部署大規(guī)模視頻綜合管理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)闊步向海量資源分布和社會化應(yīng)用的方向推進，IP化、高清化、智能化的技術(shù)發(fā)展趨勢讓視頻監(jiān)控行業(yè)進入到一個全新的轉(zhuǎn)型時期。在傳統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)實施大規(guī)模改造升級的過程中，在新建視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計選型的過程中，用戶不僅對圖像的清晰度、實時性、可靠性和易用性提出了日益苛刻的要求，更對設(shè)備制造商和系統(tǒng)集成商提出了節(jié)能、高效、環(huán)保的系統(tǒng)綜合考量要求。如果給出具有相同特性和價格的兩種產(chǎn)品，用戶肯定選擇耗能最低的產(chǎn)品，目的在于實現(xiàn)綠色環(huán)保。

一個完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括前端采集、中間傳輸、后端顯示管理和存儲等主要環(huán)節(jié)，負責(zé)后端顯示管理的設(shè)備是整套系統(tǒng)的核心控制中樞。不論是一個節(jié)點形成的單系統(tǒng)，還是多個節(jié)點組成的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，不論是模擬視頻接入、數(shù)字視頻接入還是模數(shù)混合接入，只有通過后端顯示管理設(shè)備，才能對分散部署的圖像資源進行匯聚處理，并形成人機接口。這種視頻綜合集中控制的核心作用使其成為每個系統(tǒng)中不可或缺的靈魂，由于這種系統(tǒng)架構(gòu)的繁復(fù)多變，特別是需要解決模擬視頻與數(shù)字視頻綜合接入的問題，具體構(gòu)成也最為豐富，涉及到接收光端機、網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器、矩陣切換控制器、硬盤錄像機、管理服務(wù)器、磁盤陣列等設(shè)備。由于負責(zé)前端采集的攝像機/和負責(zé)中間傳輸?shù)木€纜光纖的能量損耗相對較低，所以降低功耗、提高能效、壓縮綜合成本的提升目標就放在了后端顯示管理環(huán)節(jié)，這類設(shè)備普遍存在幾類問題：

1、低集成度，部署麻煩

目前市場現(xiàn)存比例較大的模擬視頻接入系統(tǒng)中，后端顯示管理設(shè)備大多配置了矩陣用于對全部視頻的整體快速瀏覽、實時非壓縮顯示和即時控制。1個256路輸入32路輸出的矩陣，大多要配置2個以上的大型插卡式機箱，而且還要外置CPU控制器和碼分配器等，不包括硬盤錄像機/視頻分配器等就已占用將近1個標準機柜的空間。超過單一機箱的視頻容量，就需要不同機箱之間的多個CPU單元之間的協(xié)同工作，以及在多個機箱之間的連接大量視頻線纜，容易引入信號干擾和不穩(wěn)定因素。如果采用嵌入式DVR錄像加數(shù)字解碼矩陣，或者網(wǎng)絡(luò)視頻編解碼器的方案，則需要配置大量的網(wǎng)絡(luò)資源，系統(tǒng)的可靠性/穩(wěn)定性易受影響，運營維護的成本較高。

2、擴容受限，演進困難

目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，模擬標清CVBS、模擬高清SDI、數(shù)字標清D1、數(shù)字高清720P等各類視頻格式的多樣化，給用戶帶來系統(tǒng)演進的不確定性和較高的設(shè)備升級成本。除了模擬視頻的兩類信號屬于國際通用標準，可以直接使用轉(zhuǎn)換外，數(shù)字視頻信號目前是每個廠家都有自己的壓縮算法和標準，很難互相兼容，造成設(shè)備替換廢棄，占用存儲空間且污染環(huán)境。即便是負責(zé)視頻切換控制的模擬矩陣，也存在結(jié)構(gòu)設(shè)計的局限性，比如每種功能板卡只能安插在背板上的固定插槽，無法靈活組合，而且除了視頻輸入輸出模塊可以擴展，無法為系統(tǒng)擴充增加新的功能單元。

3、高功耗，高排放

過去，與大多數(shù)其他變量(速度/性能、造價成本、上市時間、系統(tǒng)風(fēng)險)相比，功耗往往被排在較低的優(yōu)先級。然而在如今的市場，在設(shè)計的決策過程中，功耗已經(jīng)成為一個非常重要的組成部分。比如，在每年為各類監(jiān)控中心支出的數(shù)億元電費中，25%的費用是直接歸因于系統(tǒng)中的大型設(shè)備和各類服務(wù)器供電，而50%的費用用于為冷卻系統(tǒng)和風(fēng)扇等供電，以消除運行設(shè)備而產(chǎn)生的熱量。此外，即便一個小型監(jiān)控中心每年也會因為設(shè)備運行而排放20噸二氧化碳。

