網絡矩陣在dvr監(jiān)控系統中的應用

網絡矩陣在dvr監(jiān)控系統中的應用

一、視頻監(jiān)控系統的階段目前，視頻監(jiān)控技術已進入數字、網絡化和智能領域。視頻監(jiān)控系統從第一代模擬系統(VCR)到第二代部分數字化系統(DVR/NVR),再到第三代完全數字化系統(網絡攝像機,網絡視頻服務器),三個階段的發(fā)展演變預示著全數字化視頻監(jiān)控系統今后將成為安防市場的主角。從技術路線上,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。模擬視頻監(jiān)控系統技術比較成熟,缺點是傳輸距離比較近,適合小范圍部署,不適合遠程傳輸,不能跟門禁等其他安防系統集成形成聯動。第二階段:部分數字視頻監(jiān)控。其特點是DVR的采用。視頻內容以數字方式存儲在DVR上,可實現內容的方便檢索,但在遠程傳輸的時候,通常需要部署光纖和安裝光端機,系統成本比較高。第三階段:網絡視頻監(jiān)控。其特點是結合成熟的視頻編碼和IP網絡技術,采用開放式架構,以較低的成本實現監(jiān)控系統的大規(guī)模部署和靈活擴展。第三代網絡視頻監(jiān)控中研究的熱點之一就是網絡矩陣。目前行業(yè)中大多數“網路矩陣”產品都是基于以太網的“數字矩陣”。與傳統模擬矩陣不同,“網絡矩陣”是以視頻編碼軟件代替模擬矩陣中的視頻輸入模塊,以數字高速處理CPU代替模擬電開關,以網絡矩陣主機代替模擬矩陣主機,以基于TCP/IP協議的IP網代替模擬總線(或模擬視頻總線結合IP控制總線),運用計算機高速處理芯片的運算完成視頻從輸入到輸出的切換設備。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用提出了大量不同的技術改進及解決方案,從M-JPEG、MPEG-2到熱門的MPEG-4、H.264壓縮技術,從軟壓縮到硬壓縮,從視頻路數的不斷增加到系統的網絡功能不斷拓展。DVR產品隨著各種不同的應用環(huán)境,開發(fā)出不同系列的產品?？傮w來說,按系統結構可以分為兩大類:基于PC架構的PC式DVR和脫離PC架構的嵌入式DVR。見圖1。這種架構的DVR以傳統的PC機為基本硬件,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。PC機是一種通用的平臺,PC機的硬件更新換代速度快,因而PC式DVR的產品性能提升較容易,同時軟件修正、升級也比較方便。PC式DVR還可細分如下:(1)工控機PCDVR:工控機PCDVR采用工控機箱,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以及更多的IDE硬盤。當然其價格也是一般的商用PC的兩三倍。它常應用于各種重要場合和需要通道數較多的情況。(2)商用機PCDVR:商用機PCDVR一般也采用工控機箱,用以提高系統的穩(wěn)定可靠性,視音頻路數較少的也有使用普通商用PC機箱的。它采用通用的PC主板,及各種板卡來滿足系統的要求。其價格便宜,對環(huán)境的適應性好。它常應用于各種一般場合,其圖像通道數一般少于24路。(3)服務器PCDVR:服務器PCDVR采用服務器的機箱和主板等,其系統的穩(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,常應用于監(jiān)控通道數量大及監(jiān)控要求非常高的特殊應用部門。2.dvr一體化設備嵌入式DVR基于嵌入式處理器和嵌入式實時操作系統的嵌入式系統,它采用專用芯片對圖像進行壓縮及解壓回放,嵌入式操作系統主要是完成整機的控制及管理。嵌入式DVR采用嵌入式實時多任務操作系統,視頻監(jiān)視、壓縮、存儲、網絡傳輸等功能集中到一個體積較小的設備內,系統的實時性、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構,無需像PCDVR那樣要購買顯卡、內存等設備,硬件成本比PCDVR低。此類產品沒有PCDVR那么多的模塊和多余的軟件功能,在設計制造時對軟、硬件的穩(wěn)定性進行了針對性的規(guī)劃,因此此類產品品質穩(wěn)定,不會有死機的問題產生,而且在視音頻壓縮碼流的儲存速度、分辨率及畫質上都有較大的改善,就功能來說絲毫不比PCDVR遜色。3.錄像和錄像設備(1)單路數字DVR:如同一臺長時間錄像機,只不過使用數字方式錄像,可搭配一般的影像壓縮處理器或分割器等設備使用。(2)多畫面數字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、軟解壓的電腦主機研究數字DVR又分為硬解壓和軟解壓兩大類。硬解壓是指由專門設計的電路和單片機晶片內的底層軟件完成解壓,軟解壓是指用電腦主機和高級語言編制的軟件解壓。三、視音頻壓縮技術DVR核心壓縮技術從最早采用的MJPEG發(fā)展到后來的MPEG-1、MPEG4以及目前的H.264標準,壓縮芯片也逐步從專用的ASIC專用芯片規(guī)整到DSP處理器,市場的需求引領了技術的發(fā)展,技術發(fā)展推動了市場的擴張。以H.264的壓縮標準為例,不同的圖像質量、應用范圍采用不同的壓縮算法等級,壓縮比、圖像質量越高,壓縮算法也就越復雜,對算法優(yōu)化和實現能力的要求也越高,同等圖像質量的帶寬、DVR的存儲成本也就越低。全球半導體市場不斷推出新型高性能DSP芯片,新技術不斷刺激了數字視音頻壓縮技術的發(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合解壓縮三種技術,采用后兩種技術的DVR因為軟件解壓縮比較占用計算機的CPU和內存資源,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,應用領域較廣,對本地監(jiān)控有一定優(yōu)勢。