數(shù)字視頻矩陣的應用

數(shù)字視頻矩陣的應用

1數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成是模擬矩陣視頻矩陣是入侵系統(tǒng)的主要控制設備。它不僅決定了電視監(jiān)控系統(tǒng)的控制和應用，還決定了入侵系統(tǒng)的統(tǒng)一操作平臺。并通過其網絡連接實現(xiàn)對安全系統(tǒng)的遠程管理。矩陣最重要的一個功能是實現(xiàn)對輸入視頻圖像的切換輸出,具體概括為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。其它功能還包括字符信號疊加、云臺控制、報警聯(lián)動等。經典的模擬矩陣是建立在總線式結構上的矩陣系統(tǒng),其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(xiàn)。模擬矩陣具有技術成熟、相關產品的配套性好、有最佳的圖像觀察效果、系統(tǒng)造價較低等特點,但由于視頻矩陣是設備系統(tǒng)的中心,也是系統(tǒng)可靠性的要點,出現(xiàn)故障會導致全系統(tǒng)失效,而且其可擴展性也不理想。2數(shù)字視頻矩陣2.1頻的處理和傳輸隨著電視技術數(shù)字化的發(fā)展,視頻矩陣逐漸進入數(shù)字化的網絡時代。矩陣的視頻切換在數(shù)字視頻層完成,這個過程可以是同步的也可以是異步的。數(shù)字視頻矩陣的核心部分由模擬矩陣的模擬開關,變成了對數(shù)字視頻的處理和傳輸。目前數(shù)字視頻矩陣有兩種形式:總線型和包交換型?？偩€型數(shù)字視頻矩陣的數(shù)據(jù)傳輸和切換是通過一條共用的總線來實現(xiàn)的,其按照模擬視頻矩陣的概念,對輸入的數(shù)字視頻信號(數(shù)據(jù)流)建立通道式的連接,最常見的就是PC-DVR和嵌入式DVR。包交換型是在LAN的環(huán)境下,利用視頻編碼器、IP攝像機等使圖像源數(shù)字化,再通過包交換的方式(通常是IP包),通過網絡交換機實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳輸和切換。如已經廣泛應用的遠程網絡監(jiān)控,是在前端將圖像壓縮,再將壓縮的碼流通過網絡(可以是高速的專網、Internet、局域網等)發(fā)送到遠端,在遠端解碼后,顯示在屏幕上。2.2基于數(shù)字化的矩陣編程與模擬矩陣相比,數(shù)字視頻矩陣具有以下特點:(1)提高了控制能力:在模擬矩陣+DVR方案中,矩陣和DVR各自為政,需要分別控制,且模擬矩陣提供的編程方式不直觀、操作培訓復雜,而采用數(shù)字化的矩陣,通過可視性強的人機交互界面,即可實現(xiàn)對矩陣和DVR的編程控制,操作簡單。(2)圖像處理能力強:數(shù)字視頻矩陣在對圖像的數(shù)字處理方面如疊加字符、疊加圖像、區(qū)域遮蓋等方面具有明顯的優(yōu)勢。(3)圖像傳輸、存儲優(yōu)勢:數(shù)字視頻矩陣取消了視頻錄像帶,其視頻圖像記錄在視頻服務器的硬盤上,提高了存儲圖像的清晰度。數(shù)字視頻的圖像信息在多次傳輸、記錄和處理過程中,不再降低圖像質量,同時能實現(xiàn)分布式異地存貯和本地存貯、控制。圖像檢索方便,可進行數(shù)字加密,保密性強。(4)系統(tǒng)可擴展性好:便于與網絡連接實現(xiàn)遠程管理,可擴展性及升級性好。