安防監(jiān)控中-視頻矩陣系統(tǒng)的應用

任何一個安防系統(tǒng)，控制設備是核心，視頻矩陣是典型。它不僅決定了電視監(jiān)控系統(tǒng)的容量（可監(jiān)控圖像的數(shù)量）、系統(tǒng)的模式（視頻網(wǎng)絡的拓樸結(jié)構(gòu)）、系統(tǒng)的控制方式（控制網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)、編碼規(guī)則）和顯示方式（直接觀察圖像的數(shù)量、時序的間隔與順序），確定了電視監(jiān)控系統(tǒng)與安防其它子系統(tǒng)的集成方式（非可視信息與圖像的相互關(guān)系、各種功能的聯(lián)動），還是安防系統(tǒng)的統(tǒng)一的操作平臺（人機交互界面），特別是通過多媒體界面實現(xiàn)圖形化管理（GUI），它的網(wǎng)絡接口可以實現(xiàn)安防系統(tǒng)的遠程管理。一個好的矩陣幾乎可以實現(xiàn)安防系統(tǒng)所有的功能要求。因此，可以說：熟悉了矩陣就熟悉安防系統(tǒng)、用好了矩陣就可以靈活地構(gòu)成多種實用的安防系統(tǒng)�！　�
視頻矩陣是電視技術(shù)在實時監(jiān)控領(lǐng)域應用和推廣的體現(xiàn)，順應電視技術(shù)的進步而產(chǎn)生和發(fā)展。了解和探索電視監(jiān)控技術(shù)以及安防技術(shù)的進步過程和發(fā)展趨勢，展望其未來，觀察視頻矩陣可窺一斑而知全貌。
視頻矩陣經(jīng)典系統(tǒng)標志
　　 所謂經(jīng)典系統(tǒng)就是從攝像到顯示直接連接的方式，系統(tǒng)的信息流是模擬的視頻基帶信號。電視監(jiān)控從幾個圖像的一對一顯示、或順序顯示發(fā)展到幾百路甚至更多的圖像系統(tǒng)，必須解決的一個問題是大量視頻信息的分配、切換和顯示，以及如何實現(xiàn)視頻信息的資源共享。隨其應運而生，完成這個功能的設備就是視頻矩陣。可以說視頻矩陣是電視監(jiān)控系統(tǒng)由小到大發(fā)展的必然結(jié)果。它實現(xiàn)視頻信號的交匯、附加信息的疊加、系統(tǒng)功能的遙控和控制。但最基本的功能是建立信源（攝像機）到信宿（視頻監(jiān)視器）電氣上的直接連接（物理連接），或在它們之間建立視頻通道。
　　 視頻矩陣基本上采用模塊式設計，由輸入、輸出、CPM和PSM幾個單元組成。輸入模塊完成視頻信號的切換（視頻通道的建立）；輸出模塊進行附加信息（時間、地理、狀態(tài)）的迭加，輸入和輸出模塊及其數(shù)量可以根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模來配置。CPM單元是矩陣的中樞，它實現(xiàn)人機交互，控制輸入、輸出模塊的運行；形成控制信號，實現(xiàn)系統(tǒng)的遙控和控制；同時還要有多媒體計算機接口、與其它安防子系統(tǒng)（報警、出入管理）的接口和網(wǎng)絡接口；PSM是設備的供電單元；這樣的結(jié)構(gòu)和功能對越大型的系統(tǒng)越能表現(xiàn)出優(yōu)勢�！　�
顯然這種系統(tǒng)建立在集總式結(jié)構(gòu)上是最經(jīng)典的，也是目前最常用的系統(tǒng)模式。它的基本特征是：所有的圖像（視頻信號）都傳送到一個中心點，連接到一個中心設備上，這個點、這個設備就是視頻矩陣。通過矩陣對圖像（視頻信號）的切換和分配功能，實現(xiàn)各種顯示方式，并將圖像傳送至其它需要共享圖像資源的地點，它的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是標準的星形結(jié)構(gòu)。目前無論系統(tǒng)規(guī)模的大小（大至千路、小到幾路），大多數(shù)電視監(jiān)控系統(tǒng)采用這種模式。所以人們把視頻矩陣看作經(jīng)典系統(tǒng)（模擬信號、集總式結(jié)構(gòu)）的標志。利用矩陣還可以構(gòu)成多級星形結(jié)構(gòu)，也是集總式系統(tǒng)的一種形式，適用于分級管理的場合。但它實現(xiàn)系統(tǒng)圖像資源的充分共享比較困難。
