数字视频的处理，需要在视频输入端增加AD转换，将模拟信号变为数字信号，在视频输出端增加DA转换，将数字信号转换为模拟信号输出。视频切换的核心部分由模拟矩阵的模拟开关，变将成了对数字视频的处理和传输。

　　二、数字视频矩阵简介

根据数字视频矩阵的实现方式不同，数字视频矩阵可以分为总线型和包交换型。

　　·总线型数字视频矩阵

顾名思义，总线型数字矩阵就是数据的传输和切换是通过一条共用的总线来实现的，例如PCI总线。

 
总线型矩阵中最常见的就是PC－DVR和嵌入式DVR。对于PC－DVR来说，它的视频输出是VGA，通过PC显卡来完成图像显示，通常只有1路输出（1块显卡），2路输出的情况（2块显卡）已经很少；嵌入式DVR一般的视频输出是监视器，一些新的嵌入式DVR也可以支持VGA显示。在上面的两个例子中，它们都可以实现1路视频输出（还可以进行画面分割），可以把这两款产品当作视频矩阵的一个特例，也就是一个只有1路视频输出的特殊情况。

　　·包交换型数字视频矩阵

包交换型矩阵是通过包交换的方式(通常是IP包)实现图像数据的传输和切换。包交换型矩阵目前已经比较普及，比如已经广泛应用的远程监控中心，即在本地录像端把图像压缩，然后把压缩的码流通过网络（可以是高速的专网、internet、局域网等）发送到远端，在远端解码后，显示在大屏幕上。包交换型数字矩阵目前有两个比较大的局限性：延时大、图像质量差。由于要通过网络传输，因此不可避免的会带来延时，同时为了减少对带宽的占用，往往都需要在发送端对图像进行压缩，然后在接收端实行解压缩，经过有损压缩过的图像很难保证较好的图像质量，同时编、解码过程还会增大延时。所以目前包交换型矩阵还无法适用于对实时性和图像质量要求比较高的场合。

　　三、数字视频矩阵优势分析

数字视频矩阵的优势主要体现在以下几个方面：

1．成本优势：实现了视频矩阵和DVR合二为一。

采用数字视频矩阵方案，只需一台设备就可以同时实现视频矩阵和DVR的功能，大大的节省了成本。对矩阵的控制和DVR的控制集成在一起，方便灵活。如果采用模拟矩阵，至少需要一台矩阵主机和一台DVR主机，安装调试复杂，除了DVR的成本外，还要为模拟矩阵付出高额的成本。此外，对于模拟矩阵的控制，可能还需要外接其他设备，比如显示设备、矩阵控制器，矩阵控制键盘等，有些复杂的功能甚至需要专门的PC机来进行配置。模拟矩阵的方案还需要视频信号的分配、复用设备来实现DVR的录像功能，而采用数字矩阵，则只需在DVR的基础之上，增加简单的矩阵模块即可，成本相对低廉，且数字矩阵、录像系统的集成度高，稳定性增强，也降低了以后维护的成本。

　　2．功能优势：配置灵活，功能强大，简单易用

在模拟矩阵＋DVR方案中，矩阵和DVR各自为政，需要分别控制，模拟矩阵提供的操作方式复杂，易操作性很差，且功能单一，如果要实现比较复杂的功能，需要很繁琐的操作流程；而采用数字矩阵，通过一个控制平台即可实现对切换矩阵和DVR的同时控制，操作界面可由二次开发商在Windows或Linux下自由开发，可以根据自己客户的需求定制应用程序，定制各种功能，所构建的系统，完全取决于开发商自己的软件。

在数字矩阵中，基于对图像的数字处理：可以在实现视频切换的同时，对图像进行很多处理，比如叠加字符、叠加图像，区域遮盖等，这些都是目前DVR所普遍具有的功能，但是对于模拟矩阵，由于它的核心是基于模拟信号的处理，在面对这些功能时，则显得力不从心。这里以字符叠加功能为例，模拟矩阵往往需要外接字符叠加芯片来实现，通常只能实现ASCII码也就是英文字符的叠加，而能够实现汉字叠加的模拟则可以说是寥寥无几，更不用说同时支持简体、繁体，甚至日文了。至于图像叠加等功能，在模拟信号层基本是无法实现的。

