視頻矩陣在安防領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)有產(chǎn)品中，絕大多數(shù)都是傳統(tǒng)的模擬視頻矩陣。隨著近年來數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展，軟硬件水平的提高，不斷有高性能的DSP和更高速的總線得到應(yīng)用，使基于數(shù)字技術(shù)的視頻矩陣方案能夠得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，得益于數(shù)字視頻處理技術(shù)的強(qiáng)大功能，數(shù)字視頻矩陣的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，我們有理由相信，數(shù)字視頻矩陣將成為安防業(yè)中新興的一個(gè)熱點(diǎn)，也將是視頻矩陣以后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

一、視頻矩陣的基本概念
1．視頻矩陣的基本功能和要求
    作為視頻矩陣，最重要的一個(gè)功能就是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入視頻圖像的切換輸出。準(zhǔn)確概括那就是：將視頻圖像從任意一個(gè)輸入通道切換到任意一個(gè)輸出通道顯示。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。這里需要強(qiáng)調(diào)的是必須要做到任意，即任意的一個(gè)輸入和任意的一個(gè)輸出。

    另外，一個(gè)矩陣系統(tǒng)通常還應(yīng)該包括以下基本功能：字符信號(hào)疊加；解碼器接口以控制云臺(tái)和攝像機(jī)；報(bào)警器接口；控制主機(jī)，以及音頻控制箱、報(bào)警接口箱、控制鍵盤等附件。對(duì)國內(nèi)用戶來說，字符疊加應(yīng)為全中文，以方便不懂英文的操作人員使用，矩陣系統(tǒng)還需要支持級(jí)聯(lián)，來實(shí)現(xiàn)更高的容量，為了適應(yīng)不同用戶對(duì)矩陣系統(tǒng)容量的要求，矩陣系統(tǒng)應(yīng)該支持模塊化和即插即用（PnP）的，可以通過增加或減少視頻輸入、輸出卡來實(shí)現(xiàn)不同容量的組合。

    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(tái)矩陣系統(tǒng)級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。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。

2．視頻矩陣的分類
    按實(shí)現(xiàn)視頻切換的不同方式，視頻矩陣分為模擬矩陣和數(shù)字矩陣。

模擬矩陣
    視頻切換在模擬視頻層完成。信號(hào)切換主要是采用單片機(jī)或更復(fù)雜的芯片控制模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)。[nextpage]

數(shù)字矩陣
    視頻切換在數(shù)字視頻層完成，這個(gè)過程可以是同步的也可以是異步的。數(shù)字矩陣的核心是對(duì)數(shù)字視頻的處理，需要在視頻輸入端增加AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，在視頻輸出端增加DA轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。視頻切換的核心部分由模擬矩陣的模擬開關(guān)，變將成了對(duì)數(shù)字視頻的處理和傳輸。

二、數(shù)字視頻矩陣簡介
    根據(jù)數(shù)字視頻矩陣的實(shí)現(xiàn)方式不同，數(shù)字視頻矩陣可以分為總線型和包交換型。

總線型數(shù)字視頻矩陣
    顧名思義，總線型數(shù)字矩陣就是數(shù)據(jù)的傳輸和切換是通過一條共用的總線來實(shí)現(xiàn)的，例如PCI總線。

    總線型矩陣中最常見的就是PC－DVR和嵌入式DVR。對(duì)于PC－DVR來說，它的視頻輸出是VGA，通過PC顯卡來完成圖像顯示，通常只有1路輸出（1塊顯卡），2路輸出的情況（2塊顯卡）已經(jīng)很少；嵌入式DVR一般的視頻輸出是監(jiān)視器，一些新的嵌入式DVR也可以支持VGA顯示。在上面的兩個(gè)例子中，它們都可以實(shí)現(xiàn)1路視頻輸出（還可以進(jìn)行畫面分割），可以把這兩款產(chǎn)品當(dāng)作視頻矩陣的一個(gè)特例，也就是一個(gè)只有1路視頻輸出的特殊情況。

包交換型數(shù)字視頻矩陣
    包交換型矩陣是通過包交換的方式(通常是IP包)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳輸和切換。包交換型矩陣目前已經(jīng)比較普及，比如已經(jīng)廣泛應(yīng)用的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，即在本地錄像端把圖像壓縮，然后把壓縮的碼流通過網(wǎng)絡(luò)（可以是高速的專網(wǎng)、internet、局域網(wǎng)等）發(fā)送到遠(yuǎn)端，在遠(yuǎn)端解碼后，顯示在大屏幕上。包交換型數(shù)字矩陣目前有兩個(gè)比較大的局限性：延時(shí)大、圖像質(zhì)量差。由于要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此不可避免的會(huì)帶來延時(shí)，同時(shí)為了減少對(duì)帶寬的占用，往往都需要在發(fā)送端對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，然后在接收端實(shí)行解壓縮，經(jīng)過有損壓縮過的圖像很難保證較好的圖像質(zhì)量，同時(shí)編、解碼過程還會(huì)增大延時(shí)。所以目前包交換型矩陣還無法適用于對(duì)實(shí)時(shí)性和圖像質(zhì)量要求比較高的場合。

