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矩阵技术的发展历史及现状

矩阵是视频监控系统的核心,其最基本的功能就是将任一路视频图像切换到任一个输出通道。矩阵技术在我国视频监控系统中的应用至少已有10多年的历史,今天,随着科学技术的不断发展,以及不断高涨的市场需求,矩阵也在不断的变革和完善。本文主要从技术的角度和大家探讨一下国内矩阵技术的发展历史及现状。
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模拟矩阵阶段
单机模拟矩阵时代
    矩阵的发展首先经历的是单机模拟时代,就好比电话交换机的机电交换阶段,是基于模拟的电子开关技术。自90年代前期开始,矩阵逐渐应用在国内的视频监控系统中,且国外设备占相当大的比例。这时的模拟矩阵一般由输入、输出和控制三组模块组成,通过电子开关实现视频图像从输入信道到输出信道的切换。这类矩阵的应用相对较简单,只是作为独立系统的核心管理控制设备使用,但是其可扩充的积木式的模块化结构、以及提供友好的使用界面都给视频监控系统的快速发展提供了保障。

    尽管当时的矩阵系统也连接“上位”PC机,但这类PC机充其量也仅仅是对视频图像的切换调看、本系统控制以及硬盘存储。值得一提的是,这类矩阵系统目前仍在被广泛地使用。

    模拟矩阵联网时代
90年代后期,随着对监控系统要求的提高以及视频监控在诸多领域的进一步普及,模拟矩阵便有了飞速的发展,并逐趋完善,矩阵进入了模拟联网时代。此时,模拟矩阵的自身工作原理没有改变,但是在容量、联网性以及功能的扩展上有了很大的提高。

    从容量上说, 以MAX-1000矩阵系统为例,其单机箱的最大容量为128×32,即在不扩机箱的前提下,可做到128路视频输入,32路视频任意同时输出。而在目前市面上已有厂家开发出了更大容量的矩阵,其单机箱容量可达到128×128。

    从联网性上说,矩阵的联网使得人们对视频资源共享的迫切需求得到满足。初期的矩阵系统间的联网是通过RS232/422低速数据方式进行矩阵主机间的数据通讯的,但是其缺陷不容忽视,即RS232/422数据的传输速率低、节点不能任意编号使网络规模受到限制、系统设置繁琐与不支持远程管理。所以,很多厂家开发出了模拟/数字相结合的联网系统,即视频信号还是通过传统方式传输(远距离用光端机,近距离用视频同轴线),但在矩阵主机上开发出IP联网功能,即联网数据走IP通道。虽然这样可以很好地避免上面所提到的RS232/422数据联网的诸多问题,但其视频信号的交换原理还是基于模拟切换,该系统的核心还是模拟矩阵。

    就功能的扩展讲,有部分国内公司已完成了矩阵、矩阵主机、管理软件的产业化生产以及矩阵和前端解码器、多媒体控制终端、存储等其它外设的无缝连接和集成,形成了具有中国特色的数/模结合的监控系统。在功能上,除了传统的切换、轮巡、云台控制、报警处理、日志查询、权限管理等功能外,还开发出了电子地图、录像管理等诸多贴近客户实际需求的功能。

模拟矩阵的问题
    虽然模拟矩阵经过10多年的发展完善,并通过其稳定的表现、简易的操作,已占据市场主流,但模拟视频技术的发展已接近极限,基于模拟视频技术的瓶颈,并随着系统规模的不断扩大,传统模式的问题也就暴露出来。

    首先,一个以视频为主的应用系统的搭建需要建立多种的信息平台,在这个系统中需要加入多种的大量的中间接入设备。如光端机、切换矩阵、视分器等等,而这些设备又有不同的品牌,不同的型号以及不同的品质,这样就导致了整个系统过于复杂,无法做到性能一致、使用方便和有效的管理。 [nextpage]

    其次,视/音频信号需要经过多次的A/D、D/A转换,图像质量无法得到保证。模拟的视频信号每经过一次传统模拟矩阵都产生一定的损耗,这样,在系统规模较大,需要对输入输出扩容或多点/多级联网的时候,信号的衰减就成为了系统性能的瓶颈。