視頻綜合集控系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗高能效的原則

1、高密度緊湊設(shè)計

縮減控制管理設(shè)備的組成數(shù)量和體積，不但可以減少系統(tǒng)功耗，而且還能壓縮占地空間。比如硬盤錄像機從早期的工控式DVR到后來的嵌入式DVR，從安裝壓縮卡到16路CIF乃至目前的16路D1;比如硬盤容量從三年前的80G到目前1T成為主流;比如矩陣切換控制器，從早期的單機箱192入16出到目前業(yè)內(nèi)主流的單機箱256入64出，以及針對車載/會議室應(yīng)用推出的1U機箱32入16出的業(yè)內(nèi)最緊湊小系統(tǒng);比如光端機從點對點傳輸?shù)絾卫w傳16路，以及節(jié)點式/匯聚式光系統(tǒng)。

高密度緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計使得相同空間容納更多視頻接入、相同功耗提供更優(yōu)圖像畫質(zhì)、相同視頻指標占用更小帶寬資源和磁盤容量、相同系統(tǒng)設(shè)備花費更少造價成本。比如，一臺256入64出的大型智能網(wǎng)絡(luò)矩陣，視頻輸入輸出單模塊重量不超過1kg，矩陣滿配置重量不超過25kg，整機滿負荷耗僅90w，相比上一代模擬矩陣，重量減少70%，功耗減少85%。此外，由于CPU單元/碼分配器/電源模塊等全部內(nèi)置，減少了配套設(shè)備的供電需求，高整合度、高集成度也大幅提高了系統(tǒng)安裝部署的速度，無需考慮多機箱、多設(shè)備間的相互連接和反復(fù)設(shè)置。高密度的7U機架式機箱降低對機房/機柜的空間要求，節(jié)省了用戶資源(圖1所示)。



2、模塊化結(jié)構(gòu)配置，靈活擴容

視頻監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)不同的客戶需求以及技術(shù)實現(xiàn)方式，分為多個功能模塊，包括：音視頻切換、前端云鏡控制、報警采集聯(lián)動、數(shù)字錄像存儲、網(wǎng)絡(luò)遠程傳輸和數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)等等。每個功能模塊經(jīng)過多年演變發(fā)展，已經(jīng)成為各自獨立的行業(yè)和產(chǎn)品線。每種設(shè)備實現(xiàn)不同的功能，起到不同的作用，滿足用戶相對獨立的需求，因此設(shè)計成不同的功能板卡和硬件結(jié)構(gòu)，機箱的大小規(guī)格和外觀工藝也各不相同。但是在全方位競爭日益激烈的大環(huán)境和專注行業(yè)化解決方案的大趨勢下，必須考慮如何整合多個不同類別的產(chǎn)品，為用戶提供高集成度、使用便捷、運維高效的一體化產(chǎn)品、系統(tǒng);以及為應(yīng)對價格競爭，必須實現(xiàn)成本壓縮和質(zhì)量控制的產(chǎn)業(yè)化要求。即便是同一公司的產(chǎn)品也面臨著產(chǎn)品種類多產(chǎn)量少、硬件結(jié)構(gòu)各不相同、板卡機箱不通用、無法保證檢驗標準的低效率問題。而模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計已成為最有效的解決手段。

以當(dāng)前比較先進的MSIP通用化模塊結(jié)構(gòu)技術(shù)為例，其核心設(shè)計思想是將視頻輸入輸出、音頻輸入輸出、中文字符疊加、全交叉切換管理、光接收發(fā)射、報警輸入輸出、網(wǎng)絡(luò)視頻編解碼等各功能模塊按照標準協(xié)議統(tǒng)一硬件接口和底層協(xié)議棧，通過標準機架式機箱的內(nèi)嵌式導(dǎo)軌卡槽組裝到通用高速總線背板上。各種功能模塊根據(jù)統(tǒng)一的標準屬性類別編碼，能夠依照實際需求靈活搭配，內(nèi)置到通用總線背板的任意插槽，板卡數(shù)量位置無須地址限定，系統(tǒng)自動掃描識別后快速上線運行，日后客戶可自行擴展升級維護各類功能模塊，系統(tǒng)部署成本降低至少20%。比如基于此平臺開發(fā)的VMS視頻綜合集控平臺系統(tǒng)，采用7U標準插卡式機箱，CPU單元、碼分器、網(wǎng)絡(luò)交換機、電源模塊全部內(nèi)置，支持256路模擬視頻輸入64路模擬視頻輸出，支持多路網(wǎng)絡(luò)視頻編解碼模塊，支持數(shù)字視頻輸入輸出，實現(xiàn)模擬數(shù)字視頻信號的混合切換控制，用戶在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意節(jié)點即可遠程瀏覽控制前端圖像場景，還可內(nèi)置多個32路報警信號輸入模塊或者網(wǎng)絡(luò)報警主機，實現(xiàn)對周界報警探測器各種報警類型的支持(圖2所示)。