以視頻矩陣為中心建立的電視監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點:
1、系統(tǒng)（視頻矩陣位于的監(jiān)控中心）擁有最完整的資源，它不僅可同時獲得系統(tǒng)的全部圖像信號，而且擁有系統(tǒng)最大的帶寬（等于總路數(shù)乘上每路的視頻帶寬），所以可以充分地實現(xiàn)系統(tǒng)和設備的技術(shù)能力，特別是攝像機的技術(shù)能力，獲得很高的技術(shù)指標�！　�
2、最佳的觀察效果，系統(tǒng)可以實時地、以現(xiàn)行電視制式顯示、觀察任何圖像，符合人們的視覺習慣。目前，大多數(shù)字系統(tǒng)還達不到這樣圖像的效果。
3、最小的系統(tǒng)開銷，遠距離傳輸和傳輸過程中的干擾問題是模擬系統(tǒng)的弱勢之處。主要是由于帶寬的限制、及干擾對模擬信號劣化的不可修復性。但是、對于局域性的系統(tǒng)，這兩個問題的影響不太，模擬的集總式系統(tǒng)仍是獲得高質(zhì)量圖像開銷最低的方式。
4、技術(shù)成熟、相關(guān)產(chǎn)品的配套性好、技術(shù)標準完備，用戶可有多種選擇�！　�
當然、它也有不足之處，例如視頻矩陣是設備系統(tǒng)的中心，也是系統(tǒng)可靠性的要點，出現(xiàn)故障，會導致全系統(tǒng)失效；再者，模擬系統(tǒng)的可擴展性差。
數(shù)字視頻矩陣概念未明
　　 隨著電視技術(shù)數(shù)字化的進程，電視監(jiān)控系統(tǒng)也出現(xiàn)了一些數(shù)字設備，（全）數(shù)字系統(tǒng)成了一種時尚，于是出現(xiàn)了數(shù)字視頻矩陣的概念，一些廠家還推出了所謂數(shù)字視頻矩陣設備。嚴格地講，目前數(shù)字視頻矩陣還是一個不清楚的概念。首先，它的基本功能是什么？應用的網(wǎng)絡環(huán)境是什么？還都不清楚，至少在認識上還不統(tǒng)一。目前數(shù)字化系統(tǒng)主要有下面兩種情況：一是按著模擬視頻矩陣的概念，對輸入的數(shù)字視頻信號（數(shù)據(jù)流）建立通道式的連接（多少入對多少出），這樣的設備在電視演播室中早已有之。它所適應的系統(tǒng)（網(wǎng)絡）結(jié)構(gòu)是集總式的。但采用這種結(jié)構(gòu)（全數(shù)字流、集總式結(jié)構(gòu)）的電視監(jiān)控系統(tǒng)很少。另一種方式是在LAN的環(huán)境下，利用DVR、視頻網(wǎng)關(guān)或采用IP攝像機使圖像源數(shù)字化。通過網(wǎng)絡交換機來實現(xiàn)數(shù)字流的切換，這時系統(tǒng)的輸出可認為是B/S或C/S結(jié)構(gòu)中的客戶機，但這種切換不是建立實時的、直接的通道，是有延時的。這是一種分布式結(jié)構(gòu)（也有人稱為數(shù)�；旌戏绞剑�，
它的特點是：
1、數(shù)字視頻（圖像信息）在多次傳輸、記錄和處理過程中，不再降低圖質(zhì)量。同時，既能實現(xiàn)分布地存貯和本地控制，又能作到集中的圖像調(diào)用、記錄和統(tǒng)一地管理。圖像檢索方便，保密性強。
2、系統(tǒng)可以自主生成。便于與廣域網(wǎng)連接，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
3、系統(tǒng)的可擴展性和可升級性好�！　�
但它存在一些亟待提高的問題：主要是中心監(jiān)控室不能同時獲得系統(tǒng)全部的實時圖像。圖像質(zhì)量（分辨能力、連續(xù)性）還達不到模擬系統(tǒng)的水平。更重要的一點是，產(chǎn)品尚不完全成熟、接口關(guān)系不統(tǒng)一、還沒有形成基本的標準和統(tǒng)一、科學的評價方法。盡管如此，這種方式將是電視監(jiān)控系統(tǒng)從模擬向數(shù)字化過渡的最佳途徑。
