全光數(shù)字視頻矩陣功能與實(shí)現(xiàn)

全光數(shù)字視頻矩陣功能與實(shí)現(xiàn)

隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，視頻矩陣的功能要求越來越高。本文介紹的全光數(shù)據(jù)視頻矩陣代表了這方面的最新情況。高效的聯(lián)網(wǎng)矩陣系統(tǒng)在傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中,攝像機(jī)、光端機(jī)、視頻矩陣、硬盤錄像機(jī)、監(jiān)視器等是系統(tǒng)的常見組成部分,而視頻矩陣作為整個(gè)系統(tǒng)的核心,最重要的一個(gè)功能就是實(shí)現(xiàn)對輸入視頻圖像的切換輸出。準(zhǔn)確概括就是:將從任意一個(gè)輸入通道輸入的視頻圖像切換到任意一個(gè)視頻輸出通道。一般來講,一個(gè)M×N矩陣,表示它可以同時(shí)支持M路圖像輸入和N路圖像輸出。矩陣系統(tǒng)的發(fā)展方向是多功能、大容量、可聯(lián)網(wǎng),以及可進(jìn)行遠(yuǎn)程切換。一般而言模擬視頻矩陣系統(tǒng)的容量達(dá)到64×16即為大容量矩陣。如果需要更大容量的矩陣系統(tǒng),也可以通過多臺矩陣系統(tǒng)級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。但是,傳統(tǒng)模擬視頻矩陣也有很多缺點(diǎn),例如:◆矩陣容量越大,所需技術(shù)水平越高,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度也越大,這就導(dǎo)致了模擬矩陣的可擴(kuò)展性差,大容量的矩陣成本高;◆大容量視頻矩陣本身的相鄰?fù)ǖ乐g視頻信號存在互相串?dāng)_,會導(dǎo)致視頻通道的信噪比(S/N)下降,影響圖像質(zhì)量;◆視頻矩陣一般是模擬監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備,也是系統(tǒng)整體可靠性的關(guān)鍵部位,如果出現(xiàn)故障,有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)整體失效;◆模擬矩陣很難實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理,難以進(jìn)行數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化維護(hù)?！魧τ谕ㄟ^視頻光端機(jī)和視頻矩陣進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)而言,其致命弱點(diǎn)是,視頻信號的傳輸與交換是各自獨(dú)立的,系統(tǒng)中的視頻信號在經(jīng)過每一傳輸交換節(jié)點(diǎn)時(shí),均需進(jìn)行視頻信號轉(zhuǎn)換——或A/D、D/A變換,或調(diào)制/解調(diào)(如調(diào)頻、調(diào)幅),這使得多級傳輸后最終得到的視頻圖像質(zhì)量嚴(yán)重劣化。在這種情況下,我們就迫切需要這樣一種新技術(shù),既能實(shí)現(xiàn)模擬視頻到數(shù)字視頻的轉(zhuǎn)換、傳輸、聯(lián)網(wǎng),又能保證高畫質(zhì)圖像長距離、多級、多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無損傳輸,現(xiàn)在這些想法已經(jīng)變成了現(xiàn)實(shí),全光數(shù)字視頻矩陣就完全實(shí)現(xiàn)了我們想要的這些功能。全球光數(shù)據(jù)矩陣的基本思想和優(yōu)勢一、數(shù)字視頻交換矩陣的概念全光數(shù)字視頻矩陣技術(shù),是將模擬視頻進(jìn)行數(shù)字化編碼后,不做壓縮,直接將數(shù)字化后的視頻信號通過系統(tǒng)的數(shù)字背板總線進(jìn)行交換、復(fù)制等處理。由于數(shù)字視頻信號并未經(jīng)過壓縮處理,所以占用帶寬很大,僅1路數(shù)字視頻就達(dá)到125M左右,因此這種系統(tǒng)和系統(tǒng)間的信號聯(lián)網(wǎng)傳輸就只能通過具有超大傳輸容量的光纖進(jìn)行傳輸,所以非壓縮數(shù)字視頻和光纖傳輸就很好地結(jié)合起來。引入高速背板總線技術(shù),將數(shù)字視頻交換與傳輸平臺進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺上的視頻信號任意動態(tài)切換及共享。目前已經(jīng)能夠做到高達(dá)5G-40G的背板總線帶寬,可以提供大容量、高速率、無延時(shí)的視頻傳輸、交換能力。在全光數(shù)字矩陣中,我們提出了分布式數(shù)字視頻交換矩陣的概念。分布式數(shù)字視頻交換矩陣,是一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字視頻交換矩陣。網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)是該交換矩陣的一個(gè)子集。而全光數(shù)字矩陣是將聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字視頻交換矩陣與數(shù)字視頻信號的傳輸(光端機(jī))進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合,網(wǎng)絡(luò)平臺上每一通信節(jié)點(diǎn),既是各種業(yè)務(wù)的接入點(diǎn),也是數(shù)字視頻矩陣的一部分,同時(shí)也是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸單元,從而使得業(yè)務(wù)接入、視頻信號的切換/收斂及傳輸路由的選擇控制,統(tǒng)一處理、一氣呵成。數(shù)字視頻的視頻切換在數(shù)字視頻層完成。視頻切換的核心部分由模擬矩陣的模擬開關(guān),變成了對數(shù)字視頻的處理和傳輸。分布式數(shù)字視頻交換矩陣架構(gòu).網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)均實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻交換功能,各節(jié)點(diǎn)交換功能的集合,構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)字視頻矩陣。