数字矩阵可以提供更丰富的图像显示模式。传统的模拟矩阵只能进行最简单的1:1的图像输出；而数字矩阵在此基础上还可以实现N→1(通过对图像的缩放处理，可以实现多路图像在一个窗口显示)和1→N(一个输入图像同时在多个输出端显示)的显示方式，甚至是画中画等高级功能。

3．系统稳定性，数字矩阵＋DVR的方案，系统集成度高、功耗低，稳定性高；而采用模拟矩阵方案，由于需要多台设备，出问题的概率则大大增加。

 
　　4．潜力：发展空间巨大

模拟矩阵控制系统目前已经非常成熟，其产品的结构和功能在近几年，甚至是十几年内，都没有发生大的变化，可挖掘的潜力已经十分有限。

而数字矩阵则完全不同，目前数字技术的发展可以用日新月异、前途广阔来形容。首先，随着硬件性能的提高，在高速总线方面：66M的PCI总线已经很成熟和普及，比如PCI－E或其它的高速串行总线也不断的提出；在芯片技术上：已经出现了600M、720M甚至是1GHz的高性能DSP，可以说，得益于硬件平台性能的不断提高，必然使数字矩阵的功能不断的提升，不断的向高端发展。与此同时，软件的进步同样不可忽略，不断有新图像的压缩、处理算法提出，图像压缩的效率不断提高，也不断有更复杂、更智能的图像处理算法得到应用，比如智能的移动检测、智能识别技术（人脸识别，指纹识别、车牌识别、签名识别）目前都已经有了比较成熟的应用，这些更高层次的图像处理技术，利用目前硬件平台，已经可以应用到我们的数字视频系统中。因此随着软、硬件水平的的飞速提高，我们有理由相信，数字矩阵的发展空间会非常广，无论是在性能上还是在功能上必然会全面超过模拟矩阵。

　　5．二次开发简单、便捷

和以前的H卡和D卡分别使用各自的SDK不同，新的SDK将同时支持H卡、HC卡和MD卡。只需通过一个SDK即可以同时实现编码、解码、和矩阵控制，新的SDK中编码、解码部分和原有SDK中的编码、解码部分兼容，用户只需增加矩阵控制部分即可，极大的降低了用户进行二次开发的复杂性。同时：H卡、HC卡和MD卡可以混插，便于对现有的工程进行维护和扩展。

　　四、矩阵产品功能描述

矩阵切换控制系统是集模拟和数字视音频信号切换，视频图像智能分析，视频信号编解码，视频压缩数据集中管理存储和网络实时预览，多种外设控制于一体的控制系统，该产品具有以下特点：

·采用PCI-Express Switch交换技术实现高速的、大容量的视频交换背板设计,实现全数字化任意输入数字信号经过高速背板切换到任意输出的矩阵功能；

·刀片式数字矩阵板，支持 64×16；128×32 ；256×64；512×128下数字视频全交叉切换；

·采用模块化结构设计，不同型号的交换矩阵通过更换或增加数字矩阵板实现；

·同时支持数字矩阵交换和网络IP矩阵交换，支持多种模拟输入、数字等压缩、非压缩高清视频信号输入和多种模拟、数字压缩、非压缩信号的输出转换，并可输出到模拟和数字显示设备上，实现了真正意义上的全高清、全数字化的矩阵；

·采用双电源提供冗余切换后备保护；

·支持视频行为智能分析功能；

·支持视频图像编解码，网络视频收发服务，视频数据记录和回放功能；

·内置多个千兆网络接口，用于视频压缩图像、IPC的接收和发送，网络存储，提供网络收发控制板，方便网络带宽和网口数的扩容。

视频矩阵系统示意图

　　整个系统以高速PCI Experss Switch和Ethernet switch 双交换结构作为矩阵交换背板，采用插拔式模块化设计，包括中央主处理器模块、视频信号输入模块、视频信号输出模块、电源模块、视频编解码模块，视频图像智能行为分析模块、风扇控制模块、网络收发协处理模块，视频数据记录协处理模块。