深析：视频矩阵未来发展窥一斑而知全貌_

深析：视频矩阵未来发展窥一斑而知全貌

2005-08-22 10:53 来源：中国安防产品网

【编者按】
　　任何一个安防系统，控制设备是核心，视频矩阵是典型。它不仅决定了电视监控系统的容量（可监控图像的数量）、系统的模式（视频网络的拓朴结构）……

　　任何一个安防系统，控制设备是核心，视频矩阵是典型。它不仅决定了电视监控系统的容量（可监控图像的数量）、系统的模式（视频网络的拓朴结构）、系统的控制方式（控制网络的结构、编码规则）和显示方式（直接观察图像的数量、时序的间隔与顺序），确定了电视监控系统与安防其它子系统的集成方式（非可视信息与图像的相互关系、各种功能的联动），还是安防系统的统一的操作平台（人机交互界面），特别是通过多媒体界面实现图形化管理（GUI），它的网络接口可以实现安防系统的远程管理。一个好的矩阵几乎可以实现安防系统所有的功能要求。因此，可以说：熟悉了矩阵就熟悉安防系统、用好了矩阵就可以灵活地构成多种实用的安防系统。　　

视频矩阵是电视技术在实时监控领域应用和推广的体现，顺应电视技术的进步而产生和发展。了解和探索电视监控技术以及安防技术的进步过程和发展趋势，展望其未来，观察视频矩阵可窥一斑而知全貌。

视频矩阵经典系统标志
　　
所谓经典系统就是从摄像到显示直接连接的方式，系统的信息流是模拟的视频基带信号。电视监控从几个图像的一对一显示、或顺序显示发展到几百路甚至更多的图像系统，必须解决的一个问题是大量视频信息的分配、切换和显示，以及如何实现视频信息的资源共享。随其应运而生，完成这个功能的设备就是视频矩阵。可以说视频矩阵是电视监控系统由小到大发展的必然结果。它实现视频信号的交汇、附加信息的叠加、系统功能的遥控和控制。但最基本的功能是建立信源（摄像机）到信宿（视频监视器）电气上的直接连接（物理连接），或在它们之间建立视频通道。
　　
视频矩阵基本上采用模块式设计，由输入、输出、CPM和PSM几个单元组成。输入模块完成视频信号的切换（视频通道的建立）；输出模块进行附加信息（时间、地理、状态）的迭加，输入和输出模块及其数量可以根据系统的规模来配置。CPM单元是矩阵的中枢，它实现人机交互，控制输入、输出模块的运行；形成控制信号，实现系统的遥控和控制；同时还要有多媒体计算机接口、与其它安防子系统（报警、出入管理）的接口和网络接口；PSM是设备的供电单元；这样的结构和功能对越大型的系统越能表现出优势。　　

显然这种系统建立在集总式结构上是最经典的，也是目前最常用的系统模式。它的基本特征是：所有的图像（视频信号）都传送到一个中心点，连接到一个中心设备上，这个点、这个设备就是视频矩阵。通过矩阵对图像（视频信号）的切换和分配功能，实现各种显示方式，并将图像传送至其它需要共享图像资源的地点，它的网络结构是标准的星形结构。目前无论系统规模的大小（大至千路、小到几路），大多数电视监控系统采用这种模式。所以人们把视频矩阵看作经典系统（模拟信号、集总式结构）的标志。利用矩阵还可以构成多级星形结构，也是集总式系统的一种形式，适用于分级管理的场合。但它实现系统图像资源的充分共享比较困难。

以视频矩阵为中心建立的电视监控系统具有以下特点:

1、系统（视频矩阵位于的监控中心）拥有最完整的资源，它不仅可同时获得系统的全部图像信号，而且拥有系统最大的带宽（等于总路数乘上每路的视频带宽），所以可以充分地实现系统和设备的技术能力，特别是摄像机的技术能力，获得很高的技术指标。　　

2、最佳的观察效果，系统可以实时地、以现行电视制式显示、观察任何图像，符合人们的视觉习惯。目前，大多数字系统还达不到这样图像的效果。

3、最小的系统开销，远距离传输和传输过程中的干扰问题是模拟系统的弱势之处。主要是由于带宽的限制、及干扰对模拟信号劣化的不可修复性。但是、对于局域性的系统，这两个问题的影响不太，模拟的集总式系统仍是获得高质量图像开销最低的方式。

