一種多視頻視頻監控系統的設計

1數字視頻監控系統視頻監控是在線實時視頻獲取的技術。隨著寬度信息網絡在社會生活和工作中的普及，視頻監控技術在教育、政府、娛樂、醫療、酒店、體育等領域得到了越來越多的應用，這已成為當前的熱點領域。早期的視頻監控主要基于模擬信號技術,典型的應用系統有閉路電視監控系統(CCTV)等,采用視頻電纜以模擬方式傳輸圖像信息,傳輸距離不能太遠,一般用于小范圍內的監控,監控圖像只能在控制中心監視器上查看視頻交換矩陣是數字視頻監控系統的核心單元之一,實現任意路視頻信號輸入到任意路數視頻信號輸出的切換,在安防系統中則起到多路音視頻輸入、少路音視頻輸出的重點監控作用。本文設計了一種非壓縮數字化視頻交換矩陣,適用于數字、模擬兩種類型視頻的交換,其功能模塊可以靈活地擴展配置,具有視頻質量高、輸入輸出容量大等突出優點。2非壓縮數字視頻傳輸交換模塊按實現視頻切換的不同方式,視頻交換矩陣分為模擬矩陣和數字矩陣。傳統的模擬矩陣在模擬視頻層進行信號切換,主要采用單片機或更復雜的芯片控制模擬開關,實現單路畫面上電視墻。數字矩陣則在數字視頻層進行視頻切換,其過程可以是同步的也可以是異步的。數字矩陣的核心是對數字視頻信號的處理和傳輸,系統中采用高速數字處理芯片,與前端輸入設備無縫結合成為一個整體,使得信號切換很平穩,避免出現模擬矩陣所具有的瞬間中斷信號、閃爍和雪花等現象。相比模擬矩陣監控顯示,數字化視頻交換矩陣的顯示靈活得多,在相同情況下所需監視器的數量也可大為減少。現有的數字矩陣通常對數字視頻信號處理采用了壓縮方式。國際上基于各種算法的數字視頻傳輸標準已有較多,如MPEG-2/MPEG-4或H.264等本文所設計的非壓縮數字視頻交換矩陣,視頻信號不經過壓縮直接送入矩陣進行處理,使得視頻信息不損失,保證清晰地還原模擬視頻信號,視頻信號質量甚至可以達到廣播質量要求,其原理可以用圖1表示。非壓縮數字視頻交換矩陣先對輸入的多路模擬視頻信號進行功率放大,以利于驅動后續的處理電路,之后,模擬視頻信號經數字化編碼轉換為數字信號。與此對應在視頻輸出端增加數模譯碼,將數字信號轉換為模擬信號輸出。經過這樣的處理,使得模擬視頻信號能夠以數字方式進行信號切換。數字矩陣的核心部分是數字視頻信號傳輸交換模塊,它代替了模擬矩陣中的模擬視頻切換開關。數字視頻信號傳輸交換模塊由高速數字視頻交換模塊、非壓縮數字視頻輸入和輸出總線等構成。非壓縮數字視頻輸入和輸出總線提供了全速率的數字視頻接口,不僅可以接收模擬視頻的數字化視頻編碼信號,也能夠用于直接接收非壓縮數字視頻信號。因此,該數字視頻交換矩陣具備處理模擬視頻和數字視頻的雙重功能。3視頻信號轉換芯片設計非壓縮數字視頻交換矩陣的實現框圖如圖2所示。視頻信號首先經過數字化處理,在ARM控制器和可編程邏輯控制器的共同工作下,由鍵盤選擇或PC機控制,可任意選擇120路輸入視頻信號中的任何40路視頻信號輸出。同時,系統留有擴展口,對于大于120路視頻輸入路數的視頻監控中心,可以使用無損級聯的方式進行擴容。在設計上支持模塊化和即插即用(PnP),可以隨時通過增加或減少模塊來增加或減少視頻信號輸入和輸出。設備主控芯片采用當今性價比最高的可編程邏輯器件和ARM控制器來設計,對設備中用量較多的視頻信號轉換芯片選擇通用的芯片,可降低設備的整機的成本。針對于高速數字視頻信號處理,在芯片選用上特別注重工作速度指標。并且,在設計時必須考慮數字信號對模擬信號的干擾問題,在布線時必須考慮高速信號對慢速信號的干擾問題。背板固定安裝在系統內部靠后擋板的位置,為各個槽位提供所需的走線連接,并起到一定的穩固插卡的作用。背板提供電源、管理、數據和預留等總線,如圖3所示。這樣設計的好處是成本低、板卡通用性好,缺點是對于高頻信號的阻抗匹配較難控制。背板留有40路視頻的BLVDS總線,采用FPGA直接提供BLVDS接口,并且每個BLVDS接口都是雙向的,設計簡潔。圖3中,每個輸入輸出卡的視頻輸入數和輸出數可以根據用戶需求靈活配置(硬件模塊化配置)。另外輸入輸出卡留有一個1.25G的光纖接口,用來進行容量擴展和監控中心之間的視頻資源聯網和調度。控制卡負責對整個設備運行狀態進行監測和控制。同時支持視頻控制鍵盤的連接;支持通過以太網的遠程監控。控制卡和各個輸入輸出卡之間采用非常可靠的CAN-BUS總線進行通信。各個板卡支持熱插拔。該數字視頻交換矩陣將模擬視頻信號處理和DVR整合到一臺監控主機里,可以實現任意畫面上電視墻,為單臺監視器提供單畫面、四畫面、十三畫面、十六畫面、畫中畫等多種顯示模式,輸出順序、轉換時間可以通過矩陣控制界面編程設置。具有鍵盤選配功能,以及提供對于云臺、塊球的鼠標單鍵控制功能。所有電路模塊采用了小型化、標準化結構,機架尺寸高度采用8U,寬度為19英寸,深度280毫米。這樣設計增強了設備安裝的通用性,可直接安裝到現有的機架上。交換矩陣的視頻指標如表1所示。4數字視頻系統的深度智能化給出了非壓縮數字視頻交換處理的實現方法,與普通的壓縮編碼數字視頻交換相比,具有不損失視頻信息、圖像質量高的優點。該交換矩陣的結構具有可擴展性和模塊化特點,應用靈活簡便。通過對于高速信號處理、數模兼容等關鍵環節的恰當設計,保證了系統的性能。得益于高速芯片等的硬件性能的不斷提高,必然使數字矩陣的功能不斷提升、不斷向高端發展。與此同時,隨著軟件技術發展,不斷有更復雜、更智能的圖像處理算法被提出和得到應用,比如智能的移動檢測、智能識別技術(人臉識別,指紋識別、車牌識別、簽名識別)目前都已經有了比較成熟的應用,這