    再次,面对多种类、复杂的视频系统,必需完成大量的、复杂的多种设备间的协调工作。维护、维修的工作不管是对工程实施人员,或是最终使用者来说都是极为头疼的事。各种系统、各种设备之间的协调、问题的排查、责任和纠纷等等都会给上述相关人员或单位带来极大的困扰。

    所以,模拟矩阵在面对大规模、多级、远距离联网等诸多问题上便显得力不从心,限于模拟视频技术的瓶颈,很难从自身找到合适的、从根本上解决问题的方法,这使得人们不得不去开发新型的矩阵切换技术。

网络虚拟矩阵阶段
网络虚拟矩阵技术
    2000年后,随着数字视频压缩技术的发展,数字产品逐渐大量进入监控系统,针对上述模拟矩阵系统中的诸多问题,人们提出了网络虚拟矩阵的全数字化矩阵概念。

    网络虚拟矩阵和传统模拟矩阵不同,它以视频压缩模块(或视频编码软件)代替模拟矩阵中的视频输入模块,以视频解压缩模块(或视频解码软件)代替模拟矩阵中的视频输出模块,以网络视频服务器代替模拟矩阵主机,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),运用网络视频服务器的管理软件来完成视频从输入到输出的切换。

    网络虚拟矩阵是以IP网为媒质,基于TCP/IP协议,通过网络视频服务器完成视频的调度。我们可以将整个IP视频专网看作是一个巨大的矩阵交换系统,其基本硬件则是由视频编码设备、视频解码设备以及网络交换机、路由器组成。另外视频编码、解码过程也可以由软件来完成,所以网络虚拟矩阵可能并不是一个具体的、特定的物理硬件设备,而只是一个具有特定功能的系统。

网络虚拟矩阵的问题
    网络虚拟矩阵作为一种数字矩阵技术,其充分发挥了数字技术的优势,在很多方面解决了模拟矩阵技术无法解决的难题,如视频信号的远程无损交换、异地复制与存储、支持任意网络拓扑结构等等,但是这种数字矩阵技术远非完善。[nextpage]

    首先,网络虚拟矩阵技术是基于IP网的,受网络带宽的限制,必须在模拟视频数字化的过程中对视频信号进行数字压缩。视频数字压缩技术的产生,主要基于视频应用需求与下列条件的限制。首先来自节省存储空间的要求,其次是数字传输系统带宽的限制。也可以说,选用视频数字压缩技术,通常是在外在条件的限制下不得已而为之的手段。

    其次,这种数字矩阵技术都是基于压缩视频,而目前的压缩算法基本上基于DCT的技术,无论是MPEG-2还是MPEG-4等,当网络带宽得不到保证时不可避免地会产生马赛克等问题。其在图像质量、延迟、带宽占用等各方面都还需要进一步改进。

    另外,这种数字矩阵技术还需要考虑IP网本身的问题。因为现用的IPV4网络技术是20世纪70年代设计的,无论从计算机本身的发展还是从因特网规模和网络传输速率,以及32bit地址来看,IPV4都已经很不适用了。并且IPV4在设计之初也没有考虑到视频业务,基于IP传输并没有对视频做额外的处理,仅仅只是将视频流打成IP包,由网络设备(交换机、路由器等)对承载视频的IP包进行数据传输。例如IP网的传输采用的是TCP/IP协议,TCP协议具有差错控制重传机制,即数据包发送后在指定的时间内没有收到确认信息,认为数据丢失了,需要重传数据包。可以看出,TCP协议针对的是非实时业务的数据,虽保证了数据的准确性,而对于实时业务的数据,如视频、音频显然是不适用的。当前,IP网上传输视频、音频采用的基本上是UDP协议,是一种面向无连接的协议,采用大块数据包形式连续发送数据而不必等待确认信息,非常适合视频、音频在IP网络上传输。但是正是由于它的无连接性,数据包在传输过程中丢失了,导致了接收端接收信息的不完整,比如视频就会出现跳帧、丢帧甚至是黑屏。而且当网络比较拥挤时,数据包不能按时到达,会出现视频画面的停滞等现象。有些网络虚拟矩阵在UDP的基础上采用了RTP/RTCP协议,它是一种带宽资源预留协商协议,目的是让网络为其保证一定的带宽,或者侦测网络带宽使用情况而相应地降低码流,以保证数据传输的实时性而损失视频质量。而预留带宽需要网络上的所有设备都具备此项功能,这是很难做到的。

