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數字視頻矩陣

安防全新概念－數字視頻矩陣

摘要：本文介紹了視頻矩陣的基本概念和分類，對數字視頻矩陣相對於模擬視頻矩陣的優勢做了重點分析了，並詳細描述了基於DS4002MD矩陣解碼卡的數字視頻矩陣解碼方案。

關鍵字：視頻矩陣數字視頻矩陣 DVR DS4002MD矩陣解碼卡

隨著數字技術的高速發展，軟硬件水平的提高，不斷有高性能的DSP和高速的總線得到應用，使基於數字技術的視頻矩陣方案能夠得以實現。海康威視近期將在板卡產品線上推出一款新的型號：DS4002MD，即矩陣解碼卡，並基於這款產品，海康威視提出數字視頻矩陣的解決方案。同時，我們海康威視認為，數字視頻矩陣將是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。

一、視頻矩陣的基本概念

1．視頻矩陣的基本功能和要求

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。準確概括那就是：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。這裡需要強調的是必須要做到任意，即任意的一個輸入和任意的一個輸出。

另外，一個矩陣系統通常還應該包括以下基本功能：字符信號疊加；解碼器接口以控制雲臺和攝像機；報警器接口；控制主機，以及音頻控制箱、報警接口箱、控制鍵盤等附件。對國內用戶來說，字符疊加應為全中文，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塊化和即插即用（PnP）的，可以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，也可以通過多臺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。

2．視頻矩陣的分類

按實現視頻切換的不同方式，視頻矩陣分為模擬矩陣和數字矩陣。

模擬矩陣：

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復雜的芯片控制模擬開關實現。

數字矩陣

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，將模擬信號變為數字信號，在視頻輸出端增加DA轉換，將數字信號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，變將成了對數字視頻的處理和傳輸。

二、數字視頻矩陣簡介

1．數字視頻矩陣的分類

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總線型和包交換型。

總線型數字視頻矩陣

顧名思義，總線型數字矩陣就是數據的傳輸和切換是通過一條共用的總線來實現的，例如PCI總線。

總線型矩陣中最常見的就是PC－DVR和嵌入式DVR。對於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（1塊顯卡），2路輸出的情況（2塊顯卡）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。在上面的兩個例子中，它們都可以實現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。

PC－DVR（PC＋H卡、HC卡）構成的總線型數字矩陣

包交換型數字視頻矩陣

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，比如已經廣泛應用的遠程監控中心，即在本地錄像端把圖像壓縮，然後把壓縮的碼流通過網絡（可以是高速的專網、internet、局域網等）發送到遠端，在遠端解碼後，顯示在大屏幕上。包交換型數字矩陣目前有兩個比較大的侷限性：延時大、圖像質量差。由於要通過網絡傳輸，因此不可避免的會帶來延時，同時為了減少對帶寬的佔用，往往都需要在發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。

包交換型數字矩陣

三、數字視頻矩陣優勢分析

成本優勢：視頻矩陣和DVR合二為一

採用數字視頻矩陣方案，只需一臺設備就可以同時實現視頻矩陣和DVR的功能，大大的節省了成本。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，至少需要一臺矩陣主機和一臺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、複用設備來實現DVR的錄像功能，而採用數字矩陣，則只需在DVR的基礎之上，增加簡單的矩陣模塊即可，成本相對低廉，且數字矩陣、錄像系統的集成度高，穩定性增強，也降低了以後維護的成本。

功能優勢：配置靈活，功能強大，簡單易用

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，易操作性很差，且功能單一，如果要實現比較複雜的功能，需要很繁瑣的操作流程；而採用數字矩陣，通過一個控制平臺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序，定製各種功能，所構建的系統，完全取決於開發商自己的軟件。

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，比如疊加字符、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，則顯得力不從心。這裡以字符疊加功能為例，模擬矩陣往往需要外接字符疊加芯片來實現，通常只能實現ASCII碼也就是英文字符的疊加，而能夠實現漢字疊加的模擬則可以說是寥寥無幾，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。