[nextpage] 三、數(shù)字視頻矩陣優(yōu)勢(shì)分析
    數(shù)字視頻矩陣的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1．成本優(yōu)勢(shì)：實(shí)現(xiàn)了視頻矩陣和DVR合二為一
    采用數(shù)字視頻矩陣方案，只需一臺(tái)設(shè)備就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)視頻矩陣和DVR的功能，大大的節(jié)省了成本。對(duì)矩陣的控制和DVR的控制集成在一起，方便靈活。如果采用模擬矩陣，至少需要一臺(tái)矩陣主機(jī)和一臺(tái)DVR主機(jī)，安裝調(diào)試復(fù)雜，除了DVR的成本外，還要為模擬矩陣付出高額的成本。此外，對(duì)于模擬矩陣的控制，可能還需要外接其他設(shè)備，比如顯示設(shè)備、矩陣控制器，矩陣控制鍵盤等，有些復(fù)雜的功能甚至需要專門的PC機(jī)來進(jìn)行配置。模擬矩陣的方案還需要視頻信號(hào)的分配、復(fù)用設(shè)備來實(shí)現(xiàn)DVR的錄像功能，而采用數(shù)字矩陣，則只需在DVR的基礎(chǔ)之上，增加簡單的矩陣模塊即可，成本相對(duì)低廉，且數(shù)字矩陣、錄像系統(tǒng)的集成度高，穩(wěn)定性增強(qiáng)，也降低了以后維護(hù)的成本。

2．功能優(yōu)勢(shì)：配置靈活，功能強(qiáng)大，簡單易用
    在模擬矩陣＋DVR方案中，矩陣和DVR各自為政，需要分別控制，模擬矩陣提供的操作方式復(fù)雜，易操作性很差，且功能單一，如果要實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能，需要很繁瑣的操作流程；而采用數(shù)字矩陣，通過一個(gè)控制平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)切換矩陣和DVR的同時(shí)控制，操作界面可由二次開發(fā)商在Windows或Linux下自由開發(fā)，可以根據(jù)自己客戶的需求定制應(yīng)用程序，定制各種功能，所構(gòu)建的系統(tǒng)，完全取決于開發(fā)商自己的軟件。

    在數(shù)字矩陣中，基于對(duì)圖像的數(shù)字處理：可以在實(shí)現(xiàn)視頻切換的同時(shí)，對(duì)圖像進(jìn)行很多處理，比如疊加字符、疊加圖像，區(qū)域遮蓋等，這些都是目前DVR所普遍具有的功能，但是對(duì)于模擬矩陣，由于它的核心是基于模擬信號(hào)的處理，在面對(duì)這些功能時(shí)，則顯得力不從心。這里以字符疊加功能為例，模擬矩陣往往需要外接字符疊加芯片來實(shí)現(xiàn)，通常只能實(shí)現(xiàn)ASCII碼也就是英文字符的疊加，而能夠?qū)崿F(xiàn)漢字疊加的模擬則可以說是寥寥無幾，更不用說同時(shí)支持簡體、繁體，甚至日文了。至于圖像疊加等功能，在模擬信號(hào)層基本是無法實(shí)現(xiàn)的。

    數(shù)字矩陣可以提供更豐富的圖像顯示模式。傳統(tǒng)的模擬矩陣只能進(jìn)行最簡單的1:1的圖像輸出；而數(shù)字矩陣在此基礎(chǔ)上還可以實(shí)現(xiàn)N→1(通過對(duì)圖像的縮放處理，可以實(shí)現(xiàn)多路圖像在一個(gè)窗口顯示)和1→N(一個(gè)輸入圖像同時(shí)在多個(gè)輸出端顯示)的顯示方式，甚至是畫中畫等高級(jí)功能。

    3．系統(tǒng)穩(wěn)定性，數(shù)字矩陣＋DVR的方案，系統(tǒng)集成度高、功耗低，穩(wěn)定性高；而采用模擬矩陣方案，由于需要多臺(tái)設(shè)備，出問題的概率則大大增加。

4．潛力：發(fā)展空間巨大
    模擬矩陣控制系統(tǒng)目前已經(jīng)非常成熟，其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能在近幾年，甚至是十幾年內(nèi)，都沒有發(fā)生大的變化，可挖掘的潛力已經(jīng)十分有限。

