2023年11月27日发(作者：)

数 字 矩 阵 的 发 展

——IP监控的原动力

文/王湘文

随着监控系统的不断普及，通过硬盘录像机采集原始的模拟视频过程已达到一个相当的水平，那么接

下来就是对这些原始的录像数据进行深度挖掘与再利用。如边防部队各大队的录像机及前端的模拟视频在

过去三年内早已部署完成，但在市支队指挥中心或省总队指挥中心需要重新利用这些视频数据， IP监控将

承担这一新的历史使命。而数字网络矩阵更是承载着其中原动力的核心作用，其在IP监控的应用里也将被

赋予新的职能。

“全面覆盖、重点监控”是数字监控市场的新一代风向标。如通过32+2×2的多屏显示，两边各16个

26寸屏(4×4)每个显示16画面，中间4台52寸屏组成2×2的拼接，周围用来显示来自不同分局/分所/

分厂的所有网络视频，每个屏可以显示最多16路视频，即进行全面覆盖，中间的大屏通过数字矩阵的程序、

同步、群组、报警联动或手动切换，方便对其中任意一路进行放大显示，或显示电子地图。这正是新的数

字监控市场迫切需要的基本功能。

一、 IP监控系统对数字矩阵需求的新动向

1. 网络解码能力的要求

在大规模网络监控系统中，网络的解码能力是其中最重要的瓶颈资源。早期的DSP解码卡或网络解码

器技术方案，由于市场销量远低于编码的市场，及单芯片解码能力非常有限，至今都维持着解码是编码2

倍以上的单路成本。

按海康4路解码能解4路D1、8路CIF，单台机最多装4张解码卡来核算，一个512路CIF画质（32

台录像机）的解码需要高达64张4路解码卡、16台服务器，相当于两台42U的大机箱才能实现，业内人

士应该不难核算出它的硬件成本将超过二十万。

当前端输入升级到720P或1080P的编码能力后，后端的解码、显示将会面临着更大的挑战，要控制管

理这么多视频输入与输出，平台软件一项的成本也是一个不低的数字，在操作方面对于普通的安保人员来

说将是一个巨大的挑战。

2. 多画面分割的要求

解码卡不仅有解码能力的限制，更重要的是在多画面分割显示方面有着更大的局限，其中关键的一个

因素是解码卡受制与DSP的DA芯片，最高只能达到D1(704×576)的单通道显示输出。

仍以海康的4路解码卡为例，一张卡最多只能实现2个4分屏。一张4路解码卡是由2个独立的DSP

芯片组成，即一个芯片只能完成2路D1或4路CIF的解码。结合解码能力，若超过4分屏以上则需要通过

其它芯片解码，再通过PCI将解码后的原始图片传替给输出的通道，如果实现9个CIF将需要三个芯片才

能完成。

而分画面分割的问题在D1画质的多画面分割方面将会更加突出。一个16路D1的16分屏将需要4张

四路解码卡资源才能完成，不仅成本非常昂贵，而且PCI上需进行14路原始图像的传输，最后的总输出分

辨率还只能是704×576，即D1画质的输入最后还是回到了QCIF画质。

多画面分割在模拟矩阵里也是一个行业的瓶颈。面对这个问题，业内人士可谓是费尽心思，在工程应

用里能看到多种不同的解决思路，但都会存在这样或那样不可调和的矛盾。比如通过视频分配与画面分割

器来完成，128路以上的视频将需要32个画面分割器来实现，但其存在不能任意切换的巨大缺陷。

只有单路输出达到1280×1024（或以上）的分辨率，多画面分割显示视频才有意义；1280×1024的分

辨率，按4分屏显示，可以充分展现D1(704×576)编码优势，按16分屏显示，也能达到CIF画质效果。配

合大尺寸的液晶监视器，就解决了较低成本来实现多路数解码输出显示的问题。

3. 多屏输出显示的要求

具备了超高的解码能力，高分辨率多画面分割显示，但还需要对应的屏幕输出数量,51212路按每屏16

路来显示，也需要32块以上的屏幕输出接口。

随着电视及显示器等显示设备的不断进步，输出的接口也从原来的模拟AV/BNC，升级到VGA或DVI

数字接口。最近一两年，更是出现了HDMI高清数字视频输出接口，通过数字屏接口、线路传输及数字屏

直接显示，在解码输出后不再需要A/D或D/A转换，就能完成实现4个D1分屏的高清晰度输出。

一个上百万的大型网络监控系统，如果不借助于廉价的显示输出设备进行多屏显示输出，而单靠一台

电脑通过IE去一台一台的访问，就大有劳民伤财之嫌。

4. 多厂家设备兼容的要求

从1996年安讯士研发出业内第一款网络摄像机以来，通过十多年的发展，国内国外出现了大大小小上百个

IP监控设备提供商。这些厂家的硬盘录像机、视频服务器、网络摄像机等设备遍布在各个机构与地区。