數字矩陣可以提供更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窗口顯示)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，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，由於需要多臺設備，出問題的概率則大大增加。

潛力：發展空間巨大

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，都沒有發生大的變化，可挖掘的潛力已經十分有限。

而數字矩陣則完全不同，目前數字技術的發展可以用日新月異、前途廣闊來形容。首先，隨著硬件性能的提高，在高速總線方面：66M的PCI總線已經很成熟和普及，比如PCI－E或其它的高速串行總線也不斷的提出；在芯片技術上：已經出現了600M、720M甚至是1GHz的高性能DSP，可以說，得益於硬件平臺性能的不斷提高，必然使數字矩陣的功能不斷的提升，不斷的向高端發展。與此同時，軟件的進步同樣不可忽略，不斷有新圖像的壓縮、處理算法提出，圖像壓縮的效率不斷提高，也不斷有更復雜、更智能的圖像處理算法得到應用，比如智能的移動檢測、智能識別技術（人臉識別，指紋識別、車牌識別、簽名識別）目前都已經有了比較成熟的應用，這些更高層次的圖像處理技術，利用目前硬件平臺，已經可以應用到我們的數字視頻系統中。因此隨著軟、硬件水平的的飛速提高，我們有理由相信，數字矩陣的發展空間會非常廣，無論是在性能上還是在功能上必然會全面超過模擬矩陣。

二次開發簡單、便捷

和以前的H卡和D卡分別使用各自的SDK不同，新的SDK將同時支持H卡、HC卡和MD卡。只需通過一個SDK即可以同時實現編碼、解碼、和矩陣控制，新的SDK中編碼、解碼部分和原有SDK中的編碼、解碼部分兼容，用戶只需增加矩陣控制部分即可，極大的降低了用戶進行二次開發的複雜性。同時：H卡、HC卡和MD卡可以混插，便於對現有的工程進行維護和擴展。

四、海康威視的數字視頻矩陣解決方案

我們的數字視頻矩陣解決方案是基於海康威視已經推出的HC系列壓縮卡和即將發佈的MD系列矩陣解碼卡來實現的。HC卡負責系統的錄像、預覽、網絡傳輸功能，這部分的應用已經十分成熟。而MD卡是實現視頻矩陣的關鍵，MD卡在實現原有解碼卡的全部功能外，增加了矩陣輸出，實現了視頻矩陣功能；同時MD卡也可以獨立於HC卡，只做硬件解碼卡使用，通過網絡連接到遠端的視頻服務器，即可以是海康威視的板卡也可以是嵌入式設備，構成網絡視頻矩陣，這一點和原有解碼卡相同，但新的MD卡在功能上和D卡比較，會有很大的擴充，比如，解碼路數大大提高，原有D卡1個DSP只能解1路，現在則至少可以解4路。同時具備多窗口畫面分割功能，用戶可以對解碼圖像做任意組合輸出。新增加的同步功能，可以在各路解碼器之間實現同步。

1．DS4002MD卡主要參數

操作系統支持Windows2000/XP,及Linux。

作為矩陣使用：

每塊卡支持2路矩陣輸出，可穩定支持4路。

配合HC卡使用，可實現64×4的視頻矩陣，同時保證64路實時壓縮。

作為解碼使用：

解碼功能和原有解碼卡完全兼容。

每塊卡支持4路解碼（實時解碼4路CIF、4路2CIF或2路4CIF），2路模擬輸出，最高可支持64路解碼，32路模擬輸出。

2．DS4002MD典型方案

⑴組建本地視頻矩陣、實時錄像系統

在該系統中，由HC卡構成64路DVR系統，這和目前的板卡方案完全相同，另外增加了2塊MD卡完成4路模擬輸出，實現視頻矩陣功能。