监控领域视频发展轨迹(三)

第三篇 更新换代

――全数字化以及传输和管理的统一

    随着数字技术的发展，监控领域的视频技术也进入了数字化阶段，这使得传统监控系统中的传输和管理两大系统实现了统一。不过此时，视频数字化技术却向两个截然不同的方向发展了。

    视频实现数字化，首先出现的是压缩数字视频技术，它将视频业务置于IP网络基础上，所以我们也将其称为IP数字视频技术。但基于IP网络的带宽限制，我们必须将数字视频进行压缩处理，即以牺牲图像质量（延时、误码、丢帧等）来完成视频的数字化。

    然而近两年宽带非压缩数字视频技术的进步，使得我们可以将视频业务置于光纤网络上，基于光纤网络的超高带宽，我们无需对视频做压缩处理了。

    下面我们就来视频数字化的两个方向来做分析：

    一、压缩数字视频技术

    2000年后，随着数字视频压缩技术的发展，数字产品逐渐大量进入监控系统，针对上述模拟矩阵系统的诸多问题，人们提出了网络虚拟矩阵的全数字化矩阵概念。

    网络虚拟矩阵和传统模拟矩阵不同，它以视频压缩模块（或视频编码软件）代替模拟矩阵中的视频输入模块，以视频解压缩模块（或视频解码软件）代替模拟矩阵中的视频输出模块，以网络视频服务器代替模拟矩阵主机，以基于TCP/IP协议的IP网代替模拟总线（或模拟视频总线结合IP控制总线），以数字高速处理芯片代替模拟电开关，运用高速处理芯片的运算完成视频从输入到输出的切换。

    网络虚拟矩阵则是以IP网为媒质，基于TCP/IP协议，通过网络视频服务器完成视频的调度。我们可以将整个IP视频专网看作是一个巨大的矩阵交换系统，其基本硬件则是由视频编码设备、视频解码设备以及网络交换机、路由器组成。另外视频编码、解码过程也可以由软件来完成，所以网络虚拟矩阵可能并不是一个具体的硬件设备，而只是一个具有特定功能的系统。

    网络虚拟矩阵以BOCOM系统为例，如图：

网络虚拟矩阵的问题

    网络虚拟矩阵做为一种数字矩阵技术，充分发挥了数字技术的优势，在很多方面解决了模拟矩阵技术无法解决的难题，如视频的无损交换、复制与存储，支持任意网络拓扑结构等等，但是这种数字矩阵技术远非完善：

　　首先，网络虚拟矩阵技术是基于IP网的，限于网络带宽的限制，必须在模拟视频数字化的过程中对视频信号进行数字压缩。视频数字压缩技术的产生，主要基于视频应用需求与下列条件的限制。首先来自节省存储空间的要求，其次是数字传输系统带宽的限制。也可以说，选用视频数字压缩技术，通常是在外在条件的限制下不得已而为之的手段。

　　其次，这种数字矩阵技术都是基于压缩视频，而目前的压缩算法基本上基于DCT的技术，无论是MPEG-2还是MPEG-4等，都还没有根本性的进展，当网络带宽得不到保证时不可避免的会产生马赛克等问题。其在图像质量、延时、带宽占用等各方面都还需要进一步改进。

　　另外，这种数字矩阵技术还需要考虑IP网本身的问题。因为现用的IPV4网络技术20世纪70年代设计的，无论从计算机本身的发展还是从因特网规模和网络传输速率以及32bit地址来看，IPV4都已经很不适用了。并且IPV4在设计之初也没有考虑到视频业务，视频基于IP传输并没有对视频做额外的处理，仅仅只是将视频流打包成IP包，由网络设备（交换机、路由器等）对承载视频的IP包进行数据交换。例如IP网的传输采用的是TCP/IP协议，TCP协议具有差错控制重传机制，即数据包发送后在指定的时间内没有收到确认信息，认为数据丢失了，需要重传数据包。可以看出TCP协议针对的是非实时业务的数据，保证数据的正确性，而对于实时业务的数据如视频、音频显然是不适用的。当前IP网上传输视频、音频采用的基本上是UDP协议，是一种面向无连接的协议，采用大块数据报形式连续发送数据而不必等待确认信息，非常适合视频、音频在IP网络上传输。但是正是由于他的无连接性，数据报在传输过程中丢失了，导致接收端接收的信息不完整，比如视频就会出现跳帧、丢帧甚至是黑屏。而且当网络比较拥挤时，数据报不能按时到达，会出现视频画面的停滞等现象。有些网络虚拟矩阵在UDP的基础上采用了RTP/RTCP协议，他是一种带宽资源预留协商协议，目的是让网络为其保证一定的带宽，或者侦测网络带宽使用情况而相应的降低码流，保证数据的实时性而损失视频质量。而预留带宽需要网络上的所有设备都具备此项功能，这是很难做到的。综上所述，可以看到网络虚拟矩阵的性能完全依赖于IP网络，而IP网络本身由于根本不是为像视频、音频这样的实时业务传输设计的，导致了在实际应用中许多不尽人意的地方，包括图像的质量、实时性、延迟抖动等，这些问题是网络虚拟矩阵本身无法解决的。