    综上所述,可以看到网络虚拟矩阵的性能完全依赖于IP网络,而IP网络本身由于根本不是为像视频、音频这样的实时业务传输设计的,所以导致了在实际应用中许多不尽人意的地方,包括图像的质量、实时性、延迟抖动等,这些问题是网络虚拟矩阵本身无法解决的。

    所以,网络虚拟矩阵的突破必须期待下一代允许对网络资源进行预分配,支持实时图像并保证一定的带宽和延迟的以IPV6为代表的新型网络技术的应用。

BVx矩阵技术
    从2001年起,市场对数字光传输系统带宽的要求越来越高,产品应用领域越来越宽,宽带数字光传输器件以及高速数字总线技术也得到了突飞猛进的发展。以博康公司推出的BVx数字视频网络交换平台为例,此交换平台也称为交换式光纤数字矩阵,与现有的矩阵相比,在技术上是一个质的飞跃。

    该系统从根本上解决了传统的矩阵系统在大型视频联网中所固有的弊端。系统从前端的视频数字化接入开始,通过光纤传输至监控中心,无论经过多少级视频联网的传输、切换,全部是数字化处理视频,只有在显示的时候进行数模转换,避免了传统模式下光端机—矩阵—光端机—矩阵等模拟转数字,数字转模拟的频繁转换,保证了视频的多级无损传输与交换。它将视频的光纤传输与矩阵的切换融为一体,尤其是引入了数字背板交换总线的设计理念,无论多少级的视频联网结构,只进行一次模数/数模转换,从而保证了视频的高画质。[nextpage]

    该系统在逻辑上分为:前端多业务接入、中心汇聚交换和管理应用三层结构,以分别完成前端视频、音频、数据等多业务的接入并数字化;多业务的传输、路由与交换以及上层的应用系统如网管系统。这种三层结构体系的设计理念保证了系统应用的高效性、灵活性、可伸缩性,使得该系统不仅可以用于新建的系统中,为用户提供一个高效的数字视频网络交换平台,而且也可用于改造的系统中,能与原有系统无缝结合以提高系统的整体性能。

系统前端多业务接入设备Vbox
    Vbox是分布于前端监控点的设备,可用于接入前端的多种业务,诸如:视频、音频、低速数据、以太网数据、电话等。对每种业务均集成了多个接口,极大地保证了业务的接入能力。根据接入能力的带宽,Vbox分为:Vbox200系列、Vbox1400系列和Vbox2800系列三大系列,不仅能够实现传统的点对点星型接入方式,而且可以通过单纤实现总线链路、环网(自愈)等多种拓扑结构的接入方式,最大限度地优化了用户的接入模式。

    该设备采用先进的高速分插复用技术来实现在网络上的交换功能,即网络拓扑中的所有通过该设备接入的视频及其它业务均可以在光纤上完成切换并传输至监控中心,通过中心设备的背板交换总线完成视频及多业务的交换。这种性能可以突破光纤传输带宽的瓶颈,对该设备在组网时接入的视频数量将不受限制。同时,该设备不仅支持网管系统,使其具备自发现功能、自动拓扑功能及即插即用(PnP),而且在不同的组网模式下都可以实现视频等多业务的交换功能,使得系统在业务的接入层面上具有良好的灵活性、智能性、扩展性。

系统中心汇聚交换设备Vmux
    Vmux分布于不同级别的监控中心,提供了功能齐全的各种功能板卡,以完成前端视频、音频、数据、以太网、电话等多业务的汇聚并实现任意交换输出。接入的数字视频通过交换总线可以灵活地在任意端口上输出并灵活地实现在相应端口上输出多种类数据(包括以太网)或者从交换总线上下载多路数字视频,通过光卡复用后上传到上一级的监控中心,使整个视频的传输、切换全部数字化。

