網(wǎng)絡(luò)矩陣在dvr監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的階段目前，視頻監(jiān)控技術(shù)已進(jìn)入數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)化和智能領(lǐng)域。視頻監(jiān)控系統(tǒng)從第一代模擬系統(tǒng)(VCR)到第二代部分?jǐn)?shù)字化系統(tǒng)(DVR/NVR),再到第三代完全數(shù)字化系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī),網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器),三個階段的發(fā)展演變預(yù)示著全數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)今后將成為安防市場的主角。從技術(shù)路線上,可以將視頻監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展劃分為三個階段:第一階段:全模擬視頻監(jiān)控。其特點是視頻的采集、傳輸和存儲均是模擬方式,即我們通常稱呼的閉路電視系統(tǒng)。模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)比較成熟,缺點是傳輸距離比較近,適合小范圍部署,不適合遠(yuǎn)程傳輸,不能跟門禁等其他安防系統(tǒng)集成形成聯(lián)動。第二階段:部分?jǐn)?shù)字視頻監(jiān)控。其特點是DVR的采用。視頻內(nèi)容以數(shù)字方式存儲在DVR上,可實現(xiàn)內(nèi)容的方便檢索,但在遠(yuǎn)程傳輸?shù)臅r候,通常需要部署光纖和安裝光端機(jī),系統(tǒng)成本比較高。第三階段:網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控。其特點是結(jié)合成熟的視頻編碼和IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù),采用開放式架構(gòu),以較低的成本實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的大規(guī)模部署和靈活擴(kuò)展。第三代網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控中研究的熱點之一就是網(wǎng)絡(luò)矩陣。目前行業(yè)中大多數(shù)“網(wǎng)路矩陣”產(chǎn)品都是基于以太網(wǎng)的“數(shù)字矩陣”。與傳統(tǒng)模擬矩陣不同,“網(wǎng)絡(luò)矩陣”是以視頻編碼軟件代替模擬矩陣中的視頻輸入模塊,以數(shù)字高速處理CPU代替模擬電開關(guān),以網(wǎng)絡(luò)矩陣主機(jī)代替模擬矩陣主機(jī),以基于TCP/IP協(xié)議的IP網(wǎng)代替模擬總線(或模擬視頻總線結(jié)合IP控制總線),運用計算機(jī)高速處理芯片的運算完成視頻從輸入到輸出的切換設(shè)備。二、pc式dvrDVR發(fā)展至今,各廠家針對視頻監(jiān)控行業(yè)的切實需要以及不同場所的特殊應(yīng)用提出了大量不同的技術(shù)改進(jìn)及解決方案,從M-JPEG、MPEG-2到熱門的MPEG-4、H.264壓縮技術(shù),從軟壓縮到硬壓縮,從視頻路數(shù)的不斷增加到系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能不斷拓展。DVR產(chǎn)品隨著各種不同的應(yīng)用環(huán)境,開發(fā)出不同系列的產(chǎn)品?？傮w來說,按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為兩大類:基于PC架構(gòu)的PC式DVR和脫離PC架構(gòu)的嵌入式DVR。見圖1。這種架構(gòu)的DVR以傳統(tǒng)的PC機(jī)為基本硬件,以Win98、Win2000、WinXP為基本軟件,配備圖像采集或圖像采集壓縮卡,編制軟件成為一套完整的系統(tǒng)。PC機(jī)是一種通用的平臺,PC機(jī)的硬件更新?lián)Q代速度快,因而PC式DVR的產(chǎn)品性能提升較容易,同時軟件修正、升級也比較方便。PC式DVR還可細(xì)分如下:(1)工控機(jī)PCDVR:工控機(jī)PCDVR采用工控機(jī)箱,可以抵抗工業(yè)環(huán)境的惡劣和干擾。