在高度自由竞争却又没有统一标准的市场环境下，同一个项目里的设备往往会出现三个、五个厂家生

产的，而在省级以上大型联网监控里甚至会出现超过十个以上的厂家，要更换成统一的设备不仅会造成巨

大的经济损失，也不符合自由竞争的商业原则，再渴求所有设备厂家执行所谓的行业标准更是缘木求鱼。

5. 实时流媒体转发的要求

流媒体转发是IP监控里最常用的功能，我们一般了解的是它在一对多转发方面的功能，但为什么会在

稍大一点的系统就必须用到流媒体，其重要的原因是IP监控设备普遍存在的一个重要局限。

IP设备最常用的芯片是DSP，因为其能完成高运算能力要求的图像压缩计算，但正因为如此，其在网

络传输方面是非常薄弱的。如果是DVR，通过MIPS等芯片进行处理，这个瓶颈就更为明显。因为这个芯

片要负责通过PCI总线从DSP取到视频流，并同时负责录像存储，那么在网络方面的资源就非常少了。不

仅从芯片本身的功能，或是嵌入式设备上程序表达空间的局限，或是从1000M网络技术的消化难度，都对

IP编码设备形成了难以突破的屏障。

按海康的硬盘录像机而言，它的总会话资源是24路，单路最多访问是6个。即最多可以实现第一个用

户预览全部16路视频，第二个则最多只能预览8路视频。或是6个用户，同时访问其中某4路视频。另一

个重要局限是它的总带宽资源是25Mbps，这个局限在D1画质的情况尤为明显，也就是说DS8016HF最多

每路只能达到1.28Mbps，而且没法向第二个用户提供任何视频了。从技术的角度，海康能达到这个水平已

属不易，相信国内IP监控厂家在通讯方面少有能与海康匹敌，但从用户的角度特别是大规模的网络监控系

统里，这是IP编码设备未能形成燎原之势的重要因素。

通过市场力量的推动，电影/广播系统里的流媒体被引入到安防行业里，流媒体一对多转发成为了这个

问题的救星，许多大公司都推出了类似的技术服务。但好景不长，源于电影/广播系统里的流媒体属于文件

型流，经转发后的延时平均在4秒左右。这在网络电影等行业里是可以接受的，即便是现场转播也是可以

接受的，但习惯了模拟视频全实时效果的安防行业，非常难以接受这个条件。特别是通过网络对球机进行

控制后，谁也不能接受4秒针以后才开始动。

经过业内一些IP监控厂家的潜心研究，引入了电信多媒体交换机的核心即实时流媒体（Realtime

Stream）技术，实现了大容量网络视频数据的实时转发，达到了电信级在600毫秒以内的行业要求标准,同

时也实现了PTZ的一对多控制、报警信号的一对多广播。直到实时流媒体技术的引入，才算是真正意义上

安防行业的流媒体。

模拟矩阵的核心切换功能是通过8816多路交叉开关来实现切换的，它来自于第一代电话交换即线路交

换的主要芯片。数字矩阵是通过实时流媒体来实现切换，同样来自于第二代（IP）电话交换即包交换功能。

只有拥有实时的网络切换功能，实现了模拟矩阵在切换方面的功能逻辑，才算得上是真正意义上的数字网

络矩阵，而不是个别商家实现了简单的解码输出功能的“网络解码器”。

6. 多机联网矩阵切换的要求

数字矩阵源于网络，并与网络有着密不可分的关系，网络的重要特征在于它的分布式计算能力。那么

其功能不应受制于类似于模拟矩阵或硬盘录像一样单台机箱的约束，而是应充分的借用它在网络方面的先

天优势，方便地进行分布式计算。

多机无缝级联是大型网络监控系统里必备的功能，多机全交叉切换则是网络矩阵赖以生存的重要职能。

如果说实时流媒体是数字矩阵的软芯片，那么网络交换机就是它的硬芯片。很多人能够理解非常复杂的模

拟系统的接线结构，或许也是电脑方面的专家，但对于家喻户晓的普通网络交换机，却不知道它在这样大

型的监控系统里起着不可估量的作用。

通过实时流媒体及网络交换机，进行多机联网全交叉矩阵切换,则可轻松实现256入256出(16屏)、512

入512出(32屏)等超大型联网监控系统。

7. 网络负载平衡的要求

在大型的网络监控系统中，核心骨干网的负载能力是一个最重要的指标。越是大型的系统，每兆字节

的传输成本越高。一个512路以上的网络监控系统，相当于一个上千户宽带用户的网络资源需求。在实时

性方面的要求，比以文本传输或可间断非实文件流为主的民用宽带要求要高得多，所以在网络负载平衡方

面需做出非常专业的考虑。然而因为IP监控的刚刚兴起，甲方或工程商缺少专业的网络建设方面的知识与

经验。相关的厂家虽然技术员的水平相对要高一些，但往往不会从产品的角度做出比较负责任的考虑与设

计，反而会出于商业的目的设计一些比较独立的仅具有商业目的的产品，比如网络存储服务器。

