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视频矩阵的发展趋势分析

2013-07-22 10:05:29

来源:

浙江大华技术股份有限公司   产品经理   袁源

围绕国家构建社会主义和谐社会的重大战略部署,近几年来全国范围内开展了“应急体系”、“平安城市”、“智慧城市”、 “科技强警”等重大工程。安防视频监控系统作为技术防范关键的物质手段,在应急管理体系、社会治安治理防控体系、物联网、智慧城市等多个方面发挥着重要的作用。同时,视频监控系统的技术也在不断地进步。

矩阵的发展演变

一个完整的安防视频监控系统,可以分成信号采集、信号传输、信号交换与处理、信号显示、信号存储这5大模块,而信号交换与处理这个模块,一般是由安装于监控中心的设备来完成的,需要为数量繁多、种类各异的视频信号提供交换功能。矩阵是模拟视频监控系统的核心组成部分,其最基本的功能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输出,它具有完备的切换能力,可以在任意的监视器上显示任意摄象机的图象和与之对应的音频,一般应用于各种大中型地监控系统中,可以对所有的前端摄象机云台和镜头的操作进行控制。传统矩阵作为监控中心核心设备已经存在许多年了,而随着时代的发展,科技的进步,视频监控系统和矩阵的形态也在发生着变化。

随着高清数字视频信号处理技术、网络技术以及计算机图像处理技术的发展,矩阵类产品出现了一些新的变化和趋势。个人总结,目前市场上的矩阵类产品有如下三种:

Ÿ 传统的模拟矩阵,仅支持模拟信号的输入输出以及交换

Ÿ 全高清信号矩阵,支持HD-SDI/DVI/HDMI/VGA/YPbPr等多种高清信号输入输出以及交换

Ÿ 数模信号、高/标清信号混合的矩阵,支持标/高清、模拟、数字、网络各种信号的输入输出以及交换

不同类型的矩阵主要区别是信号交换的方式不同,模拟矩阵基于模拟电路交换技术,数字高清矩阵基于高速串行数字电路交换技术,支持IP信号的矩阵还要涉及到视频信号编码解码技术。

提升综合应用能是其发展的必由之路

从实际应用来看,例如:平安城市的建设,引发了大规模视频监控的应用需求,如:数万到数十万个监控点;数量众多的分控中心;错综复杂的联网拓扑结构和权限需求;种类多样的信号接入;越来越复杂的后台存储和应用,这就要求监控系统必须满足任意摄像机的远距离调用和共享、图像资料的存储和检索、图像信号的高质量无损传输、复杂的用户和权限管理。传统的监控系统使用模拟信号传输图像,监控中心交换设备是模拟视频矩阵,随着TCP/IP技术的发展,基于MPEG4\H.264编码技术,通过以太网传输信号的全数字网络监控系统也得到了广泛的应用 ,同时还有使用HD-SDI传输技术的数字全高清全实时监控系统。但这些系统都有其局限性:模拟系统实时性优秀而清晰度不足,基于编解码技术网络系统可以满足高清视频信号的需求但是在实时性上又稍逊一筹,使用HD-SDI技术的系统可以满足清晰度和实时性的要求但是对布线要求高,设备造价昂贵。在现阶段,任意一种基于单一信号传输技术的视频监控系统都无法满足日益复杂的大规模监控需求。在一个大/中型监控系统中,一般都会存在多种信号采集/传输的需求,特别是随着高清视频信号采集与处理技术的发展,在监控系统的中心节点,对多平台的整合,多业务的融合以及多信号兼容能力的要求,被提到了一个前所未有的高度。监控系统中心交换设备发展多业务接入,高兼容性,高速处理以及智能化、综合应用能力将是必由之路。 

针对IP视频以及高清视频信号,传统模拟矩阵无法直接处理,对于HD-SDI技术,监控中心需要使用专用的SDI矩阵,在全IP技术传输的监控系统中,传统矩阵的视频信号交换功能交由了网络交换与路由设备实现,由软件统一管理,因此未来传统模拟矩阵的市场份额将会有很大减少,同时高清化、数字化、智能化也将成为未来矩阵的发展方向。虽然形式上发生了变化,但传统矩阵的系统理念将在未来的矩阵产品上得到延续,矩阵的核心价值没有变化,仍然是为视频信号提供交换服务的设备,只是各种视频信号的格式以及传输介质与早期监控系统基本全是CVBS信号的时代有所不同。基于这些原因,支持网络信号和高清数字信号以及智能应用的矩阵产品一定会有很好的市场前景,矩阵作为视频监控系统的核心设备,有其不可替代的价值和地位。