二、基于矩陣的大型視頻聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全光數(shù)字視頻矩陣顛覆了傳統(tǒng)意義上的矩陣概念,從根本上解決了傳統(tǒng)的矩陣系統(tǒng)在大型視頻聯(lián)網(wǎng)中固有的弊端,它的優(yōu)勢從底層上主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面。(一)視頻信號自動傳輸由全光數(shù)字視頻矩陣構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中,各節(jié)點(diǎn)均具有視頻接入、信號處理、視頻矩陣及視頻傳輸功能,可實(shí)現(xiàn)下圖所示各種矩陣切換控制,并可實(shí)現(xiàn)單路或多路視頻信號的單播、組播或廣播,通過系統(tǒng)所提供的控制管理軟件,對全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制及通信路由選擇,可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中的視頻信號任意調(diào)度管理。(二)方式2:以輸出為中心的傳輸帶寬在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,一般情況下監(jiān)控中心顯示設(shè)備可顯示圖像的數(shù)量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于前端攝像頭的數(shù)量。如果系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對所有攝像頭的圖像任意切換顯示,對于集總式視頻矩陣(模擬或數(shù)字方式),實(shí)現(xiàn)功能的前提條件是,必須所有視頻信號統(tǒng)統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心(也許是多個(gè)中心/分中心),再經(jīng)視頻矩陣切換輸出。而采用分布式數(shù)字視頻矩陣組網(wǎng)后,對接入的視頻信號,根據(jù)需要既可選擇先收斂再傳輸(輸入收斂)或先傳輸再收斂(輸出收斂/選擇輸出),也可將二者結(jié)合應(yīng)用。采用輸入收斂時(shí),可極大節(jié)省傳輸帶寬。舉個(gè)簡單的例子:見下圖,A點(diǎn)為監(jiān)控中心,B、C點(diǎn)為前端接入節(jié)點(diǎn),假設(shè)A點(diǎn)顯示輸出數(shù)量為16個(gè),而攝像頭數(shù)量為60個(gè)(前端B、C每點(diǎn)30個(gè))。對于集總式視頻矩陣,星型連接時(shí),B→A、c→A均需提供30路的視頻傳輸帶寬;鏈型(或環(huán)網(wǎng))連接時(shí),整個(gè)鏈路帶寬需60路視頻。而分布式視頻矩陣,根據(jù)監(jiān)控中心A點(diǎn)顯示需要,在B、C接入點(diǎn)先行收斂,僅將所需信號進(jìn)行傳輸。不需顯示的信號,可先不進(jìn)行傳輸,需要顯示時(shí)再實(shí)時(shí)切換至傳輸通道。仍以上述情況為例,星型連接時(shí),B→A、C→A各只需提供16路的視頻傳輸帶寬,若不需要在同一時(shí)刻使16個(gè)畫面同時(shí)顯示同一點(diǎn)(B點(diǎn)或C點(diǎn))的圖像,此時(shí)對傳輸帶寬的要求還會更低;鏈型(或環(huán)網(wǎng))連接時(shí).整個(gè)鏈路帶寬為16路視頻帶寬。隨著B、C各點(diǎn)攝像頭數(shù)量的增加.采用集總式視頻矩陣時(shí),其視頻傳輸帶寬需要相應(yīng)增加;而采用分布式視頻矩陣,其對傳輸帶寬的要求保持不變。(三)視頻監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)的誤差由于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)均是對數(shù)字的視頻信號進(jìn)行交換,全程僅一次A/D、D/A變換,亦即去除一次A/D變換產(chǎn)生的量化誤差(此誤差極小,可忽略不計(jì))。從前端的視頻數(shù)字化接入開始,通過光纖傳輸至監(jiān)控中心,無論經(jīng)過多少級視頻聯(lián)網(wǎng)的傳輸、切換,全部是數(shù)字化處理視頻,只有在顯示的時(shí)候進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)任意級聯(lián)后信號無失真、無衰減。避免了傳統(tǒng)模式下光端機(jī)一矩陣一光端機(jī)一矩陣等模擬轉(zhuǎn)數(shù)字/數(shù)字轉(zhuǎn)模擬的頻繁轉(zhuǎn)換,保證視頻的多級無損傳輸與交換。(四)業(yè)務(wù)接入模塊全光數(shù)字視頻矩陣系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)了對模擬矩陣的革命之后,卻依然保持了光端機(jī)多業(yè)務(wù)接入的優(yōu)點(diǎn),利用光纖組網(wǎng)的優(yōu)良平臺,提供豐富的業(yè)務(wù)接入模塊。用戶可以根據(jù)需求選擇相應(yīng)功能的業(yè)務(wù)模塊,實(shí)現(xiàn)視頻、音頻、低速數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、電話等多業(yè)務(wù)的傳輸與交換。(五)全光數(shù)字視頻矩陣的在線管理應(yīng)用數(shù)字矩陣的網(wǎng)管系統(tǒng)建立在數(shù)字矩陣聯(lián)網(wǎng)和背板數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)上,功能強(qiáng)大,能在統(tǒng)一的平臺上完成對最前端的接入設(shè)備到中間傳輸設(shè)備、一直到核心匯聚設(shè)備的監(jiān)控,能對系統(tǒng)中各種設(shè)備進(jìn)行在線管理、維護(hù)、配置以及圖像操作。通過軟件界面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)備管理和控制的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化。發(fā)展前景過去的經(jīng)驗(yàn)告訴我們.不管是模擬矩陣,還是基于IP網(wǎng)的虛擬矩陣,目前在視頻聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中都存在