矩陣科普之高清視頻矩陣的發展與分類

【中國數字視聽網訊】視頻矩陣經過近三十年的發展，經歷了不同的發展階段。首先是單機模擬時代，單機模擬矩陣分為輸入、輸出和控制三組模塊，通過電開關實現視頻從輸入通道到輸出通道切換。矩陣應用相對簡單，只是作為獨立系統的核心管理控制設備使用，但是其可擴充的積木式模塊化結構、支持任意拓撲結構的組網方式以及提供增值開發的友好界面都給視頻監控系統的快速發展提供了保障。到上世紀后期，隨著人們對監控系統要求的提高以及視頻監控在諸多領域的進一步普及，模擬矩陣有了飛速發展并基本完善，矩陣進入了模擬聯網時代。模擬矩陣的工作原理沒有改變，但是在容量、聯網性以及功能的擴展上有了很大提高。

2000年后隨著數字視頻壓縮技術的發展，數字化產品逐漸大量進入監控系統，網絡虛擬矩陣的全數字化矩陣的出現。以視頻壓縮模塊代替模擬矩陣中的視頻輸入模塊，以視頻解壓縮模塊代替模擬矩陣中的視頻輸出模塊，以網絡視頻服務器代替模擬矩陣主機，以基于TCP/IP協議的IP網代替模擬總線，以數字高速處理芯片代替模擬電開關，運用高速處理芯片的運算完成視頻從輸入到輸出的切換，大量用于數字網絡監控系統中。

近幾年高清視頻監控系統得到了快速發展，形成了720P、1080P為主的數字網絡高清攝像機產品線，而這類產品對網絡矩陣的切換提出了更高的要求，如高清數字解碼能力，高清解碼HDMI輸出接口能力，多畫面分割切換能力及其他拓展功能等等。從2010年開始，隨著諸多廠商加大對HD-SDI研發、宣傳、推廣力度，HD-SDI憑借著高清化、無延遲、同模擬監控系統一樣的布線方式等眾多優勢逐漸為市場廣大工程商、用戶所熟知，而HD-SDI高清數字矩陣作為HD-SDI高清視頻監控系統的核心也進入了大眾視野。

高清視頻矩陣

視頻監控系統發展經歷了從模擬到數字的不同時期，其視頻清晰度也隨著技術的日益成熟不斷提高。模擬攝像機的水平分辨率從380線發展到700線，數字攝像機像素從25萬發展到500萬。在網絡攝像機(IP Camera)則一般認為720P以上即可稱為高清攝像機，而HD-SDI技術應用于視頻監控領域，使得HD-SDI數字化攝像機與網絡攝像機一樣具有720P、1080P的高清晰度。高清數字攝像機在高清視頻監控領域正扮演著越來越重要的角色。而作為數字高清監控系統控制的核心矩陣也是眾多廠家研發制造的首選。

網絡數字矩陣在接口上拋棄了大量的模擬視頻輸入線纜，在核心技術上改用以太網包交換來代替模擬電路交換，所以在容量上，易用性，可擴展性上都有了質的提高。網絡數字視頻矩陣支持多種輸入信號，如D1、720P、1080P等，并兼容市面主流廠家的編碼設備、各類網絡攝像機產品。HD-SDI矩陣使用高帶寬工業總線作為交換總線，具備熱拔插擴展能力；總線帶寬是將是HD-SDI矩陣系統容量的唯一限制因素。普通工業總線PCIE、RapidIO等常見交換能力都達到40Gbps以上，可見HD-SDI矩陣系統容量幾乎是沒有上限的。接入時只需將所接入的信號轉成系統可識別的交換信號，就可認為系統是可以接入任何信號的，也可以任意級聯。HD-SDI視頻信號在多次傳輸和處理過程中，圖像質量并不會因此而降低。筆者將從下面簡單介紹兩中高清矩陣系統的優勢。

HD-SDI高清視頻矩陣

曾經一度網絡監控產品開始橫掃視頻監控市場時，許多傳統的工程商、用戶甚至連有些廠商都一致認為模擬矩陣在高清網絡化的趨勢下，將逐步淡出安防市場。然而隨著HD-SDI的概念引入到視頻監控系統中，部分廠商陸續推出HD-SDI攝像機產品，這猶如給矩陣市場帶來了一劑強心針。從2010年開始，隨著許多廠商加大對HD-SDI研發、宣傳、推廣力度，HD-SDI憑借著高清化的趨勢逐漸為市場廣大工程商、用戶所熟知。筆者從以下幾方面來探討HD-SDI視頻矩陣的技術功能特點。

首先HD-SDI矩陣系統均采用工業級ARM嵌入式控制系統，HD-SDI 串行數字信號碼率支持到1.5Gbps，符合SMPTE和ITU標準，支持高清1.5Gbps 碼率下，HD-TV 1080P/25Hz 、1080P/30Hz視頻信號切換，并且向下兼容標清信號143Mbps、177Mbps、270Mbps、360Mbps、540Mbps 等不同碼率的標清SDI串行數字視頻信號，和 DVB-ASI 信號的傳輸切換。單機的輸入輸出能力，目前主流廠商的產品做得128×128的切換模式，并能實現多級級聯控制。

