在监控系统中，如何实现将监控点的视频图像快速、准确、清晰地传输呢？视频信息处理一般由视频采集、视频传输、视频管理以及视频显示四部分组成。因此，围绕这四个部分，人们开发出了多种技术手段，在此我们主要从技术的角度和大家简单地探讨一下监控领域中视频传输和管理这两方面的发展轨迹。

    在监控系统中，如何实现将监控点的视频图像快速、准确、清晰地传输呢？视频信息处理一般由视频采集、视频传输、视频管理以及视频显示四部分组成。因此，围绕这四个部分，人们开发出了多种技术手段，在此我们主要从技术的角度和大家简单地探讨一下监控领域中视频传输和管理这两方面的发展轨迹。

近距离传输和模拟交换
    20世纪80年代，视频监控在我国民用领域兴起，此时视频图像的传输方式比较单一，都是采用视频同轴电缆将视频图像从前端监控点传回监控中心，并逐个显示在监视器上。但后来，随着监控点的增多问题随之显现出来：视频显示设备也大幅增多、管理人员也增加了。

    那么，为了方便管理，又引入了视频矩阵交换技术，即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。视频矩阵的出现，解决了大量视频图像的显示、切换调看和分配共享等问题。不过当时的视频矩阵远远谈不上有完善的视频管理切换功能，仅仅只是非常简单的矩阵切换器。

    有了视频采集系统（摄像机）、视频传输系统（视频电缆传输）、视频管理系统（矩阵）和视频显示系统（监视器），一个可供监视使用的、具备基本功能的视频监控系统就搭建起来了。

    当然，这样的系统不管是上世纪80年代、还是现在，都是一个基本的、但又是成熟的视频监控系统，其特点是依赖同轴电缆只能在较近的距离内传输视频信号；以模拟方式完成图像的切换、记录和显示；图像质量缺少保障、易受干扰；监管比较单一只能集中在一个控制室内等。而其中通过同轴电缆传输视频信号带来的缺点尤为突出。视频信号通过同轴电缆传输有以下先天的缺陷：

    首先，视频信号在同轴电缆传输过程中衰减较大，衰减的程度与传输距离有关。且视频信号的频率不同，衰减量也不同，频率越高衰减越大，由此造成图像频谱失真，所以采用同轴电缆来进行远距离图像传输就不能保证图像质量。

    其次，随着各种大功率电器设备日益增加，电磁干扰越来越多，这些干扰频率一般在4MHz以下，而采用视频基带利用同轴电缆来传输0～6MHz图像信号，所用带宽完全在干扰频带之内，因此采用同轴电缆来传输视频图像抗干扰能力甚差，受干扰的图像容易产生斜纹、网纹、雪花及重影，严重影响图像质量。

    此外，同轴电缆使用铜质金属材料，信号易被窃听、传输线路易被盗，以及线路导电，所以有较大的安全隐患。 [nextpage]

    不过，虽然同轴电缆具有上述诸多缺陷，但其仍然在现今的监控系统中被广泛地应用。

    特别是现在又出现了很多新的铜缆视频传输技术，例如双绞线视频传输，在传输线路的两端加装较为便宜的双绞线传输设备后，传输距离可达1000～2000米，由于双绞线抗电磁干扰能力强，图像传输质量比同轴电缆好。此外还有同轴电缆共缆传输方式，这种方式可在一根电缆上传输数十路视频信号，其传输距离和图像质量也比传统的同轴电缆传输方式强许多（如传输距离可达2000米；其将视频信号搬移到112 MHz以上的高频载波传输，可避开常见干扰频率），不过，采用这种方式也得在传输线路两端加装价格较高的共缆传输设备。

    另外，早期的视频矩阵是功能简单的矩阵切换器，仅具有视频切换功能，切换器也常常是固定配置的，如8路切换器、16路切换器等，容量有限且很难做到方便地扩充。模拟视频切换器是基于模拟技术的电子开关技术，可分为输入、输出和控制三组模块，通过电子开关实现视频从输入通道到输出通道的切换。

    此时，我们无法做到远距离大容量的视频传输，也无法做到多中心多级联网，视频传输距离和容量以及矩阵联网的瓶颈都限制了监控系统的规模。所以监控系统要想发展首先必须解决这两个问题。

远距离传输和多级联网
    到了90年代，随着对监控系统要求的提高以及视频监控应用的进一步普及，视频技术也有了飞速发展，不仅实现了远距离传输，还实现了视频联网。

远距离视频传输
    解决视频远距离传输靠的是利用光纤传输视频。光纤传输视频具有传输距离远、容量大、不受电磁干扰、保密性强、传输质量好等独特优势。

    光纤传输设备就是光端机，初期的光端机是模拟光端机，即采用模拟调频、调幅、调相的方式将视频信号（音频、数据等）调制在某一载频上，通过发射光端机进行光纤传输，然后通过另一端的接收光端机进行解调，恢复成相应的基带视频（音频、数据等）信号。

