网络矩阵在dvr监控系统中的应用

网络矩阵在dvr监控系统中的应用

一、视频监控系统的阶段目前，视频监控技术已进入数字、网络化和智能领域。视频监控系统从第一代模拟系统(VCR)到第二代部分数字化系统(DVR/NVR),再到第三代完全数字化系统(网络摄像机,网络视频服务器),三个阶段的发展演变预示着全数字化视频监控系统今后将成为安防市场的主角。从技术路线上,可以将视频监控行业的发展划分为三个阶段:第一阶段:全模拟视频监控。其特点是视频的采集、传输和存储均是模拟方式,即我们通常称呼的闭路电视系统。模拟视频监控系统技术比较成熟,缺点是传输距离比较近,适合小范围部署,不适合远程传输,不能跟门禁等其他安防系统集成形成联动。第二阶段:部分数字视频监控。其特点是DVR的采用。视频内容以数字方式存储在DVR上,可实现内容的方便检索,但在远程传输的时候,通常需要部署光纤和安装光端机,系统成本比较高。第三阶段:网络视频监控。其特点是结合成熟的视频编码和IP网络技术,采用开放式架构,以较低的成本实现监控系统的大规模部署和灵活扩展。第三代网络视频监控中研究的热点之一就是网络矩阵。目前行业中大多数“网路矩阵”产品都是基于以太网的“数字矩阵”。与传统模拟矩阵不同,“网络矩阵”是以视频编码软件代替模拟矩阵中的视频输入模块,以数字高速处理CPU代替模拟电开关,以网络矩阵主机代替模拟矩阵主机,以基于TCP/IP协议的IP网代替模拟总线(或模拟视频总线结合IP控制总线),运用计算机高速处理芯片的运算完成视频从输入到输出的切换设备。二、pc式dvrDVR发展至今,各厂家针对视频监控行业的切实需要以及不同场所的特殊应用提出了大量不同的技术改进及解决方案,从M-JPEG、MPEG-2到热门的MPEG-4、H.264压缩技术,从软压缩到硬压缩,从视频路数的不断增加到系统的网络功能不断拓展。DVR产品随着各种不同的应用环境,开发出不同系列的产品。总体来说,按系统结构可以分为两大类:基于PC架构的PC式DVR和脱离PC架构的嵌入式DVR。见图1。这种架构的DVR以传统的PC机为基本硬件,以Win98、Win2000、WinXP为基本软件,配备图像采集或图像采集压缩卡,编制软件成为一套完整的系统。PC机是一种通用的平台,PC机的硬件更新换代速度快,因而PC式DVR的产品性能提升较容易,同时软件修正、升级也比较方便。PC式DVR还可细分如下:(1)工控机PCDVR:工控机PCDVR采用工控机箱,可以抵抗工业环境的恶劣和干扰。采用CPU工业集成卡和工业底板,可以支持较多的视音频通道数以及更多的IDE硬盘。当然其价格也是一般的商用PC的两三倍。它常应用于各种重要场合和需要通道数较多的情况。(2)商用机PCDVR:商用机PCDVR一般也采用工控机箱,用以提高系统的稳定可靠性,视音频路数较少的也有使用普通商用PC机箱的。它采用通用的PC主板,及各种板卡来满足系统的要求。其价格便宜,对环境的适应性好。它常应用于各种一般场合,其图像通道数一般少于24路。(3)服务器PCDVR:服务器PCDVR采用服务器的机箱和主板等,其系统的稳定可靠性也比前两者有很大的提高。常常具有UPS不间断电源和海量的磁盘存储阵列,支持硬盘热拔插功能。它可以长期24小时×7天的连续不间断运行,常应用于监控通道数量大及监控要求非常高的特殊应用部门。2.dvr一体化设备嵌入式DVR基于嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统的嵌入式系统,它采用专用芯片对图像进行压缩及解压回放,嵌入式操作系统主要是完成整机的控制及管理。嵌入式DVR采用嵌入式实时多任务操作系统,视频监视、压缩、存储、网络传输等功能集中到一个体积较小的设备内,系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高,所以无需专人管理,适合于无人值守的环境。嵌入DVR采用一体化的硬件结构,无需像PCDVR那样要购买显卡、内存等设备,硬件成本比PCDVR低。此类产品没有PCDVR那么多的模块和多余的软件功能,在设计制造时对软、硬件的稳定性进行了针对性的规划,因此此类产品品质稳定,不会有死机的问题产生,而且在视音频压缩码流的储存速度、分辨率及画质上都有较大的改善,就功能来说丝毫不比PCDVR逊色。3.录像和录像设备(1)单路数字DVR:如同一台长时间录像机,只不过使用数字方式录像,可搭配一般的影像压缩处理器或分割器等设备使用。(2)多画面数字DVR:本身包含多画面处理器,可用画面切换方式同时记录多路图像。4.硬、软解压的电脑主机研究数字DVR又分为硬解压和软解压两大类。硬解压是指由专门设计的电路和单片机晶片内的底层软件完成解压,软解压是指用电脑主机和高级语言编制的软件解压。三、视音频压缩技术DVR核心压缩技术从最早采用的MJPEG发展到后来的MPEG-1、MPEG4以及目前的H.264标准,压缩芯片也逐步从专用的ASIC专用芯片规整到DSP处理器,市场的需求引领了技术的发展,技术发展推动了市场的扩张。以H.264的压缩标准为例,不同的图像质量、应用范围采用不同的压缩算法等级,压缩比、图像质量越高,压缩算法也就越复杂,对算法优化和实现能力的要求也越高,同等图像质量的带宽、DVR的存储成本也就越低。全球半导体市场不断推出新型高性能DSP芯片,新技术不断刺激了数字视音频压缩技术的发展。目前DVR采用有纯硬件解压缩、软件解压缩和硬件软件相结合解压缩三种技术,采用后两种技术的DVR因为软件解压缩比较占用计算机的CPU和内存资源,因而能够处理和录制图像的能力有限,所以目前在DVR市场中占主导地位的是MPEG4硬压缩方式。DVR的优点是价格低廉成本不高,应用领域较广,对本地监控有一定优势。