    而數(shù)字矩陣則完全不同，目前數(shù)字技術(shù)的發(fā)展可以用日新月異、前途廣闊來形容。首先，隨著硬件性能的提高，在高速總線方面：66M的PCI總線已經(jīng)很成熟和普及，比如PCI－E或其它的高速串行總線也不斷的提出；在芯片技術(shù)上：已經(jīng)出現(xiàn)了600M、720M甚至是1GHz的高性能DSP，可以說，得益于硬件平臺(tái)性能的不斷提高，必然使數(shù)字矩陣的功能不斷的提升，不斷的向高端發(fā)展。與此同時(shí)，軟件的進(jìn)步同樣不可忽略，不斷有新圖像的壓縮、處理算法提出，圖像壓縮的效率不斷提高，也不斷有更復(fù)雜、更智能的圖像處理算法得到應(yīng)用，比如智能的移動(dòng)檢測(cè)、智能識(shí)別技術(shù)（人臉識(shí)別，指紋識(shí)別、車牌識(shí)別、簽名識(shí)別）目前都已經(jīng)有了比較成熟的應(yīng)用，這些更高層次的圖像處理技術(shù)，利用目前硬件平臺(tái)，已經(jīng)可以應(yīng)用到我們的數(shù)字視頻系統(tǒng)中。因此隨著軟、硬件水平的的飛速提高，我們有理由相信，數(shù)字矩陣的發(fā)展空間會(huì)非常廣，無論是在性能上還是在功能上必然會(huì)全面超過模擬矩陣。

5．二次開發(fā)簡單、便捷
    和以前的H卡和D卡分別使用各自的SDK不同，新的SDK將同時(shí)支持H卡、HC卡和MD卡。只需通過一個(gè)SDK即可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)編碼、解碼、和矩陣控制，新的SDK中編碼、解碼部分和原有SDK中的編碼、解碼部分兼容，用戶只需增加矩陣控制部分即可，極大的降低了用戶進(jìn)行二次開發(fā)的復(fù)雜性。同時(shí)：H卡、HC卡和MD卡可以混插，便于對(duì)現(xiàn)有的工程進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)展。 [nextpage]

四、矩陣產(chǎn)品功能描述
    矩陣切換控制系統(tǒng)是集模擬和數(shù)字視音頻信號(hào)切換，視頻圖像智能分析，視頻信號(hào)編解碼，視頻壓縮數(shù)據(jù)集中管理存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)預(yù)覽，多種外設(shè)控制于一體的控制系統(tǒng)，該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：
?采用PCI-ExpressSwitch交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速的、大容量的視頻交換背板設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化任意輸入數(shù)字信號(hào)經(jīng)過高速背板切換到任意輸出的矩陣功能；
?刀片式數(shù)字矩陣板，支持64×16；128×32；256×64；512×128下數(shù)字視頻全交叉切換；
?采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同型號(hào)的交換矩陣通過更換或增加數(shù)字矩陣板實(shí)現(xiàn)；
?同時(shí)支持?jǐn)?shù)字矩陣交換和網(wǎng)絡(luò)IP矩陣交換，支持多種模擬輸入、數(shù)字等壓縮、非壓縮高清視頻信號(hào)輸入和多種模擬、數(shù)字壓縮、非壓縮信號(hào)的輸出轉(zhuǎn)換，并可輸出到模擬和數(shù)字顯示設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全高清、全數(shù)字化的矩陣；
?采用雙電源提供冗余切換后備保護(hù)；
?支持視頻行為智能分析功能；
?支持視頻圖像編解碼，網(wǎng)絡(luò)視頻收發(fā)服務(wù)，視頻數(shù)據(jù)記錄和回放功能；
?內(nèi)置多個(gè)千兆網(wǎng)絡(luò)接口，用于視頻壓縮圖像、IPC的接收和發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，提供網(wǎng)絡(luò)收發(fā)控制板，方便網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)口數(shù)的擴(kuò)容。

視頻矩陣系統(tǒng)示意圖
    整個(gè)系統(tǒng)以高速PCIExperssSwitch和Ethernetswitch雙交換結(jié)構(gòu)作為矩陣交換背板，采用插拔式模塊化設(shè)計(jì)，包括中央主處理器模塊、視頻信號(hào)輸入模塊、視頻信號(hào)輸出模塊、電源模塊、視頻編解碼模塊，視頻圖像智能行為分析模塊、風(fēng)扇控制模塊、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)協(xié)處理模塊，視頻數(shù)據(jù)記錄協(xié)處理模塊。（本文由海康威視 王玉夫提供）