数字视频矩阵

实现对输入视频图像的切换输出

数字视频矩阵在安防领域有十分广泛的应用，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。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。数字视频矩阵包括：嵌入式解码矩阵、DVI矩阵、中控式HDMI矩阵等。

基本功能

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。准确概括就是：将从任意一个输入通道输入的视频图像切换到任意一个视频输出通道。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，即任意的一个输入切换到任意的一个输出。

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；解码器可以控制云台、可变镜头和摄像机；报警器接口；可选的音频同步切换矩阵；控制键盘等。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），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。

按实现视频切换的不同方式，视频矩阵分为模拟视频矩阵和数字视频矩阵。模拟视频的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高档的芯片来控制模拟开关实现。数字视频的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，将数字信号再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，变成了对数字视频的处理和传输。

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。下面以目前安防市场上广泛应用的压缩板卡和硬盘录像机为例，介绍这两种类型的数字视频矩阵。

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。

其中最常见的就是PC－DVR型和嵌入式DVR型。对于PC－DVR型来说，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。PC－DVR型和嵌入式DVR型都可以实现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。

特性

数字矩阵,是针对前端设备全部是网络数字视频流输入，到监控中心输出上电视墙专门制作的一款产品，用于完成输出、切换、存储、转发、远程控制视频等功能。其中数字矩阵产品是比较权威的代表之一，超强的解码能力是网络数字矩阵视频输出的优势，单机相当于16张四路解码卡（128CIF）。主要特性有以下几个方面：

★超大型视频管理平台及超级网络解码能力

单机最大可管理1024路视频，配置专业的GPU，实现单机64路/96 CIF,16路/36路/54路 D1解码能力。超强的解码能力是网络数字矩阵视频输出的基础，单机相当于16张四路解码卡（128CIF）

★4路/6路 VGA/DVI/HDMI 1080高清显示输出

四屏/六屏输出网络VGA数字矩阵，各屏输出1/2/9/16画面，可实现单机 CIF 96入96出，D1 54入54出。满足新的“全面覆盖，重点监控”，1:1显示输出的行业主流需求

★多厂家设备兼容，无缝接入

兼容其他厂家硬盘录像机，视频服务器，网络摄像机的网络视音频流

★多机联网全交叉矩阵切换功能

采用标准的TCP/IP输入及输出，1000M网口，通过普通1000M交换机进行多机联网全交叉矩阵切换，实现256入256出（16屏），512入512出（32屏），1024入1024出（64屏）等超大型联网监控系统

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：延时长、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。

典型视频

目前，矩阵市场上已经出现了带有多路视频输出和解码功能的矩阵卡，这种矩阵卡在原有的硬件解码卡的基础之上，同时实现了一卡多路的视频输出。由于采用了全新的高性能DSP，并配合目前已经得到普遍应用的2.2版本PCI总线，我们已经可以利用现有的硬件平台组建一个小型的数字视频矩阵系统。那么，下面就介绍一下实现数字视频矩阵的两个典型方案：

用矩阵卡和DVR板卡组建视频矩阵、实时录像系统

在该系统中，由音视频压缩卡完成图像压缩功能，与PC机构成DVR系统，这和目前市场上主流的PC－DVR完全相同。此外，在系统中增加矩阵卡，并由音视频压缩卡把数字视频数据通过PCI总线发送到矩阵卡，由矩阵卡实现视频的输出，这就构成了一个小型的数字视频矩阵。

用矩阵卡组建网络矩阵

在该方案里，通过网络监控中心主机来调度多块解码卡，将从网络远端接收的图像数据切换到各个解码卡进行解码，最后由解码卡实现视频输出。

优势分析

以某数字矩阵产品为例：数字视频矩阵的优势只要有以下几个方面：

成本优势

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，大大地节省了成本。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，稳定性强，也降低了以后维护的成本。

功能优势

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，易操九鼎高级综合存储型数字矩阵（12盘位）

作性很差，且功能单一，如果要实现比较复杂的功能，需要繁琐的操作流程；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，就显得力不从心。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，有的模拟矩阵通常只能实现ASCII码也就是英文字符的叠加，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。

最后是系统稳定性，采用九鼎数字矩阵+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，则出故障的概率就会大大增加。

潜力

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，都没有发生质的变化，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在不断的提出；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，数字矩阵的功能也将不断的提升。

与此同时，软件的进步同样不可忽略，不断有新的图像压缩、处理算法提出，图像压缩效率不断提高，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）。这些更高层次的图像处理技术，利用目前的硬件平台，已经可以应用到我们的数字视频系统中。因此随着软、硬件水平的飞速提高，我们有理由相信，数字矩阵的发展空间将会非常宽广，无论是在性能上还是在功能上必然会全面超过模拟矩阵。数字视频矩阵分类