3數(shù)字視頻矩陣系統(tǒng)二次開發(fā)應用盡管數(shù)字視頻矩陣系統(tǒng)較模擬矩陣有明顯的優(yōu)勢,且目前已得到了廣泛應用,但由于成套的產品在功能、性能上或多或少地存在缺陷,因此在承接某博物館項目安防系統(tǒng)的建設中,我們對數(shù)字視頻矩陣系統(tǒng)軟件進行了重新規(guī)劃設計,合理地選配硬件設備,改善了圖像質量,增加了使用功能,并為系統(tǒng)集成提供了可擴展的管理接口和良好的操作界面。3.1視頻圖像存儲及顯示系統(tǒng)本項目的安防系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等,要求視頻監(jiān)控系統(tǒng)用軟件實現(xiàn)對基于網絡傳輸?shù)囊曨l圖像進行存儲、顯示,優(yōu)先考慮對每路視頻圖像進行640×480、25幀/秒的存儲要求,并建立以視頻監(jiān)控系統(tǒng)為核心,報警系統(tǒng)為事件標記的集成應用系統(tǒng)。由于項目中使用的硬件設備,廠家都有各自的軟件系統(tǒng)進行配套使用,但相互之間的接口不統(tǒng)一,不滿足建立一個集中管理的智能化監(jiān)控中心的需求,需要對視頻監(jiān)控軟件進行重新規(guī)劃設計,并為集成提供可擴展的管理接口和良好的操作界面。3.2系統(tǒng)網絡結構圖3.3視頻監(jiān)控系統(tǒng)◆圖像存儲模塊:支持M-JPEG、MPEG4壓縮格式,能兼容網絡攝像機和視頻服務器。以每臺服務器支持16路攝像機為前提,實現(xiàn):動態(tài)偵測、錄像、檢索、本地回放、直觀顯示各視頻監(jiān)控點的工作狀況,提供外部接口,能與監(jiān)控中心工作站配合,支持遠程啟動錄像指令和遠程錄像回放,并能實現(xiàn)與從文報警、CSS門禁聯(lián)動,與報警事件為標識,對視頻信息進行記錄和檢索回放等?！魣D像解碼模塊:支持M-JPEG、MPEG4壓縮格式,能兼容網絡攝像機和視頻服務器。要求實現(xiàn):顯示隊列管理和個性設置,將視頻信息按即定的隊列和時間間隔進行單畫面全屏輪巡顯示?！魣缶赡K:能接收報警管理軟件和門禁管理軟件的觸發(fā)信號,確保防區(qū)報警信息轉換為統(tǒng)一格式,并傳遞到監(jiān)控中心工作站,為報警聯(lián)動提供信息依據(jù)?！舯O(jiān)控中心模塊:是系統(tǒng)的管理中心,由服務器和客戶端兩部分組成,主要對監(jiān)控中心進行綜合管理和控制,可依據(jù)實際需要安裝多個客戶端,便于業(yè)務需求的不斷拓展。服務器端包括:設備列表、事件策略定義、權限管理、WebServer等;客戶端包括:除了包括系統(tǒng)配置,攝像機管理、視頻存儲管理、視頻解碼管理、報警配置、電子地圖等管理操作界面外,客戶端還可以對指定攝像機進行手動截圖和手動錄像,可以控制云臺轉動和鏡頭變焦、對焦、光圈調節(jié),還可以編輯和調用預置位,遠程啟動錄像和虛擬矩陣操作等功能。3.4優(yōu)化硬件配置(1)解碼性能測試網絡攝像機和視頻服務器對視頻信息進行MPEG4編碼后,每路視頻的碼流大約為2Mbps。從網絡傳輸?shù)慕嵌葋砜?圖像存儲模塊要實現(xiàn)16路攝像機的動態(tài)偵測及錄像,100M的鏈路顯的有些不足,因此圖像存儲服務器采用1000M網卡。要在圖像存儲服務器上直觀顯示各視頻監(jiān)控點的工作狀況,最好的方式是采用16畫面分割顯示現(xiàn)場情況,但要實現(xiàn)25幀/秒的幀率,對服務器的性能要求很高。圖像存儲服務器每秒收到的幀數(shù)為25×16=400幀,約320×240×400=30720000像素。