　　所以网络虚拟矩阵的突破必须期待下一代允许对网络资源进行预分配，支持实时图像并保证一定的带宽和延时的以IPV6为代表的新型网络技术的应用。

    二、非压缩数字视频技术

    从2001年起，市场对数字光传输系统带宽的要求越来越高，产品应用领域越来越宽，宽带数字光传输器件以及高速数字总线技术也得到了日新月异突飞猛进的发展。一种新的数字化视频传输交换系统走上舞台。这种技术是将模拟视频进行数字化编码，但不做压缩，数字化后的视频信号则可通过系统的数字背板总线进行交换、复制等处理。由于数字视频信号并未经过压缩处理，所占用带宽很大，如8bit编码的数字视频就达到120M左右，因此这种系统和系统间的信号传输就不可能通过百兆、千兆这种IP网进行。而光纤传输则具有超大的传输容量，所以非压缩数字视频和光纤传输就很好的结合起来。

    2004年博康公司就根据非压缩数字视频的传输与交换原理，推出了全新概念的BVx数字视频网络交换平台，也称为交换式光纤数字矩阵，与传统的视频传输系统和视频交换系统相比，在技术上是一个质的飞跃，就像当初数字程控交换机的出现是电话交换机发展的一个里程碑一样，BVx是一次矩阵技术的革命。

    博康公司的交换式光纤数字矩阵BVx系统颠覆了传统意义上的矩阵概念，正如程控数字电话交换机的出现给传统的电话交换机带来了巨大的变革和发展一样，BVx系统从根本上解决了传统的矩阵系统在大型视频联网中所固有的弊端：从前端的视频数字化接入开始，通过光纤传输至监控中心，无论经过多少级视频联网的传输、切换，全部是数字化处理视频，只有在显示的时候进行数模转换，避免了传统模式下光端机―矩阵―光端机―矩阵等模拟转数字/数字转模拟的频繁转换，保证视频的多级无损传输与交换。将视频的光纤传输与矩阵的切换融为一体，尤其是引入了数字背板交换总线的设计理念，无论多少级的视频联网结构，只进行一次模数/数模转换，从而保证视频的高画质。

    值得注意的是，目前市面上有些厂家简单将数字光端机和矩阵系统组合在一起，即将光端机的接收端置于矩阵内，以实现矩阵的光、电两种接入方式，但从光端机接收端出来并输入至切换系统的依然是模拟视频信号，其矩阵的交换还是通过模拟电开关来实现的。这并不是真正意义上的非压缩数字矩阵。

    此外，BVx系统不仅仅是功能强大的、具有数字背板交换总线功能的交换式数字视频矩阵解决方案，更是一种高效的、灵活的用以传输视频、音频、以太网数据、低速数据及开关量信号的基于视频的多媒体业务的传输解决方案。系统结构如下图：

    BVx系统在逻辑上分为：前端多业务接入、中心汇聚交换和管理应用三层结构分别完成前端视频、音频、数据等多业务的接入并数字化；多业务的传输、路由与交换以及上层的应用系统如：网管系统。这种三层结构体系的设计理念保证了BVx系统应用的高效性、灵活性、可伸缩性，使得BVx系统不仅可以用于新建的系统中，为用户提供一个高效的数字视频网络交换平台，而且也可用于改造的系统中，与原有系统无缝结合以提高系统的整体性能。

    首先我们来看BVx矩阵的前端多业务接入设备Vbox。

    Vbox是分布于前端监控点用于接入前端的多种业务诸如：视频、音频、低速数据、以太网数据、电话等。对每种业务均集成了多个接口，极大的保证了业务的接入能力，根据接入能力的带宽，Vbox分为：Vbox200系列、Vbox1400系列和Vbox2800系列三大系列，不仅能够实现传统的点对点星型接入方式，而且可以通过单纤实现总线链路、环网（自愈）等多种拓扑结构的接入方式，最大限度的优化用户的接入模式。

    Vbox采用先进的高速分插复用技术实现在拓扑网络上的交换功能，即网络拓扑中的所有通过Vbox接入的视频及其他业务均可以在光纤上完成切换并传输至监控中心，通过中心设备的背板交换总线完成视频及多业务的交换。这种性能可以突破光纤传输带宽的瓶颈，对Vbox在组网时接入的视频数量将不受限制。同时，Vbox不仅支持网管系统，使其具备自发现功能、自动拓扑功能及即插即用（PnP），而且在不同的组网模式下都可以实现视频等多业务的交换功能，使得BVx系统在业务的接入层面上具有良好的灵活性、智能性、扩展性。

    BVx矩阵的中心汇聚交换设备Vmux。

    Vmux分布于不同级别的监控中心，提