部署大規模視頻綜合管理系統的挑戰

隨著視頻監控系統闊步向海量資源分布和社會化應用的方向推進，IP化、高清化、智能化的技術發展趨勢讓視頻監控行業進入到一個全新的轉型時期。在傳統模擬視頻監控系統實施大規模改造升級的過程中，在新建視頻監控系統架構設計選型的過程中，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，更對設備制造商和系統集成商提出了節能、高效、環保的系統綜合考量要求。如果給出具有相同特性和價格的兩種產品，用戶肯定選擇耗能最低的產品，目的在于實現綠色環保。

一個完整的視頻監控系統包括前端采集、中間傳輸、后端顯示管理和存儲等主要環節，負責后端顯示管理的設備是整套系統的核心控制中樞。不論是一個節點形成的單系統，還是多個節點組成的聯網系統，不論是模擬視頻接入、數字視頻接入還是模數混合接入，只有通過后端顯示管理設備，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中不可或缺的靈魂，由于這種系統架構的繁復多變，特別是需要解決模擬視頻與數字視頻綜合接入的問題，具體構成也最為豐富，涉及到接收光端機、網絡視頻解碼器、矩陣切換控制器、硬盤錄像機、管理服務器、磁盤陣列等設備。由于負責前端采集的攝像機/和負責中間傳輸的線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節，這類設備普遍存在幾類問題：

1、低集成度，部署麻煩

目前市場現存比例較大的模擬視頻接入系統中，后端顯示管理設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定因素。如果采用嵌入式DVR錄像加數字解碼矩陣，或者網絡視頻編解碼器的方案，則需要配置大量的網絡資源，系統的可靠性/穩定性易受影響，運營維護的成本較高。

2、擴容受限，演進困難

目前視頻監控系統中，模擬標清CVBS、模擬高清SDI、數字標清D1、數字高清720P等各類視頻格式的多樣化，給用戶帶來系統演進的不確定性和較高的設備升級成本。除了模擬視頻的兩類信號屬于國際通用標準，可以直接使用轉換外，數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，造成設備替換廢棄，占用存儲空間且污染環境。即便是負責視頻切換控制的模擬矩陣，也存在結構設計的局限性，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，無法為系統擴充增加新的功能單元。

3、高功耗，高排放

過去，與大多數其他變量(速度/性能、造價成本、上市時間、系統風險)相比，功耗往往被排在較低的優先級。然而在如今的市場，在設計的決策過程中，功耗已經成為一個非常重要的組成部分。比如，在每年為各類監控中心支出的數億元電費中，25%的費用是直接歸因于系統中的大型設備和各類服務器供電，而50%的費用用于為冷卻系統和風扇等供電，以消除運行設備而產生的熱量。此外，即便一個小型監控中心每年也會因為設備運行而排放20噸二氧化碳。

視頻綜合集控系統實現低功耗高能效的原則

1、高密度緊湊設計

縮減控制管理設備的組成數量和體積，不但可以減少系統功耗，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出到目前業內主流的單機箱256入64出，以及針對車載/會議室應用推出的1U機箱32入16出的業內最緊湊小系統;比如光端機從點對點傳輸到單纖傳16路，以及節點式/匯聚式光系統。

高密度緊湊結構設計使得相同空間容納更多視頻接入、相同功耗提供更優圖像畫質、相同視頻指標占用更小帶寬資源和磁盤容量、相同系統設備花費更少造價成本。比如，一臺256入64出的大型智能網絡矩陣，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/電源模塊等全部內置，減少了配套設備的供電需求，高整合度、高集成度也大幅提高了系統安裝部署的速度，無需考慮多機箱、多設備間的相互連接和反復設置。高密度的7U機架式機箱降低對機房/機柜的空間要求，節省了用戶資源(圖1所示)。



2、模塊化結構配置，靈活擴容

視頻監控系統根據不同的客戶需求以及技術實現方式，分為多個功能模塊，包括：音視頻切換、前端云鏡控制、報警采集聯動、數字錄像存儲、網絡遠程傳輸和數據傳輸轉發等等。每個功能模塊經過多年演變發展，已經成為各自獨立的行業和產品線。每種設備實現不同的功能，起到不同的作用，滿足用戶相對獨立的需求，因此設計成不同的功能板卡和硬件結構，機箱的大小規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境和專注行業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品，為用戶提供高集成度、使用便捷、運維高效的一體化產品、系統;以及為應對價格競爭，必須實現成本壓縮和質量控制的產業化要求。即便是同一公司的產品也面臨著產品種類多產量少、硬件結構各不相同、板卡機箱不通用、無法保證檢驗標準的低效率問題。而模塊化結構設計已成為最有效的解決手段。