    模拟光端机的出现填补了远距离视频传输领域的空白，但基于模拟视频技术，瓶颈逐渐凸现：

1、传输容量不足，且大容量传输代价过高
    随着光端机大量的应用于高速公路以及城市道路交通监控系统,模拟光端机的单芯传输容量依然不足，同时，由于粗波分复用光器件的价格昂贵，导致大容量光端机，特别是在超过8路视频的时候，传输代价大幅度上扬。如何提高单波段的传输容量成为问题的关键。

2、视频联网出现瓶颈
    大家知道，模拟视频信号易受干扰，易衰减，模拟复用光端机就是利用调频技术，在传输流上加载额外的通道，但这需要光信号转换回电信号后才能完成加载。重复的光／电转换，使得电噪声累积，直接影响图像质量。这个问题在大型视频联网系统中格外突出。

3、信号的质量问题
    模拟视频技术的发展已接近极限，模拟光端机的信号传输质量难以提升。以视频信号的信噪比这个影响光端机质量的关键参数为例，比较好的国外品牌以及部分国内品牌的模拟光端机的视频信噪比可以达到50dB，但再想提高就难了。还有模拟信道之间的互相干扰也是难以彻底解决的痼疾。

    此外，模拟光端机还存在制造复杂、调试维修麻烦等问题。如何进一步开发出新的光端机技术，是业界人士关注的焦点。[nextpage]

    2001～2003年，随着宽带数字光传输器件技术以及数字视频技术的飞速发展，数字光端机开始走向市场。

    数字光端机是将多路模拟基带的视频、音频、数据进行高分辨率数字化，形成高速数字流，然后将多路数字流进行复用，通过发射光端机进行发射；另一端的接收光端机进行接收，，恢复成各路数字化信号，再通过数字/模拟转换恢复成模拟视频、音频、数据。

    把模拟信号先进行数字化处理后再进行传输是光端机技术质的飞跃性发展。数字光端机不仅能解决前面所说的模拟光端机的诸多问题，并且还具有无可比拟的优势：

传输容量大，业务种类多
传统的模拟光端机之所以被打败是因为模拟光端机自身的缺陷造成的，它传输的信号容量有限，不能充分利用光纤的带宽；传输的信号种类也比较单一，也就是视频、音频、RS-232、RS－422等低速数据等几种信号，而数字光端机能够更好的利用光纤带宽资源，能够传输更大容量的信号，例如，按照模拟视频技术的普遍水平，模拟光端机最多可在一芯光纤上传输32路视频信号，而数字光端机的传输容量能达到单纤传输上百路的非压缩视频，并且针对应用的多样化的需求，数字光端机可以传输视频、音频、低速数据、IP数据流、电话语音、E1信号、开关量等等各种信号，这极大地丰富了光端机传输的信号种类。所以传输容量的提升，提高了光纤带宽的利用率，降低了传输系统的成本，提高了性价比。

信号质量好
    还是以信噪比指标为例，视频图像的信噪比指标在8bit分辨量化级的情况下可以轻松达到60dB，在10bit分辨量化级的情况下甚至可以达到70dB。再者，由于将传输信号数字化，也避免了模拟光端机传输中传输通道之间相互干扰的问题。此外，数字光端机传输的是数字信号，不存在模拟信号那样的衰减，经过无损中继理论上的传输距离达到无限远。

提供新技术的应用基础
    将模拟信号数字化，使得光端机向标准化、模块化方面发展成为可能；同时，和其他众多数字化设备一样，数字光端机实现设备自身的监控和管理成也为可能。所以，信号数字化为光端机引入更多的新技术、新结构以及新概念提供了根本基础。

视频多级联网
    初期的模拟矩阵的应用相对简单，只是作为独立系统的核心管理控制设备使用，不过其可扩充的积木式的模块化结构、支持任意拓扑结构的组网方式以及提供增值开发的友好界面都给以后视频监控系统的快速发展提供了保障。

    随着科学技术的发展，作为视频管理系统的核心——矩阵，也在容量、联网性能以及功能的扩展上有了很大的提高。

    单就联网性来说，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232/422低速数据进行矩阵主机间的数据通讯的，但是其缺陷不容忽视：232/422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加大了系统扩容时的整体工作量；控制信号传输过程中一旦产生误码、错误报警的连锁反应也会严重影响整个系统的运行效率。所以，很多厂家开发出了模拟/数字相结合的联网系统，即视频总线还是通过传统方式传输（远距离用光端机，近距离用电缆线），但在矩阵主机上开发出IP联网功能，即联网数据则走IP通道。虽然这样可以很好地避免上面所提到的232/422数据联网的诸多问题，但其交换原理还是基于模拟切换，该系统的核心还是模拟矩阵。[nextpage]