模擬視頻、數(shù)字視頻都可通過采用接口標準相同的編解碼模塊實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)范，即插即用，解決多種視頻制式兼容的問題。而對視頻圖像進行綜合管理的軟件單元也需要模塊化設(shè)計，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的實際需求對CMS總控管理、錄像存儲、用戶權(quán)限、代理轉(zhuǎn)發(fā)、WEB服務(wù)、報警管理、GIS地圖等各軟件單元進行菜單式配置，既可以獨立部署，也能夠協(xié)同工作。

多模塊集成的主要作用就在于能夠?qū)崿F(xiàn)與聲音圖像的綜合聯(lián)動，比如周界報警探測器觸發(fā)報警后關(guān)聯(lián)預(yù)設(shè)的一路或多路視頻切換顯示和錄像存儲，音頻信號超過設(shè)定分貝閾值后關(guān)聯(lián)預(yù)設(shè)的視頻切換顯示，視頻場景感知設(shè)定區(qū)域有物體移動后關(guān)聯(lián)預(yù)設(shè)的視頻切換顯示，如果前端攝像機是云臺變焦攝像機，則會啟動預(yù)設(shè)的預(yù)置位和巡航軌跡。對于這類綜合聯(lián)動的智能預(yù)設(shè)處理，可以借助宏指令實現(xiàn)快捷編輯和自定義調(diào)用。宏是一個用戶自定義的操作指令，以替代人工進行的一系列費時而難以記憶的重復(fù)性鍵盤操作，自動完成預(yù)設(shè)的各種操作，提供對緊急事態(tài)的應(yīng)急預(yù)案處理。通過宏這個友好的人機交互界面，將需求輸入，就可以讓系統(tǒng)自動實現(xiàn)對各個擴展功能模塊的統(tǒng)一調(diào)用和關(guān)聯(lián)操作，用戶無需關(guān)心底層的硬件設(shè)備如何實現(xiàn)指令互通和數(shù)據(jù)交換。究其根本就在于所有功能模塊均采用了統(tǒng)一的協(xié)議棧和標準的接口設(shè)計，從而組成高度智能的一體化集成設(shè)備。

3、統(tǒng)一平臺應(yīng)用，平滑演進

面對設(shè)備眾多復(fù)雜的大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，管理環(huán)節(jié)中最低效的是不能進行快捷有效地操作。為此，需要從統(tǒng)一平臺應(yīng)用接口和強化單類產(chǎn)品事件流管理兩方面入手。

統(tǒng)一平臺應(yīng)用接口要求所有軟件單元和硬件模塊都通過一臺總控服務(wù)器管理，統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換、統(tǒng)一時鐘、統(tǒng)一視頻傳輸，共享處理資源。以VMS視頻綜合集控平臺系統(tǒng)為例，通過這臺總控服務(wù)器可以實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)所有的基準功能模塊和擴展功能模塊的管理，包括對視頻輸入輸出、存儲磁盤、錄像通道、用戶權(quán)限、事件觸發(fā)、操作日志的全部設(shè)置，用戶通過客戶端只需要訪問到這個IP即可，不但節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源，而且提高了執(zhí)行效率。

事件流管理則將單核中樞向多核節(jié)點推進，核心思想是將相對龐大的視頻綜合集控平臺系統(tǒng)分解為二三級的子設(shè)備，從而便于中小系統(tǒng)的低成本快速部署。比如智能網(wǎng)絡(luò)矩陣通過WEB集控技術(shù)，以音視頻信息流為數(shù)據(jù)參照主線，綁定網(wǎng)絡(luò)視頻輸入輸出、報警輸入聯(lián)動、報警分區(qū)控制、用戶權(quán)限管理、前端操作級別等功能，將多業(yè)務(wù)模塊一體化集成，用戶通過IE瀏覽器便捷管理，無需專用工作站服務(wù)器，也無需復(fù)雜連接和繁瑣調(diào)試，基于標準協(xié)議接口的網(wǎng)絡(luò)鍵盤也為用戶提供了方便靈活的人機交互界面。