4、技术成熟、相关产品的配套性好、技术标准完备，用户可有多种选择。　　

当然、它也有不足之处，例如视频矩阵是设备系统的中心，也是系统可靠性的要点，出现故障，会导致全系统失效；再者，模拟系统的可扩展性差。

数字视频矩阵概念未明
　　
随着电视技术数字化的进程，电视监控系统也出现了一些数字设备，（全）数字系统成了一种时尚，于是出现了数字视频矩阵的概念，一些厂家还推出了所谓数字视频矩阵设备。严格地讲，目前数字视频矩阵还是一个不清楚的概念。首先，它的基本功能是什么？应用的网络环境是什么？还都不清楚，至少在认识上还不统一。目前数字化系统主要有下面两种情况：一是按着模拟视频矩阵的概念，对输入的数字视频信号（数据流）建立通道式的连接（多少入对多少出），这样的设备在电视演播室中早已有之。它所适应的系统（网络）结构是集总式的。但采用这种结构（全数字流、集总式结构）的电视监控系统很少。另一种方式是在LAN的环境下，利用DVR、视频网关或采用IP摄像机使图像源数字化。通过网络交换机来实现数字流的切换，这时系统的输出可认为是B/S或C/S结构中的客户机，但这种切换不是建立实时的、直接的通道，是有延时的。这是一种分布式结构（也有人称为数模混合方式），它的特点是：

1、数字视频（图像信息）在多次传输、记录和处理过程中，不再降低图质量。同时，既能实现分布地存贮和本地控制，又能作到集中的图像调用、记录和统一地管理。图像检索方便，保密性强。

2、系统可以自主生成。便于与广域网连接，实现远程监控。

3、系统的可扩展性和可升级性好。　　

但它存在一些亟待提高的问题：主要是中心监控室不能同时获得系统全部的实时图像。图像质量（分辨能力、连续性）还达不到模拟系统的水平。更重要的一点是，产品尚不完全成熟、接口关系不统一、还没有形成基本的标准和统一、科学的评价方法。尽管如此，这种方式将是电视监控系统从模拟向数字化过渡的最佳途径。
　　
有些多输出的数字视频记录设备称自己为数字矩阵，它没有在输入和输出信号之间建立一个传输通道，实质上只是在并行地进行多路的图像变换和编解码处理，输入和输出之间的连接不是直接的（有变换），也不是实时的（有延迟）。而且输入信号通常是模拟的视频信号，输出则可能是数字信号或模拟信号。

网络是虚拟的矩阵　　

远程监控是电视监控技术的一个重要发展方向，特别是IPv6的出现为其展示了更加广阔的前景。利用网络环境构成电视监控系统，信源与信宿之间的信号切换（联通）不能由单一的硬件（矩阵）来完成。其实由硬件（路由器、交换机、服务器）和软件（协议）所构成的网络环境本身就是一个（IP地址之间的）大矩阵。在这个的基础上，可以构成虚拟的电视监控系统专网，这就产生了虚拟视频矩阵的概念。所谓虚拟矩阵是以网络为媒介，通过TCP/IP和流媒体技术，实现数字图像信号在网上多路复用的传输（它的路由是不确定的）。由于电视监控系统通常要设置一个中心室，要有一台视频网络服务器来实现对整个系统（前端设备及需要通过该中心共享系统资源的设备）的管理和控制，而且要有足够数量的图像显示在中心室的电视墙上（由监视器或显示器组成），该服务器就有了类似于视频矩阵实现输入（图像信号）至输出（显示或共享设备）的切换功能和系统的控制功能。所以，有时称其为网络矩阵（IP MATRIX）。

　　但是、有一个问题必须指出：系统中不被访问的前端设备（IP），图像信号是不被传送的，由此带来的延时对电视监控的实时性要求可能是致命的。同时、由于数据率的限制，系统的图像质量（连续性、分辨率）也不高。IPv6可以实现永远在线和提供更高的带宽，为建立高质量的网络视频监控系统提供了条件，特别是它具有无限的容量（无限的图像源和无限的用户）。网络视频监控系统的发展将促进IP摄像机的规格化和兼容性的实现。　　

