文/羅成

高清視頻矩陣的發(fā)展與分類

文/羅成

視頻矩陣的發(fā)展歷程

視頻矩陣經(jīng)過近三十年的發(fā)展，經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段。首先是單機(jī)模擬時代，單機(jī)模擬矩陣分為輸入、輸出和控制三組模塊，通過電開關(guān)實現(xiàn)視頻從輸入通道到輸出通道切換。矩陣應(yīng)用相對簡單，只是作為獨立系統(tǒng)的核心管理控制設(shè)備使用，但是其可擴(kuò)充的積木式模塊化結(jié)構(gòu)、支持任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方式以及提供增值開發(fā)的友好界面都給視頻監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展提供了保障。到上世紀(jì)后期，隨著人們對監(jiān)控系統(tǒng)要求的提高以及視頻監(jiān)控在諸多領(lǐng)域的進(jìn)一步普及，模擬矩陣有了飛速發(fā)展并基本完善，矩陣進(jìn)入了模擬聯(lián)網(wǎng)時代。模擬矩陣的工作原理沒有改變，但是在容量、聯(lián)網(wǎng)性以及功能的擴(kuò)展上有了很大提高。

2000年后隨著數(shù)字視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化產(chǎn)品逐漸大量進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)虛擬矩陣的全數(shù)字化矩陣的出現(xiàn)。以視頻壓縮模塊代替模擬矩陣中的視頻輸入模塊，以視頻解壓縮模塊代替模擬矩陣中的視頻輸出模塊，以網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器代替模擬矩陣主機(jī)，以基于TCP/IP協(xié)議的IP網(wǎng)代替模擬總線，以數(shù)字高速處理芯片代替模擬電開關(guān)，運用高速處理芯片的運算完成視頻從輸入到輸出的切換，大量用于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中。

近幾年高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，形成了720P、1080P為主的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)產(chǎn)品線，而這類產(chǎn)品對網(wǎng)絡(luò)矩陣的切換提出了更高的要求，如高清數(shù)字解碼能力，高清解碼HDMI輸出接口能力，多畫面分割切換能力及其他拓展功能等等。從2010年開始，隨著諸多廠商加大對HD-SDI研發(fā)、宣傳、推廣力度，HD-SDI憑借著高清化、無延遲、同模擬監(jiān)控系統(tǒng)一樣的布線方式等眾多優(yōu)勢逐漸為市場廣大工程商、用戶所熟知，而HD-SDI高清數(shù)字矩陣作為HD-SDI高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心也進(jìn)入了大眾視野。

高清視頻矩陣應(yīng)運而生

視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的不同時期，其視頻清晰度也隨著技術(shù)的日益成熟不斷提高。模擬攝像機(jī)的水平分辨率從380線發(fā)展到700線，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)像素從25萬發(fā)展到500萬。在網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(IP Camera)則一般認(rèn)為720P以上即可稱為高清攝像機(jī)，而HD-SDI技術(shù)應(yīng)用于視頻監(jiān)控領(lǐng)域，使得HD-SDI數(shù)字化攝像機(jī)與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)一樣具有720P、1080P的高清晰度。高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)在高清視頻監(jiān)控領(lǐng)域正扮演著越來越重要的角色。而作為數(shù)字高清監(jiān)控系統(tǒng)控制的核心矩陣也是眾多廠家研發(fā)制造的首選。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)字矩陣在接口上拋棄了大量的模擬視頻輸入線纜，在核心技術(shù)上改用以太網(wǎng)包交換來代替模擬電路交換，所以在容量上，易用性，可擴(kuò)展性上都有了質(zhì)的提高。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻矩陣支持多種輸入信號，如D1、720P、1080P等，并兼容市面主流廠家的編碼設(shè)備、各類網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品。HD-SDI矩陣使用高帶寬工業(yè)總線作為交換總線，具備熱拔插擴(kuò)展能力；總線帶寬是HD-SDI矩陣系統(tǒng)容量的唯一限制因素。普通工業(yè)總線PCIE、RapidIO等常見交換能力都達(dá)到40Gbps以上，可見HD-SDI矩陣系統(tǒng)容量幾乎是沒有上限的。接入時只需將所接入的信號轉(zhuǎn)成系統(tǒng)可識別的交換信號，就可認(rèn)為系統(tǒng)是可以接入任何信號的，也可以任意級聯(lián)。HD-SDI視頻信號在多次傳輸和處理過程中，圖像質(zhì)量并不會因此而降低。筆者將從下面簡單介紹兩中高清矩陣系統(tǒng)的優(yōu)勢。