4、低功耗，高能效

不論是高密度緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計，還是模塊化接口通用高速總線，都需要在系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計中考慮采用多種創(chuàng)新技術(shù)手段、使用更高主頻、更高性能、更小封裝體積的芯片處理方案。在眾多的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計中，F(xiàn)PGA是一種較好的選擇，可以幫助設(shè)計人員提高系統(tǒng)易用性擴展性、提高單位密度。比如在視頻切換和字符疊加電路中，原先的通用方案需要配置多路芯片，致使電路復(fù)雜，PCB電路板面積增加，系統(tǒng)集成度下降。通過FPGA可以自動識別視頻制式并產(chǎn)生同步信號實現(xiàn)視頻同步無抖切換，而且可以同時用戶自定義字符圖形疊加到多路視頻信號中，執(zhí)行效率和能耗壓縮率提高了8倍。比如目前最新上市的S系列32入16出視頻矩陣，機箱僅有1U高度，采用了多核單板式平臺技術(shù)，切換、控制、交換、疊加全部由一枚主芯片解決，為緊湊型小系統(tǒng)提供了最優(yōu)選擇。

功耗是一筆較大的綜合成本開支，因為要處理過多的功耗所造成的熱問題時，電路板設(shè)計的復(fù)雜性增加了，對端口的密度和帶寬的要求上升了，但是波形因數(shù)下降了，迫使開發(fā)工程師對項目進度和預(yù)算做出調(diào)整。(圖3所示)



芯片能耗包括多方面，比如FPGA的功耗就來自于預(yù)編程靜態(tài)器件功耗、浪涌編程電流、編程后的靜態(tài)功耗、動態(tài)功耗。為解決此問題;一方面利用更小芯片制程工藝比如65nm可以解決這些問題，另一方面深入挖掘節(jié)能潛力，利用多種節(jié)電技術(shù)降低整機功耗，比如采用低耗高效能的DSP和PCB、采用智能軟件節(jié)電技術(shù)、功率控制技術(shù)(圖4所示)。



優(yōu)化電源設(shè)計，通過減少元件數(shù)量，縮減PCB板面積，降低溫度，提高系統(tǒng)可靠性。通過電源智能溫控技術(shù)，自動關(guān)閉/開啟整流模塊，使電源時鐘工作在效率最高的負載率區(qū)間(圖5所示)。

　  

 針對機箱結(jié)構(gòu)，簡化熱管理系統(tǒng)，采用更小的(或不用)散熱器，使其具有更低的氣流要求。一方面通過自然散熱，使得同等容積下提高熱容20%，一方面散熱系統(tǒng)可根據(jù)溫度變化自動調(diào)節(jié)，降低噪聲和功耗(圖6所示)。



低功耗視頻：綜合集控系統(tǒng)的未來

節(jié)能減排、低功耗設(shè)計在視頻監(jiān)控行業(yè)里可能還是一個全新的概念，基于多制式視頻接入方案的視頻綜合集控系統(tǒng)則更是一個嶄新的平臺。模擬視頻、數(shù)字視頻在目前的應(yīng)用當(dāng)中有各自的市場份額，但從技術(shù)的演進和發(fā)展角度看到的是從模擬向數(shù)字不可逆轉(zhuǎn)的一個趨勢，在視頻監(jiān)控演進的過程當(dāng)中，接入速率在不斷提高，接入資源不斷豐富，接入技術(shù)不斷發(fā)展。目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是多制式視頻共存的系統(tǒng)，是需要融合演進的系統(tǒng)。技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，使得傳統(tǒng)的設(shè)備會因不斷地老化而需要更新替換，能否接入多種視頻實現(xiàn)靈活部署，保障初期投資?能否響應(yīng)快速變化的升級擴容需求實現(xiàn)低功耗、高能效運行?目前為止，天地偉業(yè)經(jīng)過多年研發(fā)的積累，已經(jīng)掌握了視頻綜合集控管理中關(guān)于切換顯示、控制轉(zhuǎn)發(fā)的幾點核心技術(shù)，并將持續(xù)投入對下一代系統(tǒng)構(gòu)建模式的優(yōu)化節(jié)能的研究。未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng)不論面臨什么樣的問題，降低功耗都將會是一個長期的挑戰(zhàn)。