在这样大的网络监控系统中，要最大可能的对独立的子系统或分区进行物理切割，比如分区的前端

DVR/ＤVS/IPC与后端访问网络相隔离。而像网络矩阵本身不能产生附加带宽的同时，需要起到这个分区或

切割的职能，比如采用双1000M网口设计，一个网口用来输入某一区域前端设备网络过来的视频，另一个

网口再进入主干网，自身完成了解码、存储功能，从而通过流媒体的转发，巧妙地实现了网关的职能。这

样，就把整个网络的压力降到了最低，那么网络风暴产生的机会就大大降低了。

8. 海量网络磁盘存储的要求

最近几年，海量存储技术一直在快速地进步。从07年初的160G，快速跳过 250G、320G、500G、750G，

并逐渐进化到1000G、1500G,及目前最高的2000G硬盘。

目前2000G硬盘在价格上与三年前的160G硬盘是持平的。也就意味着目前通过一台2U机箱的9个

2000G硬盘，相当于三年前112个以上160G硬盘位超大型存储阵列，这差不多是一个省级数据中心的存储

量。

这样的技术进步是众人皆知的，因为它直接影响到普通PC市场的变化。显然，数字监控的重要的本地

录像功能自然也会受它的影响。随着犯罪水平的不断提高，作案的时候连同监控设备一起搬走或是一起破

坏的事件屡屡发生，集中存储或是集中存储与本地存储相结合的需求日趋强烈。伴随着海量存储技术的不

断进步，海量存储的成本不断降低，这种需求自然而然的成为了IP监控的必备功能。

当网络集中存储的需求产品化后，即出现了专门的独立存储服务器。这个产品虽然解决了存储的问题，

但却加重了核心骨干网上的压力。比如512路视频进入骨干网后，按512K来算，即产生了256M的实际网

络带宽。如果这个256M的带宽，经流媒体服务器，再转存储服务器，然后输出到解码服务器，有一部分

通过分控访问，就会产生超过1000M实际码流的网络风暴。

采用流媒体、存储、解码输出一体化设计，即网络视频一经输入到某台矩阵，则少有机会再需转发出

来。这样的方案不仅可以最大程度降低网络风暴的风险，更重要的是通过本机的本地内存复制等机制，使

网络传输的延时降到最低，从而使图像的实时性、连惯性等方面得到非常大的提升，这就从根本上解决了

这一系列问题。

综上所述，新一代数字矩阵如果能完全满足上述要求，不断丰富IP监控的功能特点，使数字矩阵赋予

新的职能，才能发挥IP监控的原动力作用，把IP监控推向新的发展高峰。

二、 新一代网络VGA数字矩阵

2007年诞生了行业最具创新的网络VGA数字矩阵，它具备了上述8大功能特点的同时，还充分应用

了目前通讯、电子、软件等多个行业的技术资源，从而实现了安防行业多个不同产品的整合功能。我们可

以称之为数字矩阵产品的璀璨之星、后起之秀。

巧妙利用电信行业的多媒体交换机核心—实时流媒体技术，实现了模拟矩阵的实时切换功能。充分借

用模拟矩阵的多媒体控制软件界面的表示逻辑，实现了模拟矩阵所有的群组、同步、程序、报警联动及手

动切换的功能逻辑。

溶入了平台软件在DVS等设备管理、多厂家兼容、多级联网等方面的业务逻辑。兼容了国外厂家三星

（SAMSUNG）、索尼（SONY）、安士讯(AXIS)、博世(BOSCH),国内厂家海康、大华、大立、汉邦、恒亿、

金鹏、朗驰、黄河、德加拉、拓普生、华宇等厂家的硬盘录像机、视频服务器、网络摄像机的网络视音频

流。

运用1000G以上工业服务器硬盘实现海量集中存储，发挥了高性能的中央处理器的多路网络视频解码

能力，从而可输出到大尺寸、高分辨率的液晶屏/等离子屏/DLP屏等显示设备进行多画面分割显示。

多机无缝并联及多分控串联

支持多机无缝并行级联,组成M*N的64个屏幕1024个窗口输出的大型网络电视墙,即任意视频输入可

切换到任意屏幕输出。支持64个以上分控电视墙的串行级联,即多个分控点可以串行到总控电视墙,组成多

级网络监控系统，典型应用为512入512出大型网络液晶电视墙系统，如下图所示：

三、 结语

综上所述，VGA数字矩阵是一款航母级的专业数字矩阵产品，引领了整个数字监控行业的巨大变革。

它除了解决上述IP监控目前所面临的难题外，还能突破模拟矩阵众多的先天功能缺陷、大幅度简化系统布

线结构、降低系统故障率。目前，它已广泛应用于平安城市视频监控、军队监狱监控、电力铁路监控、机

关学校监控、厂矿企业监控、花园小区监控等项目。

（责任编辑：李楠）

本文作者现任深圳市宙视达科技有限公司技术总监

顾问意见：

文章叙述了数字矩阵的发展及应用，但如有VGA数字矩阵的结构组成的框图介绍就好了。