但在网络远程监控方面相比较没有任何优势,需要给它提供一条专用的网络接入点,还受到广域网访问局域网的制约,传送图像质量不好,所以上述缺点要想实现真正意义上的远程监控,DVR还很难做到。四、网络矩阵的功能随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高以及各种实用视频信息处理技术的出现,视频监控进入了全数字化的网络时代,即是通常所说的第三代视频监控系统。数字化监控以其直观、方便和内容丰富等特点,日益受到人们的重视和关注。目前,特别是由于数字技术的高速发展,软硬件水平的提高,使基于数字技术的视频矩阵方案能够得以实现。可以说,数字视频矩阵将是视频监控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。见图2。按实现视频切换的不同方式,视频矩阵分为模拟矩阵和数字矩阵。(1)模拟矩阵: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复杂的芯片控制模拟开关实现。(2)数字矩阵:网络数字矩阵接收在前端转变为数字信号后的音视频信号,它是通过网络设置的矩阵系统,通过矩阵软件访问所需的多路前端中的任意路网络视频前端,这些图像经网络至控制室,在电脑上显示,或经多路音视频编、解码后在电视墙上显示。网络数字视频矩阵具有以下优势:(1)成本优势:视频矩阵和DVR合二为一。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。(2)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。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,大大的节省了成本。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。准确概括是:将视频图像从任意一个输入通道切换到任意一个输出通道显示。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。网络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的大容量矩阵。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。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、解码器接口、报警器接口、控制主机,以及音频控制箱、报警接口箱、控制键盘等附件。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的,可以通过增加或减少视频输入、输出卡来实现不同容量的组合。优秀的网络矩阵应具备一下功能:(1)具备单机多路高清晰、多画面分割显示输出功能:高清数字矩阵具备VGA/DVI/HDMI高0。(2)具备双码流调节,窄带宽远程视频调用功能:在带宽不够的情况下,可通过远程设置调节任意通道连接码流画质,保证前端浏览、录像的质量。(3)具备超强数字解码能力:支持720P或1080P高清解码,支持万能解码,不受前端编码设备限制。(4)具备任意图像连接,自由群组、轮巡、切换组合功能:支持自定义分组的多路视频图像轮巡,轮巡可以在某一个窗口调用。(5)具备磁盘阵列网络存储功能:具有NVR录像和回放功能,可实现大容量、长时间的网络录像。(6)具备报警视频切换、放大功能:报警时报警现场的图像可强制切换至电视墙的指定窗口,多路同时报警时轮巡显示,用户可自定义图像的显示模式或切换模式。五、可实现数字视频监控和显示图像数据的传输和切换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。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。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。对于PC-DVR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,2路输出的情况已经很少;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。包交换型数字视频矩阵是通过IP包交换的方式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:延时大、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。增强型宏指令集是一系列组合在一起的键盘操作,由用户自行创建,形成一个宏命令,实际上就是一个自定义的按键/组合键操作,以替代人工进行的一系列费时而难以记忆的重复性键盘操作,自动完成所需的任务。普通宏指令一般包括30条动作,由PC机设置软件编辑定义后下载到键盘上运行,可以通过按键手动执行,命令矩阵顺序执行不同的动作,用户只能在每条动作的规范格式框架内编辑,实现设计者预定的功能。增强型宏指令集的动作增加到100条以上,虽然也需要用户设置编辑,但是可以直接下载到矩阵上运行。相比普通宏指令经过键盘转发后再给矩阵执行的速度更快、更高效、更实时。增强型宏指令集增加了逻辑条件判断、循环执行、定时调用和嵌套调用。而普通宏指令只能实现简单的顺序执行操作,同时还必须通过其他菜单设置的辅助,增强型宏指令集实际上更是一种简单灵活的编程语言,用户根据实际情况,可以组合成千上万条的宏操作,定制出更加灵活有效的联动策略,从而将人工的操作转化为系