采用CPU工業(yè)集成卡和工業(yè)底板,可以支持較多的視音頻通道數(shù)以及更多的IDE硬盤。當(dāng)然其價格也是一般的商用PC的兩三倍。它常應(yīng)用于各種重要場合和需要通道數(shù)較多的情況。(2)商用機(jī)PCDVR:商用機(jī)PCDVR一般也采用工控機(jī)箱,用以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性,視音頻路數(shù)較少的也有使用普通商用PC機(jī)箱的。它采用通用的PC主板,及各種板卡來滿足系統(tǒng)的要求。其價格便宜,對環(huán)境的適應(yīng)性好。它常應(yīng)用于各種一般場合,其圖像通道數(shù)一般少于24路。(3)服務(wù)器PCDVR:服務(wù)器PCDVR采用服務(wù)器的機(jī)箱和主板等,其系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性也比前兩者有很大的提高。常常具有UPS不間斷電源和海量的磁盤存儲陣列,支持硬盤熱拔插功能。它可以長期24小時×7天的連續(xù)不間斷運行,常應(yīng)用于監(jiān)控通道數(shù)量大及監(jiān)控要求非常高的特殊應(yīng)用部門。2.dvr一體化設(shè)備嵌入式DVR基于嵌入式處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng),它采用專用芯片對圖像進(jìn)行壓縮及解壓回放,嵌入式操作系統(tǒng)主要是完成整機(jī)的控制及管理。嵌入式DVR采用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng),視頻監(jiān)視、壓縮、存儲、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ芗械揭粋€體積較小的設(shè)備內(nèi),系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性、可靠性大大提高,所以無需專人管理,適合于無人值守的環(huán)境。嵌入DVR采用一體化的硬件結(jié)構(gòu),無需像PCDVR那樣要購買顯卡、內(nèi)存等設(shè)備,硬件成本比PCDVR低。此類產(chǎn)品沒有PCDVR那么多的模塊和多余的軟件功能,在設(shè)計制造時對軟、硬件的穩(wěn)定性進(jìn)行了針對性的規(guī)劃,因此此類產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定,不會有死機(jī)的問題產(chǎn)生,而且在視音頻壓縮碼流的儲存速度、分辨率及畫質(zhì)上都有較大的改善,就功能來說絲毫不比PCDVR遜色。3.錄像和錄像設(shè)備(1)單路數(shù)字DVR:如同一臺長時間錄像機(jī),只不過使用數(shù)字方式錄像,可搭配一般的影像壓縮處理器或分割器等設(shè)備使用。(2)多畫面數(shù)字DVR:本身包含多畫面處理器,可用畫面切換方式同時記錄多路圖像。4.硬、軟解壓的電腦主機(jī)研究數(shù)字DVR又分為硬解壓和軟解壓兩大類。硬解壓是指由專門設(shè)計的電路和單片機(jī)晶片內(nèi)的底層軟件完成解壓,軟解壓是指用電腦主機(jī)和高級語言編制的軟件解壓。三、視音頻壓縮技術(shù)DVR核心壓縮技術(shù)從最早采用的MJPEG發(fā)展到后來的MPEG-1、MPEG4以及目前的H.264標(biāo)準(zhǔn),壓縮芯片也逐步從專用的ASIC專用芯片規(guī)整到DSP處理器,市場的需求引領(lǐng)了技術(shù)的發(fā)展,技術(shù)發(fā)展推動了市場的擴(kuò)張。以H.264的壓縮標(biāo)準(zhǔn)為例,不同的圖像質(zhì)量、應(yīng)用范圍采用不同的壓縮算法等級,壓縮比、圖像質(zhì)量越高,壓縮算法也就越復(fù)雜,對算法優(yōu)化和實現(xiàn)能力的要求也越高,同等圖像質(zhì)量的帶寬、DVR的存儲成本也就越低。全球半導(dǎo)體市場不斷推出新型高性能DSP芯片,新技術(shù)不斷刺激了數(shù)字視音頻壓縮技術(shù)的發(fā)展。目前DVR采用有純硬件解壓縮、軟件解壓縮和硬件軟件相結(jié)合解壓縮三種技術(shù),采用后兩種技術(shù)的DVR因為軟件解壓縮比較占用計算機(jī)的CPU和內(nèi)存資源,因而能夠處理和錄制圖像的能力有限,所以目前在DVR市場中占主導(dǎo)地位的是MPEG4硬壓縮方式。