通过上面的论述，似乎可以对数字视频矩阵提出一个概念性的定义；

1、实现数字图像信号的交换；

2、不同于模拟矩阵只是建立视频信号的传输通道，不对视频信号作任何处理。数字矩阵将对数字信号进行适当的变换，其输入信号与输出信号的形态或格式可能会不同；

3、系统应用于网络环境；

4、数字矩阵可能不是一个具体的硬设备，而是具有特定功能的系统。

矩阵的评价
　　
视频（模拟）矩阵的评价方法已经很完善，有明确的标准可依。数字视频系统则不然。大多数产品还没有技术标准，就连一些基本的参数也还存在不同的理解。本文主要是从模拟与数字视频的差别，以及由此带来的评价指标和方法不同来发表一些看法。

1、如上所述，视频（模拟）矩阵就是一个传输通道，因此，可以把它作一个黑盒子，从视频信号通过后的劣化程度来评价其性能（视频通道的测试方法）。主要的指标有：　　

a. 带宽、视频矩阵最主要的指标、它影响图像的分辨率。通常要求矩阵有超过8MHz的带宽，并且有平坦的幅频特性，以保证它有较小的相位失真。　　

b. 信噪比，反映电子开关对输入图像信号信噪比的影响。通常选用一个S/N大于70db的视频信号作输入，测量输出信号的S/N，就是矩阵的信噪比。　　

c. 串扰、反映相邻通道间视频信号的互相干扰，它也表现为由于相邻通道的串扰，致使测试通道的S/N的下降。因此，可能通过测量相邻通道有无视频信号通过时，测试通道S/N的变化来计算出矩阵的串扰值。　　

d. 图像的主观评价、对于模拟视频系统，主观测试是非常重要和有效的。不仅是因为它可以反映观察者的感觉，还因为模拟视频的主观测试是与客观测试的结果是直接相对应的。通过主观测试可以对图像的灰度、对比度，各种失真给出评价。

2、数字系统不能采用上述的评价方法，因为系统的输入与输出可能不同。测试结果与图像效果也不对应，主要指标可以选择以下几个：　　
a. 图像格式、数字系统的图像格式和质量等级是设定的，它基本上确定了图像的分辨率和相关质量，通常它并不受系统数据率（有时也称带宽）的限定，这是与模拟视频不同的。　　

b. 数据率、是系统总资源的表示，与模拟系统的带宽相对应，但它限定图像传输帧率，影响图像的连续性。　　

c. 时延（响应时间）、系统输出与输入建立通信及显示图像与现场图像的延时。这个指标对于模拟系统是没有的，但对于数字系统，特别是网络监控系统是很重要的，它影响系统的实时性。　　

d. PSNR（峰值信噪比）、不同于模拟系统，它主要反映图像在模/数转换和压缩编码过程中，由于量化所引起的图像平均能量的变化，来自外部的干扰对它的影响不大。　　

e.图像的主观评价，数字系统的主观测试与客观测试不是相对应的，直接观察的效果不能用于解释客观测试的结果。它主要是评价图像在变换过程中（主要压缩/解压缩）出现的不良产物及其对图像效果的影响，如像块间的不平滑、运动目标的拖尾、亮、色分离等。　　

总之数字视频系统的评价方法尚不完善，许多概念和标准还在研究和讨论之中。这些方法和标准统一、规范了，所谓数字视频矩阵的评价也就规范了（模拟系统也是这样）。

结语
　　
视频矩阵已是很成熟、完善、应用很普及的产品了，可以从技术上给它作个总结了。它在电视监控系统（安防系统）中的主导和主流地位（特别是在大型系统中）还会保持相当长的时间。数字系统是电视技术发展的必然，因此，会出现数字矩阵的概念和设备（系统），这是我们要研究的课题。网络监控是安防系统的一个发展趋势，网络的矩阵功能是可能成为数字矩阵的一个解决方案，让我们拭目以待。

【责任编辑郭晓峰】

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