HD-SDI高清視頻矩陣

隨著HD-SDI的概念引入到視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，部分廠商陸續(xù)推出HD-SDI攝像機(jī)產(chǎn)品，這猶如給矩陣市場帶來了一劑強(qiáng)心針。從2010年開始，隨著許多廠商加大對HD-SDI研發(fā)、宣傳、推廣力度，HD-SDI憑借著高清化的趨勢逐漸為市場廣大工程商、用戶所熟知。筆者從以下幾方面來探討HD-SDI視頻矩陣的技術(shù)功能特點。

首先，HD-SDI矩陣系統(tǒng)均采用工業(yè)級ARM嵌入式控制系統(tǒng)，HD-SDI 串行數(shù)字信號碼率支持到1.5Gbps，符合SMPTE和ITU標(biāo)準(zhǔn)，支持高清1.5Gbps碼率下，HD-TV 1080P/25Hz、1080P/30Hz視頻信號切換，并且向下兼容標(biāo)清信號143Mbps、177Mbps、270Mbps、360Mbps、540Mbps 等不同碼率的標(biāo)清SDI串行數(shù)字視頻信號，和 DVB-ASI 信號的傳輸切換。單機(jī)的輸入輸出能力，目前主流廠商的產(chǎn)品做得128×128的切換模式，并能實現(xiàn)多級級聯(lián)控制。

其次，接口方面，HD-SDI矩陣輸出支持SDI/DVI/HDMI多種高清接口混合輸出，便于SDI 高清視頻連接光端機(jī)傳輸，DVI/HDMI高清視頻連接大屏幕電視墻顯示等。輸入支持HDSDI模擬復(fù)合視頻接入(BNC接口形式)。HDSDI矩陣具有自動對輸入信號串行數(shù)字信號進(jìn)行線纜均衡，有效的解決了數(shù)字視頻信號的傳輸問題。對于輸出串行數(shù)字信號進(jìn)行時鐘恢復(fù)處理，延長信號的傳輸距離，減少傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失，并且保證圖像高品質(zhì)的信號質(zhì)量。HD-SDI矩陣支持外同步信號輸入，實現(xiàn)場逆程切換，可以保持切換瞬間畫面盡最大可能保持完整，切換時間更加快速。HD-SDI視頻矩陣在抗干擾方面加入了多層電路板保證信號極強(qiáng)的抗干擾性能，提供了信號通道間極佳的隔離度和極低的電磁輻射，保證了信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。HD-SDI數(shù)字高清矩陣系統(tǒng)還配備了自動存儲信號切換狀態(tài)，當(dāng)矩陣在運行過程中突然斷電后重啟，矩陣對應(yīng)的每路輸入輸出狀態(tài)將保持記憶，與斷電前相同，沒有任何變化，不需要重新設(shè)置。

在接口方面設(shè)置了RS-232、RS-422、RS485等多中通信接口,方便與不同通信格式的控制設(shè)備連接。HD-SDI數(shù)字高清矩陣支持網(wǎng)絡(luò)TCP/IP 控制，支持WEB控制和客戶端軟件遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，多數(shù)廠家還提供SDK二次開發(fā)接口，接受第三方軟件管理和控制。HD-SDI高清矩陣一般均支持三級以上矩陣數(shù)字級聯(lián)及聯(lián)動控制。HD-SDI數(shù)字高清矩陣多數(shù)廠家開發(fā)了中文圖形化界面操作控制軟件，適用于Windows/XP/Vista操作系統(tǒng)，矩陣控制界面能同時顯示所有輸入輸出的對應(yīng)狀態(tài)；可直接點擊切換；可對每路輸入輸出進(jìn)行中文定義；可對任何路數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，支持上百種以上的切換模式，支持狀態(tài)保存和智能切換、輪詢切換，支持網(wǎng)絡(luò)IP遠(yuǎn)程控制切換；可直接在軟件上進(jìn)行分層切換；軟件連接成功自動讀取矩陣設(shè)置，切換狀態(tài)跟隨其它控制設(shè)備實時變化。