视频信号处理与交换系统架构设计

从市场和用户的实际需求出发,个人认为,理想的视频信号处理与交换系统架构的设计原则如下: 

数字化原则:数字化技术是保证图像质量的基础,数字化可以保证音视频信号经多级传输后不产生衰减,数字化将有利于系统扩展和维护,同时能够较好的做到跨平台兼容; 

高带宽设计原则:整个视频信号交换系统必须考虑的能力是高带宽交换能力。系统能够为各种信号提供充足的带宽,并且所有的带宽可分配将有效提高系统的处理能力、兼容性以及可扩容性。可靠的高带宽交换能力是系统实现高性能的有效保证; 

分层设计原则:与网络系统分层类似,复杂传输交换系统必须有效分层,对于监控系统来说,可以简单分为三层:物理链路层、传输交换层、应用处理层。各层功能相对独立,各层因技术进步做出的改动不会影响到其他层,从而保持体 系结构的稳定性,而层与层之间的交换决定了系统的灵活性; 

多业务融合原则:由于现阶段视频监控系统的技术架构日益复杂,特别是多种信号采集和传输的方式同时共存,因此系统不仅应该能够支持单一种类信号的接入、交换和应用,还包括兼容多种技术多种形式的信号,所以系统必须统一考虑多种业务; 

平台性原则:将监控系统多种视频格式(包括高清格式)接入、多种处理方法、多种业务应用等需求统一在一个平台上,可以显著地提高系统扩展性,从而达到系统资源的共享、避免重复投资; 

安全性原则:监控传输系统必须保障信号的真实性、安全性以及传播受控等基本要求,尤其是公共安全领域的应用; 

可持续发展原则:随着监控系统建设的复杂性越来越高、规模越来越大,技术发展越来越快,为了保护投资,节约资源系统,系统的兼容性、可持续扩容、不断发展的能力成为系统生命力的关键。 

能够实现上述的系统架构和技术需求,同时兼容高\标清信号以及网络信号的数字矩阵设计难度比传统矩阵要大,市面上已有的混合数字矩阵产品的设计比较多样化,各个厂家有自己的一些特色。

大华M60视频综合平台解析

在这样的市场环境和技术背景下,浙江大华技术股份有限公司推出了M60视频综合平台,这是一套监控中心设备,它的定位是整个监控系统的视频信号交换核心。它的推出建立在大华对市场和用户需求深刻了解的基础上,整套系统集成了大华在视频监控邻域多年的技术沉淀。针对这套设备,我们可以从三个方面了解它:

1、 首先,大华M60系统是一套电信级数字矩阵,是大路数视频信号交换处理系统,兼容几乎所有的音视频信号,具有强大的级联扩展能力,支持大屏拼接,解码上墙。大华M60系统摒弃了传统矩阵监控设备的模拟信号设计思路,使用了全数字化的方案。模拟监控系统由于信号多次模数/数模转换以及多级电路连接会导致无法避免的图像质量损失和劣化,而且抗干扰能力差。使用全数字化设计的大华M60系统则避免了模拟监控系统的这些问题。整套系统基于ATCA高级电信计算标准设计,模块化插卡式结构,背板带宽高达800Gbps,系统架构先进,稳定性高,针对各种业务设计了不同的板卡,可根据实际需求灵活配置。

M60的信号输入输出能力分3类

a) 对于模拟D1同轴电缆信号,通过不同的板卡组合,单机支持128*96、 160*60 、192*48 、256*24矩阵交换;

b) 对于全高清非压缩1080p信号,通过不同的板卡组合,单机支持64*16、40*40矩阵交换;

c) 对于网络码流,高清1080P码流单机支持80*80矩阵交换,模拟D1码流单机支持320*320矩阵交换; 

d) 以上的接入方式可以分类组合,提供更复杂的应用。而且除了单机应用,M60还支持光纤级联以及IP级联两种方式,可多台设备级联使用,大规模组网。通过级联方式支持几乎无限的输入与输出。