其次接口方面，HD-SDI矩陣輸出支持SDI/DVI/HDMI多種高清接口混合輸出，便于SDI 高清視頻連接光端機傳輸，DVI/HDMI高清視頻連接大屏幕電視墻顯示等。輸入支持HD-SDI模擬復合視頻接入(BNC接口形式)。HD-SDI矩陣具有自動對輸入信號串行數字信號進行線纜均衡，有效的解決了數字視頻信號的傳輸問題。對于輸出串行數字信號進行時鐘恢復處理，延長信號的傳輸距離，減少傳輸過程中的數據丟失，并且保證圖像高品質的信號質量。HD-SDI矩陣支持外同步信號輸入，實現場逆程切換，可以保持切換瞬間畫面盡最大可能保持完整，切換時間更加快速。HD-SDI視頻矩陣在抗干擾方面加入了多層電路板保證信號極強的抗干擾性能，提供了信號通道間極佳的隔離度和極低的電磁輻射，保證了信號傳輸的質量。HD-SDI數字高清矩陣系統還配備了自動存儲信號切換狀態，當矩陣在運行過程中突然斷電后重啟，矩陣對應的每路輸入輸出狀態將保持記憶，與斷電前相同，沒有任何變化，不需要重新設置。

在接口方面設置了RS-232、RS-422、RS485等多中通信接口,方便與不同通信格式的控制設備連接。HD-SDI數字高清矩陣支持網絡TCP/IP 控制，支持WEB控制和客戶端軟件遠程網絡控制，多數廠家還提供SDK二次開發接口，接受第三方軟件管理和控制。HD-SDI高清矩陣一般均支持三級以上矩陣數字級聯及聯動控制。HD-SDI數字高清矩陣多數廠家開發了中文圖形化界面操作控制軟件，適用于Windows/XP/Vista操作系統，矩陣控制界面能同時顯示所有輸入輸出的對應狀態；可直接點擊切換；可對每路輸入輸出進行中文定義；可對任何路數進行預設，支持上百種以上的切換模式，支持狀態保存和智能切換、輪詢切換，支持網絡IP遠程控制切換；可直接在軟件上進行分層切換；軟件連接成功自動讀取矩陣設置，切換狀態跟隨其它控制設備實時變化。

網絡高清視頻矩陣

隨著高清網絡監控的推廣普及，實際應用對于視頻監控質量要求也不斷提高,對圖像要求更加清晰、準確。原有的模擬攝像機逐漸被數字攝像機所取代，監控高清標準也從掃描線升華成分辨率。高清網絡攝像機720P、1080P技術已經非常成熟，而作為網絡解碼輸出HDMI的高清數字矩陣在眾多項目中得到應用。筆者從以下幾點進行分析高清網絡矩陣功能特點：

首先筆者認為是高清網絡數字矩陣最重要的是單機的處理能力。可以接入的高清網絡攝像機的路數是否有限制，同時最大支持的解碼能力，如目前市面上的網絡高清視頻矩陣支持同時24路高清解碼，36路高清解碼等。單機輸出接口多少及畫面分割功能，市面上的高清數字矩陣一般能實現單屏、三屏、四屏、六屏、八屏的高清HDMI接口輸出能力，不同解碼能力的矩陣實現單屏1、4、9畫面分割顯示，可實現48入24出或32入16出電視墻輪巡切換顯示，每畫面均支持720P、1080P的高清顯示。不同的處理能力所應用的領域和要求也有所不同。

其次高清網絡矩陣對編碼設備的兼容性已經拓展功能，大多數廠家的網絡高清數字矩陣均不同程度的兼容國內主流廠家百萬像素網絡攝像機，高清網絡編碼器等設備。一些廠家還做了部分拓展功能，如在網絡高清視頻矩陣的基礎上實現單機視頻集中錄像存儲主，解碼切換輸出流媒體一對多轉發拼接控制等電視墻集中控制功能，這一功能使得高清管理配置更加簡單靈活，特別對于中小系統更加便捷。高清網絡矩陣單機存儲一般都具有RAID陣列功能，存儲管理方式如按盤輪巡，按盤符格式化，重疊前后文件接口等先進的策略。在高清網絡矩陣的接口方面采用標準的TCP/IP輸入及輸出，多數廠家采用一個或雙1000M/10G網口，通過普通1000M交換機進行多機聯網全交叉矩陣切換，實現多屏組合等超大型聯網監控系統切換控制功能，不僅可實現所有高清視頻的同時輸出，而且可進行靈活的矩陣切換控制。通過IP進行多級高清網絡矩陣聯網，可以實現異地遠程高清矩陣級聯控制，遠程切換等基于IP網絡的功能。

結語

隨著十二安防行業的規劃發展，視頻監控系統也逐漸由模擬轉入了數字高清時代，數字高清攝像機的應用范圍將越來越廣，數字高清矩陣在高清視頻監控系統的地位將進一步凸顯。筆者相信通過各大媒體、廠商的大力宣傳，工程商和用戶方對數字高清矩陣將越來越親睞，勢必會應用到社會安全的各行各業。

（編輯：石頭）