但在網絡遠程監(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絡接入點,還受到廣域網訪問局域網的制約,傳送圖像質量不好,所以上述缺點要想實現真正意義上的遠程監(jiān)控,DVR還很難做到。四、網絡矩陣的功能隨著網絡帶寬、計算機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的出現,視頻監(jiān)控進入了全數字化的網絡時代,即是通常所說的第三代視頻監(jiān)控系統。數字化監(jiān)控以其直觀、方便和內容豐富等特點,日益受到人們的重視和關注。目前,特別是由于數字技術的高速發(fā)展,軟硬件水平的提高,使基于數字技術的視頻矩陣方案能夠得以實現?？梢哉f,數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。按實現視頻切換的不同方式,視頻矩陣分為模擬矩陣和數字矩陣。(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或更復雜的芯片控制模擬開關實現。(2)數字矩陣:網絡數字矩陣接收在前端轉變?yōu)閿底中盘柡蟮囊粢曨l信號,它是通過網絡設置的矩陣系統,通過矩陣軟件訪問所需的多路前端中的任意路網絡視頻前端,這些圖像經網絡至控制室,在電腦上顯示,或經多路音視頻編、解碼后在電視墻上顯示。網絡數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和一臺DVR主機,安裝調試復雜,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備,比如顯示設備、矩陣控制器、矩陣控制鍵盤等,有些復雜的功能甚至需要專門的PC機來進行配置。采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(jié)省了成本。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。網絡矩陣系統的發(fā)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的大容量矩陣。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。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、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。優(yōu)秀的網絡矩陣應具備一下功能:(1)具備單機多路高清晰、多畫面分割顯示輸出功能:高清數字矩陣具備VGA/DVI/HDMI高0。(2)具備雙碼流調節(jié),窄帶寬遠程視頻調用功能:在帶寬不夠的情況下,可通過遠程設置調節(jié)任意通道連接碼流畫質,保證前端瀏覽、錄像的質量。(3)具備超強數字解碼能力: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用。(5)具備磁盤陣列網絡存儲功能:具有NVR錄像和回放功能,可實現大容量、長時間的網絡錄像。(6)具備報警視頻切換、放大功能:報警時報警現場的圖像可強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、可實現數字視頻監(jiān)控和顯示圖像數據的傳輸和切換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?yōu)閿底中盘?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成了對數字視頻的處理和傳輸。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。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。包交換型數字視頻矩陣是通過IP包交換的方式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(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絡發(fā)送到遠端,在遠端解碼后,顯示在大屏幕上。包交換型數字矩陣目前有兩個比較大的局限性:延時大、圖像質量差。由于要通過網絡傳輸,因此不可避免的會帶來延時,同時為了減少對帶寬的占用,往往都需要在發(fā)送端對圖像進行壓縮,然后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。增強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,以替代人工進行的一系列費時而難以記憶的重復性鍵盤操作,自動完成所需的任務。普通宏指令一般包括30條動作,由PC機設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)范格式框架內編輯,實現設計者預定的功能。增強型宏指令集的動作增加到100條以上,雖然也需要用戶設置編輯,但是可以直接下載到矩陣上運行。相比普通宏指令經過鍵盤轉發(fā)后再給矩陣執(zhí)行的速度更快、更高效、更實時。增強型宏指令集增加了邏輯條件判斷、循環(huán)執(zhí)行、定時調用和嵌套調用。而普通宏指令只能實現簡單的順序執(zhí)行操作,同時還必須通過其他菜單設置的輔助,增強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動策略,從而將人工的操作轉化為系