DVR的優(yōu)點是價格低廉成本不高,應(yīng)用領(lǐng)域較廣,對本地監(jiān)控有一定優(yōu)勢。但在網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控方面相比較沒有任何優(yōu)勢,需要給它提供一條專用的網(wǎng)絡(luò)接入點,還受到廣域網(wǎng)訪問局域網(wǎng)的制約,傳送圖像質(zhì)量不好,所以上述缺點要想實現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)控,DVR還很難做到。四、網(wǎng)絡(luò)矩陣的功能隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬、計算機(jī)處理能力和存儲容量的迅速提高以及各種實用視頻信息處理技術(shù)的出現(xiàn),視頻監(jiān)控進(jìn)入了全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)時代,即是通常所說的第三代視頻監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)字化監(jiān)控以其直觀、方便和內(nèi)容豐富等特點,日益受到人們的重視和關(guān)注。目前,特別是由于數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展,軟硬件水平的提高,使基于數(shù)字技術(shù)的視頻矩陣方案能夠得以實現(xiàn)?？梢哉f,數(shù)字視頻矩陣將是視頻監(jiān)控業(yè)中新興的一個熱點,也將是視頻矩陣以后的一個發(fā)展趨勢。見圖2。按實現(xiàn)視頻切換的不同方式,視頻矩陣分為模擬矩陣和數(shù)字矩陣。(1)模擬矩陣:視頻切換在模擬視頻層完成。信號切換主要是采用單片機(jī)或更復(fù)雜的芯片控制模擬開關(guān)實現(xiàn)。(2)數(shù)字矩陣:網(wǎng)絡(luò)數(shù)字矩陣接收在前端轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后的音視頻信號,它是通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的矩陣系統(tǒng),通過矩陣軟件訪問所需的多路前端中的任意路網(wǎng)絡(luò)視頻前端,這些圖像經(jīng)網(wǎng)絡(luò)至控制室,在電腦上顯示,或經(jīng)多路音視頻編、解碼后在電視墻上顯示。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻矩陣具有以下優(yōu)勢:(1)成本優(yōu)勢:視頻矩陣和DVR合二為一。如果采用模擬矩陣,至少需要一臺矩陣主機(jī)和一臺DVR主機(jī),安裝調(diào)試復(fù)雜,除了DVR的成本外,還要為模擬矩陣付出高額的成本。(2)對于模擬矩陣的控制,可能還需要外接其他設(shè)備,比如顯示設(shè)備、矩陣控制器、矩陣控制鍵盤等,有些復(fù)雜的功能甚至需要專門的PC機(jī)來進(jìn)行配置。采用數(shù)字視頻矩陣方案,只需一臺設(shè)備就可以同時實現(xiàn)視頻矩陣和DVR的功能,大大的節(jié)省了成本。作為視頻矩陣,最重要的一個功能就是實現(xiàn)對輸入視頻圖像的切換輸出。準(zhǔn)確概括是:將視頻圖像從任意一個輸入通道切換到任意一個輸出通道顯示。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。網(wǎng)絡(luò)矩陣系統(tǒng)的發(fā)展方向是多功能、大容量、可聯(lián)網(wǎng)以及可進(jìn)行遠(yuǎn)程切換。一般而言矩陣系統(tǒng)的容量達(dá)到64×16的大容量矩陣。如果需要更大容量的矩陣系統(tǒng),也可以通過多臺矩陣系統(tǒng)級聯(lián)來實現(xiàn)。矩陣容量越大,所需技術(shù)水平越高,設(shè)計實現(xiàn)難度也越大。一個矩陣系統(tǒng)通常還應(yīng)該包括以下基本功能:字符信號疊加、解碼器接口、報警器接口、控制主機(jī),以及音頻控制箱、報警接口箱、控制鍵盤等附件。對國內(nèi)用戶來說,字符疊加應(yīng)為全中文,以方便不懂英文的操作人員使用,矩陣系統(tǒng)還需要支持級聯(lián),來實現(xiàn)更高的容量,為了適應(yīng)不同用戶對矩陣系統(tǒng)容量的要求,矩陣系統(tǒng)應(yīng)該支持模塊化和即插即用的,可以通過增加或減少視頻輸入、輸出卡來實現(xiàn)不同容量的組合。