　　 有些多輸出的數(shù)字視頻記錄設備稱自己為數(shù)字矩陣，它沒有在輸入和輸出信號之間建立一個傳輸通道，實質(zhì)上只是在并行地進行多路的圖像變換和編解碼處理，輸入和輸出之間的連接不是直接的（有變換），也不是實時的（有延遲）。而且輸入信號通常是模擬的視頻信號，輸出則可能是數(shù)字信號或模擬信號。
網(wǎng)絡是虛擬的矩陣　　
遠程監(jiān)控是電視監(jiān)控技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，特別是IPv6的出現(xiàn)為其展示了更加廣闊的前景。利用網(wǎng)絡環(huán)境構(gòu)成電視監(jiān)控系統(tǒng)，信源與信宿之間的信號切換（聯(lián)通）不能由單一的硬件（矩陣）來完成。其實由硬件（路由器、交換機、服務器）和軟件（協(xié)議）所構(gòu)成的網(wǎng)絡環(huán)境本身就是一個（IP地址之間的）大矩陣。在這個的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)成虛擬的電視監(jiān)控系統(tǒng)專網(wǎng)，這就產(chǎn)生了虛擬視頻矩陣的概念。所謂虛擬矩陣是以網(wǎng)絡為媒介，通過TCP/IP和流媒體技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字圖像信號在網(wǎng)上多路復用的傳輸（它的路由是不確定的）。由于電視監(jiān)控系統(tǒng)通常要設置一個中心室，要有一臺視頻網(wǎng)絡服務器來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)（前端設備及需要通過該中心共享系統(tǒng)資源的設備）的管理和控制，而且要有足夠數(shù)量的圖像顯示在中心室的電視墻上（由監(jiān)視器或顯示器組成），該服務器就有了類似于視頻矩陣實現(xiàn)輸入（圖像信號）至輸出（顯示或共享設備）的切換功能和系統(tǒng)的控制功能。所以，有時稱其為網(wǎng)絡矩陣（IP MATRIX）。
　　但是、有一個問題必須指出：系統(tǒng)中不被訪問的前端設備（IP），圖像信號是不被傳送的，由此帶來的延時對電視監(jiān)控的實時性要求可能是致命的。同時、由于數(shù)據(jù)率的限制，系統(tǒng)的圖像質(zhì)量（連續(xù)性、分辨率）也不高。IPv6可以實現(xiàn)永遠在線和提供更高的帶寬，為建立高質(zhì)量的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供了條件，特別是它具有無限的容量（無限的圖像源和無限的用戶）。網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展將促進IP攝像機的規(guī)格化和兼容性的實現(xiàn)�！　�
通過上面的論述，似乎可以對數(shù)字視頻矩陣提出一個概念性的定義；
1、 實現(xiàn)數(shù)字圖像信號的交換；
2、不同于模擬矩陣只是建立視頻信號的傳輸通道，不對視頻信號作任何處理。數(shù)字矩陣將對數(shù)字信號進行適當?shù)淖儞Q，其輸入信號與輸出信號的形態(tài)或格式可能會不同；
3、 系統(tǒng)應用于網(wǎng)絡環(huán)境；
4、 數(shù)字矩陣可能不是一個具體的硬設備，而是具有特定功能的系統(tǒng)。
VGA矩陣切換器