2、 其次,大华M60系统不仅仅是一套矩阵设备,它还是一套智能视频业务处理设备。大华M60系统既提供了传统矩阵的信号交换能力,又提供了多样化的视频业务处理能力。它的主控板使用64位4核处理器,主频高达3G以上,所有的业务卡都有专用视频信号处理芯片,可以在提供信号接入的同时实现编码解码,转发码流预览/存储,云台/球机控制,大屏拼接控制,智能分析,报警联动等多样化的业务,并支持外接直连存储设备以及网络存储设备。对于用户来说,M60实现了6大功能整合,用户可以把这套设备看成模拟/高清矩阵+编/解码器阵列+流媒体服务器+矩阵联网服务器+大屏拼接器+智能视频分析设备6大功能的组合体;整个系统具有强大的扩展能力,实现了视频监控业务的高度整合,既节省了用户购买设备的成本,又降低了系统长期运行的场地和能源开销。

3、 大华M60系统不仅能提供全数字、全高清信号的处理能力,它还能兼容模拟监控系统。它具备模拟输入输出接口板以及RS232/485接口,内置模拟矩阵协议,兼容Pelco,霍尼韦尔等主流模拟矩阵,可与原有的模拟监控系统无缝结合,并支持不同品牌和型号之间的矩阵联网,支持市面上大多数云台和球机,可以大大节约用户扩建老系统的成本。

在产品的设计上, M60采用了模块化、高稳定性设计,对于作为监控中心核心汇聚点,提供多种视频信号交换的设备,这是必不可少的

首先,系统功能的模块化设计,可以根据项目实际需求对产品进行配置,比较灵活。而热拔插以及冗余设计可以提高稳定性和可靠性,例如双电源冗余、散热风扇冗余。模块化和热拔插功能保证了系统某个功能模块损坏时不会导致整机停机维修。

其次系统在设计上针对信号接口以及电源进行了保护也,可以提高系统整体稳定性,例如对数据信号进行光电隔离保护,电源防雷防浪涌设计等。

最后,根据产品的使用环境和客户要求选择高等级的元器件来保证稳定性,由于此类产品的目标客户群体对系统稳定性有较高要求,因此在设计产品时就考虑采用比常规产品更高等级的元器件,保证高可靠性。

总的来说,大华M60系统的核心优势是多业务整合能力、多信号兼容能力、以及强大的扩展能力。M60可以一机多用,代替传统的矩阵、编解码器、拼接控制器、存储\转发服务。通过在系统中部署M60,可以使用户摆脱早期数模混合、高\标清混合监控系统中设备种类数量繁多、连接拓扑复杂、部署维护成本高昂等等种种困扰,同时能有效减少用户IP\机柜空间开销。

未来,视频矩阵将朝高清化、集成化、平台化方向发展

纵观过去,展望未来,视频矩阵功能的高清化、集成化、智能化、平台化将会成为趋势,个人认为原因如下:

首先,前面已经提到,由于目前的视频信号的传输方式是多样化的,因此矩阵作为视频信号在监控中心汇聚点的交换设备,必然要兼容多种信号,同时网络信号和其他的诸如SDI/DVI/VGA/CVBS等电缆接入信号在处理方式又有较大的区别,由此需要设计多种信号处理模块,矩阵的功能也越来越多样化;

其次,现代监控系统的规模越来越大,视频路数越来越多,这也对矩阵这类监控中心汇聚设备的集成度提出了越来越高的要求,对系统集成度要求的提高必然导致单个设备功能多样化的需求,目前很多矩阵产品将大屏拼接、编解码功能集成在系统内就是很好的例子。

最后,同时也是最重要的一点,平安城市、智慧城市概念以及物联网技术的发展,使得视频监控系统从早期的仅仅提供清晰的,可控制的图像到目前的越来越多的面向用户实战需求、面向各种业务处理以及智能化应用发展。用户的需求也由早期的需要机器设备提供清晰可用的视频信号发展到了需要机器设备在原始视频信号的基础上提供更多的实战应用;面对越来越海量的设备和信息,用户越来越多的需要通过智能化应用,用机器代替人力协助处理信息,人工智能可以对信息进行识别、统计、归纳、挖掘等处理,辅助使用者进行决策,摆脱过去诸如人工视频巡检、监看、设备维护等这种繁重的体力劳动。由此,矩阵也从早期的只提供原始视频信号以及交换功能向提供更多的上层应用转变,在提供视频信号交换传输的基础上加载更多应用需求,从而促使矩阵向平台化发展。