優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)矩陣應(yīng)具備一下功能:(1)具備單機(jī)多路高清晰、多畫面分割顯示輸出功能:高清數(shù)字矩陣具備VGA/DVI/HDMI高0。(2)具備雙碼流調(diào)節(jié),窄帶寬遠(yuǎn)程視頻調(diào)用功能:在帶寬不夠的情況下,可通過遠(yuǎn)程設(shè)置調(diào)節(jié)任意通道連接碼流畫質(zhì),保證前端瀏覽、錄像的質(zhì)量。(3)具備超強(qiáng)數(shù)字解碼能力:支持720P或1080P高清解碼,支持萬能解碼,不受前端編碼設(shè)備限制。(4)具備任意圖像連接,自由群組、輪巡、切換組合功能:支持自定義分組的多路視頻圖像輪巡,輪巡可以在某一個窗口調(diào)用。(5)具備磁盤陣列網(wǎng)絡(luò)存儲功能:具有NVR錄像和回放功能,可實現(xiàn)大容量、長時間的網(wǎng)絡(luò)錄像。(6)具備報警視頻切換、放大功能:報警時報警現(xiàn)場的圖像可強(qiáng)制切換至電視墻的指定窗口,多路同時報警時輪巡顯示,用戶可自定義圖像的顯示模式或切換模式。五、可實現(xiàn)數(shù)字視頻監(jiān)控和顯示圖像數(shù)據(jù)的傳輸和切換數(shù)字矩陣的核心是對數(shù)字視頻的處理,需要在視頻輸入端增加AD轉(zhuǎn)換,將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號,在視頻輸出端增加DA轉(zhuǎn)換,將數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(guān)變成了對數(shù)字視頻的處理和傳輸。根據(jù)數(shù)字視頻矩陣的實現(xiàn)方式不同,數(shù)字視頻矩陣可以分為總線型和包交換型?？偩€型數(shù)字矩陣就是數(shù)據(jù)的傳輸和切換是通過一條共用的總線來實現(xiàn)的,例如PCI總線。對于PC-DVR來說,它的視頻輸出是VGA,通過PC顯卡來完成圖像顯示,通常只有1路輸出,2路輸出的情況已經(jīng)很少;嵌入式DVR一般的視頻輸出是監(jiān)視器,一些新的嵌入式DVR也可以支持VGA顯示。包交換型數(shù)字視頻矩陣是通過IP包交換的方式實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳輸和切換。包交換型矩陣目前已經(jīng)比較普及,比如已經(jīng)廣泛應(yīng)用的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,即在本地錄像端把圖像壓縮,然后把壓縮的碼流通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端,在遠(yuǎn)端解碼后,顯示在大屏幕上。包交換型數(shù)字矩陣目前有兩個比較大的局限性:延時大、圖像質(zhì)量差。由于要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,因此不可避免的會帶來延時,同時為了減少對帶寬的占用,往往都需要在發(fā)送端對圖像進(jìn)行壓縮,然后在接收端實行解壓縮,經(jīng)過有損壓縮過的圖像很難保證較好的圖像質(zhì)量,同時編解碼過程還會增大延時。增強(qiáng)型宏指令集是一系列組合在一起的鍵盤操作,由用戶自行創(chuàng)建,形成一個宏命令,實際上就是一個自定義的按鍵/組合鍵操作,以替代人工進(jìn)行的一系列費時而難以記憶的重復(fù)性鍵盤操作,自動完成所需的任務(wù)。普通宏指令一般包括30條動作,由PC機(jī)設(shè)置軟件編輯定義后下載到鍵盤上運行,可以通過按鍵手動執(zhí)行,命令矩陣順序執(zhí)行不同的動作,用戶只能在每條動作的規(guī)范格式框架內(nèi)編輯,實現(xiàn)設(shè)計者預(yù)定的功能。增強(qiáng)型宏指令集的動作增加到100條以上,雖然也需要用戶設(shè)置編輯,但是可以直接下載到矩陣上運行。相比普通宏指令經(jīng)過鍵盤轉(zhuǎn)發(fā)后再給矩陣執(zhí)行的速度更快、更高效、更實時。增強(qiáng)型宏指令集增加了邏輯條件判斷、循環(huán)執(zhí)行、定時調(diào)用和嵌套調(diào)用。而普通宏指令只能實現(xiàn)簡單的順序執(zhí)行操作,同時還必須通過其他菜單設(shè)置的輔助,增強(qiáng)型宏指令集實際上更是一種簡單靈活的編程語言,用戶根據(jù)實際情況,可以組合成千上萬條的宏操作,定制出更加靈活有效的聯(lián)動策略,從而將人工的操作轉(zhuǎn)化為系