網(wǎng)絡(luò)高清視頻矩陣

隨著高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的推廣普及，實際應(yīng)用對于視頻監(jiān)控質(zhì)量要求也不斷提高,對圖像要求更加清晰、準(zhǔn)確。原有的模擬攝像機(jī)逐漸被數(shù)字?jǐn)z像機(jī)所取代，監(jiān)控高清標(biāo)準(zhǔn)也從掃描線升華成分辨率。高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)720P、1080P技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而作為網(wǎng)絡(luò)解碼輸出HDMI的高清數(shù)字矩陣在眾多項目中得到應(yīng)用。筆者從以下幾點進(jìn)行分析高清網(wǎng)絡(luò)矩陣功能特點：

首先，筆者認(rèn)為是高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字矩陣最重要的是單機(jī)的處理能力?？梢越尤氲母咔寰W(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的路數(shù)是否有限制，同時最大支持的解碼能力，如目前市面上的網(wǎng)絡(luò)高清視頻矩陣支持同時24路高清解碼，36路高清解碼等。單機(jī)輸出接口多少及畫面分割功能，市面上的高清數(shù)字矩陣一般能實現(xiàn)單屏、三屏、四屏、六屏、八屏的高清HDMI接口輸出能力，不同解碼能力的矩陣實現(xiàn)單屏1、4、9畫面分割顯示，可實現(xiàn)48入24出或32入16出電視墻輪巡切換顯示，每畫面均支持720P、1080P的高清顯示。不同的處理能力所應(yīng)用的領(lǐng)域和要求也有所不同。

其次，高清網(wǎng)絡(luò)矩陣對編碼設(shè)備的兼容性已經(jīng)拓展功能，大多數(shù)廠家的網(wǎng)絡(luò)高清數(shù)字矩陣均不同程度的兼容國內(nèi)主流廠家百萬像素網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，高清網(wǎng)絡(luò)編碼器等設(shè)備。一些廠家還做了部分拓展功能，如在網(wǎng)絡(luò)高清視頻矩陣的基礎(chǔ)上實現(xiàn)單機(jī)視頻集中錄像存儲主，解碼切換輸出流媒體一對多轉(zhuǎn)發(fā)拼接控制等電視墻集中控制功能，這一功能使得高清管理配置更加簡單靈活，特別對于中小系統(tǒng)更加便捷。高清網(wǎng)絡(luò)矩陣單機(jī)存儲一般都具有RAID陣列功能，存儲管理方式如按盤輪巡，按盤符格式化，重疊前后文件接口等先進(jìn)的策略。在高清網(wǎng)絡(luò)矩陣的接口方面采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP輸入及輸出，多數(shù)廠家采用一個或雙1000M/10G網(wǎng)口，通過普通1000M交換機(jī)進(jìn)行多機(jī)聯(lián)網(wǎng)全交叉矩陣切換，實現(xiàn)多屏組合等超大型聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)切換控制功能，不僅可實現(xiàn)所有高清視頻的同時輸出，而且可進(jìn)行靈活的矩陣切換控制。通過IP進(jìn)行多級高清網(wǎng)絡(luò)矩陣聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)異地遠(yuǎn)程高清矩陣級聯(lián)控制，遠(yuǎn)程切換等基于IP網(wǎng)絡(luò)的功能。

結(jié)束語

隨著十二安防行業(yè)的規(guī)劃發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也逐漸由模擬轉(zhuǎn)入了數(shù)字高清時代，數(shù)字高清攝像機(jī)的應(yīng)用范圍將越來越廣，數(shù)字高清矩陣在高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的地位將進(jìn)一步凸顯。筆者相信通過各大媒體、廠商的大力宣傳，工程商和用戶方對數(shù)字高清矩陣將越來越親睞，勢必會應(yīng)用到社會安全的各行各業(yè)。

作者單位：恒業(yè)智能安防（深圳）有限公司