為了反映不同配置的計算機在解碼方面的運算處理能力,我們對不同配置的服務器進行了解碼環(huán)節(jié)的應用測試,部分測試數(shù)據(jù)見表1。由于每個線程的啟動無法保證完全同步,可能造成了4線程有個別線程消耗時間很短。通過這些數(shù)據(jù),表明解碼速度主要與CPU主頻率和前端總線有關。多線程就受到多核、多CPU、HT等相關技術影響。此數(shù)據(jù)是CPU全力解碼的情況。每路攝像機的網絡傳輸、硬盤存儲等對CPU的消耗約3%,考慮這些消耗,CPU能支持的攝像機路數(shù)會有下降。筆者認為顯卡的帶寬和芯片對顯示質量起主要影響作用。實際的顯示效果用感官進行對比表明:至強CPU的解碼能力較強,但顯示方面較弱;PC的解碼能力一般,但顯示方面表現(xiàn)良好。主要的原因在于服務器主板通常是板載顯卡或只支持PCI的顯卡,不支持AGP顯卡,導致顯示帶寬出現(xiàn)瓶頸,影響顯示效果。因此實際應用中將解碼存儲和顯示還原的工作在不同的設備上分別完成。從數(shù)據(jù)分析來看,單路至強CPU和雙路至強CPU的服務器,在解碼的實際性能僅相差25%左右,選擇單路至強CPU的服務器,1G的內存,合理的硬盤空間,可使圖像存儲服務器達到較佳的性價比。這種測試結果,與所采用的主板芯片有關。測試中采用的是入門級的Inter7320雙CPU主板,雙CPU共享前端的800M總線帶寬,在大運算量的情況下可能會出現(xiàn)瓶頸。如果采用Inter7520的雙CPU主板,在大運算量的情況下,雙至強CPU的性能才可能得到充分的發(fā)揮,測試結果才可能真實反映出單路至強CPU和雙路至強CPU的區(qū)別。為降低實際應用對硬件產生的要求,軟件在圖像存儲模塊上進行了優(yōu)化,具體做法是:將收到的視頻全數(shù)存儲,確保每路錄像的畫面質量和連貫性能達到640×480、25幀/秒的效果;抽取部分關鍵幀進行解碼,以實現(xiàn)監(jiān)控畫面的動態(tài)偵測;最后,按當前CPU允許的性能,平均分配給負責顯示的線程,確保16畫面的顯示幀率相對均衡,準確反映各視頻監(jiān)控的工作狀況。(2)畫面解碼模塊配置圖像解碼模塊是將顯示隊列的視頻圖像以單畫面全屏方式進行顯示,除了顯示當前畫面,還需要將下一個畫面進行預連接和解碼。由上述的測試數(shù)據(jù)可知,對硬件設備的要求不高。1G的CPU,256M的內存即可,由于沒有存儲要求,硬盤的要求也很低。如果需要圖像解碼模塊進行4畫面全屏方式進行輪巡顯示,理論上需要P4(3.0G)HT512M的配置。此外,由于SONY網絡攝像機和視頻服務器傳輸?shù)南褓|量為640×480,解碼輸出的顯示器最好能在此分辨率下有較好的圖像還原能力,要求用專用的液晶顯示器或CRT顯示器。(3)監(jiān)控中心站監(jiān)控中心模塊主要完成系統(tǒng)的配置和報警聯(lián)動操作,是安防系統(tǒng)的核心工作站。由于有雙顯示的需求,需要設備具有雙顯示輸出。鑒于報警信息的流量不大,而且在監(jiān)控中心工作站一般情況下僅需要顯示一路視頻(現(xiàn)場監(jiān)控或錄像回放),所以網絡鏈路100M即可,而且對CUP和內存的要求也不高,顯示器也可以根據(jù)實際情況進行自由選擇。但由于存有整個系統(tǒng)的配置信息,需要考慮容錯備份,包括:硬盤、網絡通道等。4數(shù)字視頻矩陣系統(tǒng)應用將和數(shù)字視頻系統(tǒng)更容易造成數(shù)字視頻監(jiān)控的傳播效果,提高了系統(tǒng)的內由于數(shù)字視頻矩陣通過網絡交換機來實現(xiàn)數(shù)字流的切換,這種切換不是建立實時的、直接的通道,因此傳輸是有延時的,同時為了減少對帶