分类

以某数字矩阵产品为例：数字矩阵主要有以下几种分类：

未来发展

联网矩阵发展方向

数字矩阵源于网络，并与网络有着密不可分的关系，网络的重要特征在于它的分布式计算能力。那么其功能不应受制于类似于模拟矩阵或硬盘录像一样单台机箱的约束，而是应充分的借用它在网络方面的先天优势，方便地进行分布式计算。

多机无缝级联是九鼎数字矩阵网络监控系统的一项基本功能，因为多机全交叉切换则是网络矩阵赖以生存的重要职能。如果说实时流媒体是数字矩阵的软芯片，那么网络交换机就是它的硬芯片。很多人能够理解非常复杂的模拟系统的接线结构，或许也是电脑方面的专家，但对于家喻户晓的普通网络交换机，却不知道它在这样大型的监控系统里起着不可估量的作用。

通过实时流媒体及网络交换机，进行多机联网全交叉矩阵切换，则可轻松实现256入256出(16屏)、512入512出(32屏)等超大型联网监控系统。

网络负载发展方向

在大型的网络监控系统中，核心骨干网的负载能力是一个最重要的指标。越是大型的系统，每兆字节的传输成本越高。一个512路以上的网络监控系统，相当于一个上千户宽带用户的网络资源需求。在实时性方面的要求，比以文本传输或可间断非实文件流为主的民用宽带要求要高得多，所以在网络负载平衡方面需做出九鼎拼接网络VGA数字矩阵。

非常专业的考虑。然而因为IP监控的刚刚兴起，甲方或工程商缺少专业的网络建设方面的知识与经验。相关的厂家虽然技术员的水平相对要高一些，但往往不会从产品的角度做出比较负责任的考虑与设计，反而会出于商业的目的设计一些比较独立的仅具有商业目的的产品，比如网络存储服务器。

在这样大的网络监控系统中，要最大可能的对独立的子系统或分区进行物理切割，比如分区的前端DVR/DVS/IPC与后端访问网络相隔离。而像网络矩阵本身不能产生附加带宽的同时，需要起到这个分区或切割的职能，比如采用双1000M网口设计，一个网口用来输入某一区域前端设备网络过来的视频，另一个网口再进入主干网，自身完成了解码、存储功能，从而通过流媒体的转发，巧妙地实现了网关的职能。这样，就把整个网络的压力降到了最低，那么网络风暴产生的机会就大大降低了。

网络存储发展方向

最近几年，海量存储技术一直在快速地进步。从07年初的160G，快速跳过 250G、320G、500G、750G，并逐渐进化到1000G、1500G，及目前最高的2000G硬盘。前2000G硬盘在价格上与三年前的160G硬盘是持平的。也就意味着目前通过一台2U机箱的9个2000G硬盘，相当于三年前112个以上160G硬盘位超大型存储阵列，这差不多是一个省级数据中心的存储量。

这样的技术进步是众人皆知的，因为它直接影响到普通PC市场的变化。显然，数字监控的重要的本地录像功能自然也会受它的影响。随着犯罪水平的不断提高，作案的时候连同监控设备一起搬走或是一起破坏的事件屡屡发生，集中存储或是集中存储与本地存储相结合的需求日趋强烈。伴随着海量存储技术的不断进步，海量存储的成本不断降低，这种需求自然而然的成为了IP监控的必备功能。

当网络集中存储的需求产品化后，即出现了专门的独立存储服务器。这个产品虽然解决了存储的问题，但却加重了核心骨干网上的压力。比如512路视频进入骨干网后，按512K来算，即产生了256M的实际网络带宽。如果这个256M的带宽，经流媒体服务器，再转存储服务器，然后输出到解码服务器，有一部分通过分控访问，就会产生超过1000M实际码流的网络风暴。

数字矩阵采用流媒体、存储、解码输出一体化设计，即网络视频一经输入到某台矩阵，则少有机会再需转发出来。这样的方案不仅可以最大程度降低网络风暴的风险，更重要的是通过本机的本地内存复制等机制，使网络传输的延时降到最低，从而使图像的实时性、连惯性等方面得到非常大的提升，这就从根本上解决了这一系列问题。

综上所述，新一代数字矩阵如果能完全满足上述要求，不断丰富IP监控的功能特点，使数字矩阵赋予新的职能，才能发挥IP监控的原动力作用，把IP监控推向新的发展高峰。

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