VGA矩陣切換器專門用于對計算機顯示器信號進行切換和分配，可將多路信號從輸入通道切換輸送到輸出通道中的任一通道上，并且輸出通道間彼此獨立。簡單的說，就是可以將進來 的多路輸入信號中的任意一個顯示到任意一個你指定的顯示器 “矩陣”本身是一個數(shù)學概念，它在電子行業(yè)里是一類電子產(chǎn)品的簡稱，它的全名叫做“矩陣切換器”。矩陣切換器中的“矩陣”兩字，是引用了高等數(shù)學線性代數(shù)中的矩陣概念。具體到矩陣切換器這個電子產(chǎn)品中，一般指在多路輸入的情況下有多路的輸出選擇，形成矩陣結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)和生活中，廣大勞動人民的智慧是強大的，因此它就被簡稱做了“矩陣”。總的來說，矩陣切換器是一類切換多路信號輸入輸出的設備。 通俗的講，矩陣切換器其實就是是將一路或多路音視頻信號分別傳輸給一個或者多個顯示設備，如：兩臺電腦主機要共用一個顯示器，矩陣切換器可以將兩臺電腦主機上的內(nèi)容任意切換到同一個或多個顯示器上。矩陣切換器，按信號源可以分為：VGA、 AV、DVI矩陣切換器等等。 目前，矩陣切換器主要應用是大屏幕拼接，視頻會議工程，音視頻工程、監(jiān)控等等需要用到多路音視頻信號交替使用的工程中。
矩陣的評價
　　 視頻（模擬）矩陣的評價方法已經(jīng)很完善，有明確的標準可依。數(shù)字視頻系統(tǒng)則不然。大多數(shù)產(chǎn)品還沒有技術(shù)標準，就連一些基本的參數(shù)也還存在不同的理解。本文主要是從模擬與數(shù)字視頻的差別，以及由此帶來的評價指標和方法不同來發(fā)表一些看法。
1、如上所述，視頻（模擬）矩陣就是一個傳輸通道，因此，可以把它作一個黑盒子，從視頻信號通過后的劣化程度來評價其性能（視頻通道的測試方法）。主要的指標有：　　
a. 帶寬、視頻矩陣最主要的指標、它影響圖像的分辨率。通常要求矩陣有超過8MHz的帶寬，并且有平坦的幅頻特性，以保證它有較小的相位失真�！　�
b. 信噪比，反映電子開關(guān)對輸入圖像信號信噪比的影響。通常選用一個S/N大于70db的視頻信號作輸入，測量輸出信號的S/N，就是矩陣的信噪比�！　�
c. 串擾、反映相鄰通道間視頻信號的互相干擾，它也表現(xiàn)為由于相鄰通道的串擾，致使測試通道的S/N的下降。因此，可能通過測量相鄰通道有無視頻信號通過時，測試通道S/N的變化來計算出矩陣的串擾值。　　
d. 圖像的主觀評價、對于模擬視頻系統(tǒng)，主觀測試是非常重要和有效的。不僅是因為它可以反映觀察者的感覺，還因為模擬視頻的主觀測試是與客觀測試的結(jié)果是直接相對應的。通過主觀測試可以對圖像的灰度、對比度，各種失真給出評價。
2、數(shù)字系統(tǒng)不能采用上述的評價方法，因為系統(tǒng)的輸入與輸出可能不同。測試結(jié)果與圖像效果也不對應，主要指標可以選擇以下幾個：　　
a. 圖像格式、數(shù)字系統(tǒng)的圖像格式和質(zhì)量等級是設定的，它基本上確定了圖像的分辨率和相關(guān)質(zhì)量，通常它并不受系統(tǒng)數(shù)據(jù)率（有時也稱帶寬）的限定，這是與模擬視頻不同的�！　�
b. 數(shù)據(jù)率、是系統(tǒng)總資源的表示，與模擬系統(tǒng)的帶寬相對應，但它限定圖像傳輸幀率，影響圖像的連續(xù)性。　　
c. 時延（響應時間）、系統(tǒng)輸出與輸入建立通信及顯示圖像與現(xiàn)場圖像的延時。這個指標對于模擬系統(tǒng)是沒有的，但對于數(shù)字系統(tǒng)，特別是網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)是很重要的，它影響系統(tǒng)的實時性�！　�
d. PSNR（峰值信噪比）、不同于模擬系統(tǒng)，它主要反映圖像在模/數(shù)轉(zhuǎn)換和壓縮編碼過程中，由于量化所引起的圖像平均能量的變化，來自外部的干擾對它的影響不大�！　�
e.圖像的主觀評價，數(shù)字系統(tǒng)的主觀測試與客觀測試不是相對應的，直接觀察的效果不能用于解釋客觀測試的結(jié)果。它主要是評價圖像在變換過程中（主要壓縮/解壓縮）出現(xiàn)的不良產(chǎn)物及其對圖像效果的影響，如像塊間的不平滑、運動目標的拖尾、亮、色分離等�！　�
總之數(shù)字視頻系統(tǒng)的評價方法尚不完善，許多概念和標準還在研究和討論之中。這些方法和標準統(tǒng)一、規(guī)范了，所謂數(shù)字視頻矩陣的評價也就規(guī)范了（模擬系統(tǒng)也是這樣）。