    矩阵在功能的扩展上，由于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、存储等其他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，还开发出电子地图、录像管理等诸多贴近客户实际需求的功能。

    虽然模拟矩阵经过近10年的发展完善，并通过其稳定的表现、简易的操作维护占据市场主流，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：

    一个以模拟视频为主的应用系统的搭建需要加入多种的大量的中间接入设备。光端 机、矩阵、视分器等等，而这些设备又可能是不同的品牌、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，无法做到统一、方便和有效的管理。

    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。

    所以模拟矩阵在面对大规模的、多级别远距离联网等诸多问题显得力不从心，这使得人们不得不去开发新型的矩阵技术。

全数字化以及传输和管理的统一
    随着数字技术的发展，监控领域的视频技术也进入了数字化阶段，这使得传统监控系统中的传输和管理两大系统实现了统一。不过此时，视频数字化技术却向两个截然不同的方向发展了。

    视频实现数字化，首先出现的是压缩数字视频技术，它将视频业务置于IP网络基础上，所以我们也将其称为IP数字视频技术。但基于IP网络的带宽限制，必须将数字视频进行压缩处理，即以牺牲图像质量（延时、误码、丢帧等）来完成视频的数字化。

    然而近两年宽带非压缩数字视频技术的进步，使得我们可以将视频业务置于光纤网络上，基于光纤网络的超高带宽，我们无需对视频做压缩处理了。

下面我们就视频数字化的两个方向来做分析：
压缩数字视频技术
    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），以数字高速处理芯片代替模拟电开关，运用高速处理芯片的运算完成视频从输入到输出的切换。

    网络虚拟矩阵则是以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硬件设备，而只是一个具有特定功能的系统。[nextpage]

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，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，如视频的无损交换、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：

    首先，网络虚拟矩阵技术是基于IP网的，限于网络带宽的限制，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，都还没有根本性的进展，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，视频基于IP传输并没有对视频做额外的处理，仅仅只是将视频流打包成IP包，由网络设备（交换机、路由器等）对承载视频的IP包进行数据交换。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，保证数据的正确性，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，采用大块数据报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。但是正是由于他的无连接性，数据报在传输过程中丢失了，导致接收端接收的信息不完整，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，数据报不能按时到达，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，他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的降低码流，保证数据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象视频、音频这样的实时业务传输设计的，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时的以IPV6为代表的新型网络技术的应用。

非压缩数字视频技术
    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日新月异突飞猛进的发展。一种新的数字化视频传输交换系统走上舞台。这种技术是将模拟视频进行数字化编码，但不做压缩，数字化后的视频信号则可通过系统的数字背板总线进行交换、复制等处理。由于数字视频信号并未经过压缩处理，所占用带宽很大，如8bit编码的数字视频就达到120M左右，因此这种系统和系统间的信号传输就不可能通过百兆、千兆这种IP网进行。而光纤传输则具有超大的传输容量，所以非压缩数字视频和光纤传输就很好的结合起来。[nextpage]

    上述根据非压缩数字视频的传输与交换原理，推出的数字视频网络交换平台，也称为交换式光纤数字矩阵，与传统的视频传输系统和视频交换系统相比，在技术上是一个质的飞跃。

    其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：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，保证视频的多级无损传输与交换。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，从而保证视频的高画质。

    值得注意的是，目前市面上有些厂家简单将数字光端机和矩阵系统组合在一起，即将光端机的接收端置于矩阵内，以实现矩阵的光、电两种接入方式，但从光端机接收端出来并输入至切换系统的依然是模拟视频信号，其矩阵的交换还是通过模拟电开关来实现的。这并不是真正意义上的非压缩数字矩阵。

    此外，交换式光纤数字矩阵不仅仅是功能强大的、具有数字背板交换总线功能的交换式数字视频矩阵解决方案，更是一种高效的、灵活的用以传输视频、音频、以太网数据、低速数据及开关量信号的基于视频的多媒体业务的传输解决方案。

该交换式光纤数字矩阵系统的基本特点：
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，吞吐量高达5G-40G的背板总线带宽，能够提供大容量、高速率、无延迟的视频传输、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需求。

3、多业务的综合传输平台
    丰富的前端接入产品和种类齐全、功能完善的各种业务板卡共同完成多种业务的接入与传输，用户可以根据需求选择相应功能的业务板卡实现视频、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的扩展系统的输入，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。

结语
    可以看出，不管是模拟矩阵，还是基于IP网的虚拟矩阵，目前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。而该类交换式光纤数字矩阵作为一种全新的矩阵技术融合两者之长，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。