    单台设备可作为数字视频矩阵应用,兼容光输入与电输入两种形式,对输入的模拟信号如视频、音频进行非压缩数字化。对输入的光纤数字视频信号进行解复用,不仅可以实现模拟矩阵所有功能,而且系统保持良好的扩展性和可伸缩性。多台设备系统之间通过光纤可以以任意拓扑形式组网互联(包括环型(自愈)、相切环、相交环、星型、总线链路型或者混合型),组成一个大容量、高密度、全数字的基于数字视频业务的网络交换平台。在此平台上的每个设备能够对接入的视频、音频和数据等多种类业务进行管理、控制、交换,实现全网视频及多业务数据的共享和统一调度。

    系统采用的是数字非压缩编码技术,最大能够实现256路视频信号的交换输出,根据用户具体的网络拓扑结构可以实现视频联网系统中任意节点间信号的单向、双向、广播等方式的传输,任意节点均可灵活地实现信号的Drop、Add、Pass、Stop以及相互组合,从而实现各类信息在整个网络上交换。系统充分吸收了现代成熟的时分复用技术,为每一路视频、音频和数据信号提供不同的时隙,采用时隙复用技术,通过光纤介质实现综合业务的传输,在带宽资源利用率、QoS保障及传输延迟等方面为用户提供更加优越的性能。[nextpage]

    系统能够在光纤链路上根据带宽资源利用的情况,动态地分配系统的传输信道与时隙,为用户传输所需的视频、音频、以太网数据、低速数据和开关量信号。此外,网管软件能够监视系统中各种设备运行状况并提供设备运行的诊断信息,包括设备故障信息和链路故障信息,通过这些诊断信息可帮助用户准确、快速地定位故障点。当系统出现故障时,系统会自动启用自愈功能使系统能够继续正常运行,而不会因为局部的故障使得整个系统处于瘫痪状态,为用户的应用提供了最大的保障。

BVx系统基本特点

1.全数字路由与交换
    系统采用视频非压缩技术,从前端的业务接入层到汇聚传输层,全数字化宽带传输,保证任意级联后视频的无衰减、无失真。同时,独特的数字背板总线设计,使得传输吞吐量高达5G-40G的背板总线带宽,能够提供大容量、高速率、无延时的视频传输、交换能力。

2.强大的组网功能
    支持任意的网络拓扑结构,包括:环型(自愈)、星型、总线型和混合型。完全满足用户从简单到复杂的视频联网的需求。

3.多业务的综合传输平台
    丰富的前端接入设备和种类齐全、功能完善的各种业务板卡,用户可以根据需求选择相应功能的板卡。以实现视频、音频、低速数据、以太网、电话等多业务的传输与交换。

4.良好的系统扩展性 
    系统不仅可以通过光级联方式无缝地扩展系统的输入,而且也可以通过电级联方式平滑地扩展系统的输出。两种方式的扩展无需更换原有的设备,最大限度保护用户的前期投资。

5.完善的网管系统
    网管系统功能强大,在统一的平台上完成对最前端的接入设备到核心汇聚设备的监控,对系统中各种设备进行在线管理、维护、配置。实时在线检测网络运行状态,动态分配网络资源带宽,使网络运行达到最佳状态。

    所以,不管是模拟矩阵,还是基于IP网的数字矩阵,它们在视频联网应用中都存在各自的局限性,致使在实际的联网应用中总是不尽人意。而该系统作为一种全新的矩阵技术,其融合两者之长,不仅实现了模拟信号的数字化,还具备模拟矩阵高质量的视频输出,而且也具有IP矩阵和网络虚拟矩阵灵活、方便的联网特性。

    可以看出,矩阵的发展历程与电话交换机极为类似,每一次技术的变革都对行业的发展带来了巨大的影响。所以,我们希望新一代的数字矩阵技术的成型能够为以视频为主要业务的监控领域带来一场视频信息革命。

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