以當前比較先進的MSIP通用化模塊結構技術為例，其核心設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、光接收發射、報警輸入輸出、網絡視頻編解碼等各功能模塊按照標準協議統一硬件接口和底層協議棧，通過標準機架式機箱的內嵌式導軌卡槽組裝到通用高速總線背板上。各種功能模塊根據統一的標準屬性類別編碼，能夠依照實際需求靈活搭配，內置到通用總線背板的任意插槽，板卡數量位置無須地址限定，系統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，系統部署成本降低至少20%。比如基于此平臺開發的VMS視頻綜合集控平臺系統，采用7U標準插卡式機箱，CPU單元、碼分器、網絡交換機、電源模塊全部內置，支持256路模擬視頻輸入64路模擬視頻輸出，支持多路網絡視頻編解碼模塊，支持數字視頻輸入輸出，實現模擬數字視頻信號的混合切換控制，用戶在網絡內任意節點即可遠程瀏覽控制前端圖像場景，還可內置多個32路報警信號輸入模塊或者網絡報警主機，實現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、數字視頻都可通過采用接口標準相同的編解碼模塊實現統一規范，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計，用戶可以根據系統的實際需求對CMS總控管理、錄像存儲、用戶權限、代理轉發、WEB服務、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，也能夠協同工作。

多模塊集成的主要作用就在于能夠實現與聲音圖像的綜合聯動，比如周界報警探測器觸發報警后關聯預設的一路或多路視頻切換顯示和錄像存儲，音頻信號超過設定分貝閾值后關聯預設的視頻切換顯示，視頻場景感知設定區域有物體移動后關聯預設的視頻切換顯示，如果前端攝像機是云臺變焦攝像機，則會啟動預設的預置位和巡航軌跡。對于這類綜合聯動的智能預設處理，可以借助宏指令實現快捷編輯和自定義調用。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性鍵盤操作，自動完成預設的各種操作，提供對緊急事態的應急預案處理。通過宏這個友好的人機交互界面，將需求輸入，就可以讓系統自動實現對各個擴展功能模塊的統一調用和關聯操作，用戶無需關心底層的硬件設備如何實現指令互通和數據交換。究其根本就在于所有功能模塊均采用了統一的協議棧和標準的接口設計，從而組成高度智能的一體化集成設備。

3、統一平臺應用，平滑演進

面對設備眾多復雜的大型視頻監控系統，管理環節中最低效的是不能進行快捷有效地操作。為此，需要從統一平臺應用接口和強化單類產品事件流管理兩方面入手。

統一平臺應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器管理，統一數據交換、統一時鐘、統一視頻傳輸，共享處理資源。以VMS視頻綜合集控平臺系統為例，通過這臺總控服務器可以實現對系統內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、用戶權限、事件觸發、操作日志的全部設置，用戶通過客戶端只需要訪問到這個IP即可，不但節省了網絡資源，而且提高了執行效率。

事件流管理則將單核中樞向多核節點推進，核心思想是將相對龐大的視頻綜合集控平臺系統分解為二三級的子設備，從而便于中小系統的低成本快速部署。比如智能網絡矩陣通過WEB集控技術，以音視頻信息流為數據參照主線，綁定網絡視頻輸入輸出、報警輸入聯動、報警分區控制、用戶權限管理、前端操作級別等功能，將多業務模塊一體化集成，用戶通過IE瀏覽器便捷管理，無需專用工作站服務器，也無需復雜連接和繁瑣調試，基于標準協議接口的網絡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構設計，還是模塊化接口通用高速總線，都需要在系統設計和產品設計中考慮采用多種創新技術手段、使用更高主頻、更高性能、更小封裝體積的芯片處理方案。在眾多的復雜系統設計中，FPGA是一種較好的選擇，可以幫助設計人員提高系統易用性擴展性、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，致使電路復雜，PCB電路板面積增加，系統集成度下降。通過FPGA可以自動識別視頻制式并產生同步信號實現視頻同步無抖切換，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，切換、控制、交換、疊加全部由一枚主芯片解決，為緊湊型小系統提供了最優選擇。

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，電路板設計的復雜性增加了，對端口的密度和帶寬的要求上升了，但是波形因數下降了，迫使開發工程師對項目進度和預算做出調整。(圖3所示)



芯片能耗包括多方面，比如FPGA的功耗就來自于預編程靜態器件功耗、浪涌編程電流、編程后的靜態功耗、動態功耗。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能潛力，利用多種節電技術降低整機功耗，比如采用低耗高效能的DSP和PCB、采用智能軟件節電技術、功率控制技術(圖4所示)。



優化電源設計，通過減少元件數量，縮減PCB板面積，降低溫度，提高系統可靠性。通過電源智能溫控技術，自動關閉/開啟整流模塊，使電源時鐘工作在效率最高的負載率區間(圖5所示)。

　  

 針對機箱結構，簡化熱管理系統，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%，一方面散熱系統可根據溫度變化自動調節，降低噪聲和功耗(圖6所示)。



低功耗視頻：綜合集控系統的未來

節能減排、低功耗設計在視頻監控行業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則更是一個嶄新的平臺。模擬視頻、數字視頻在目前的應用當中有各自的市場份額，但從技術的演進和發展角度看到的是從模擬向數字不可逆轉的一個趨勢，在視頻監控演進的過程當中，接入速率在不斷提高，接入資源不斷豐富，接入技術不斷發展。目前的視頻監控系統，是多制式視頻共存的系統，是需要融合演進的系統。技術發展的必然趨勢，使得傳統的設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靈活部署，保障初期投資?能否響應快速變化的升級擴容需求實現低功耗、高能效運行?目前為止，天地偉業經過多年研發的積累，已經掌握了視頻綜合集控管理中關于切換顯示、控制轉發的幾點核心技術，并將持續投入對下一代系統構建模式的優化節能的研究。未來的視頻監控系統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。