新一代云数字矩阵及云存储服务器
------高清大联网系统中的“核动力引擎”
一、前言
随着视频监控不断的普及，视频不再只是辅助安全与防范的技术手段，而且成为了监控与管理的有效手段。随着信息系统的不断发展，财务数据已经不再是公司运营管理的唯一手段，各级领导更加希望通过视频技术对经营现场进行监督与管理，眼见为实的原始需求快速的催生了视频在运营管理中的应用。 对于大型企事业单位，众多的分支机构的情况，就不再局限于局域网内的视频查看，更希望对外地的现场进行实时的管理。比如多个建筑工地、养殖基地、驾校等培训基地、物业的联网管理、多个商场、加盟店、多个分公司的联网管理。本身分布式层级化结构的银行、部队、石油销售公司。本城区的公网结构安保运营、非公益平安城市、平安农村，基于3G无线技术的环境检测等无人执守系统。我们通常叫它为“远程联网监控系统”。
二、视频云应用领域的诞生
随着高清摄像头的“百姓价”时代的到来，我们已经能达到看清人的基本目标了。可是整套系统如果还是简单停留在给保安看的阶段，那么系统的价值就只发挥它最基本的防火与防盗等基本功能，而我们更需
要的是发挥它监控与管理等视频应用领域的功能。视频云应用泛指将已经装好的摄像头的作用全方位的发挥出来，相当于监控行业的增值服务。
早在2007年，宙视达云数字矩阵应用于龙华富士康监控中心时，使用单位负责人就曾说过，花几百万装个监控给保安看并不能充分发挥这套系统的作用。如果能通过数字矩阵给各级管理人员来看视频，它的附加价值才能发挥出来。2009年，东风汽车厂及吉利汽车厂，让整个城市的多个分厂的指挥调度变得零距离，监控电视墙不再是装在保安室而是生产指挥调度室。2010年，河南中石油销售公司，14套电视墙承担了千里眼的作用，完全杜绝了加油站管理的各种漏洞。2011年，中建八局遍布全国的100多个工地的监控管理，不再是一个神话。2012年，四川全省的十八个监狱上万路视频的联网监控，成就了一个奇迹。
这些案例都是对视频应用最好的阐释，视频的建设虽然会伴随着高清的到来而迎来一轮发展高峰，但视频应用却是一个永无止境的新的市场蓝海。而大联网是视频应用领域的高速公路，只有完成了大联网，才能实现高层次的视频应用。
三、“反监控”的诞生
随着监控技术不断进入民用市场，农村的大爷们都认识到了摄像头的作用，随之而来是犯罪份子也认识到了摄像头的作用。经过一些炮灰的尝试，及“内线人员”的指引，或是部分人员本身有监控行业的
从业经验，他们在犯罪的同时会不断的积累反监控的能力。
随着监控技术的提升，反监控的能力也在不断提升，对前端录像或是监控设备进行转移或是毁坏的事件越来越多，从而让联网监控逐渐步入主流监控市场。联网监控主要是对前端的视频进行集中式云存储与集中显示，使得在设备毁坏或是转移之前，已经为远程的监控人员所察觉，并已经做了远程的录像，让反监控的措施失去作用，加大技防力度。 四、高清大联网监控的系统瓶颈
大型联网监控行业过去十年从模拟到数字化、网络化、智能化的进化与发展，现在已经初具规模，形成了上千亿的市场容量。从图像采集，到视频压缩，到存储显示，各个环节都一直保持着不断突破与创新。在大部分自主布线的应用中，可以说是随心所欲，畅通无阻。但在这个联网监控的应用领域中，因为走的是公网或是专网结构，它占用的是512Kbps的上传带宽，而非8M或是10M的下载带宽，所以它成了大型联网监控系统最大的瓶颈。监控行业难题：如何用最低的码流传输存储解码最清晰的的图像。
从十年前1Mbps的ADSL，到今天的8Mbps，虽然下载带提升了8倍，但上传带宽依然只有可怜的512Kbps。电信光网城市的普及，拨号光纤给人们带来了巨大的希望，但不管是10M的光纤还是100M的光纤，上行依然只有2M。3G的普及虽然以高传输速度作为主要的宣传手段，但高达500元每月的封
顶流量就只有15GB，如果全天候上网，平均每秒只能是48.5Kb，而2G时代的EDGE 平均的速度就高达80Kbps以上。有线的上行带宽，无线的实时平均上传带宽，在实时视频传输的时候就变得非常的微小了。
在局域网的应用环境中，按最低的带宽计算，CIF图像是512Kbps，D1(960H)图像是1024Kbps(正常2048kbps)，720P图像是2048Kbps(正常4096kbps)。这意味着ADSL正常情况下最多只能上传一路CIF图像，拨号光纤最多上传一路720P图像，3G在全天候的传输方案中基本就不可行。像石油、银行这些场合，最前端一级一般是2M的点对点专线到上一级，也就是最多传１路720P、２路D1(960H)图像。到地级市一级也最多就是10M专线，省一级最多就是100M专线。能同时上传或是下载的带宽都是非常有限的，这就使得要在各地级市、各省或是总部等管理机构通过大型电视墙进行集中实时现场管理的可行性相当低。
五、带宽解决方案
为了解决联网监控中基于低上传带宽的多路视频图像传输问题，宙视达公司潜心国内外多个技术实力较强的企业进行研发，借鉴于H.265但比它更为优秀的压缩算法，及前端960H的采集，后端专业的数字矩阵切换解码，并进行统一的拼接控制，设计了一套完整的多级联网解决方案。不仅非常有效的解决了超低码流视频压缩的问题，而且把整个联网监控在各个项目可能会遇到的各种问题都解决了。
宙视达大型联网监控系统
画质原始主码流宙视达码流存储的空间（1路/天）2兆上行带宽专线可上传视频数量CIF512Kb64Kb64兆31路
D1/960 H 1024Kb128Kb-160K
b
128兆/160兆16路
720P4096Kb256Kb-400K
b
256兆/400兆8路
1080P8192Kb512Kb-640K
b
512兆/640兆4路
CIF画质从常规的512Kb下降到64Kb，D1(960H)画质从1024Kb下降到128Kb-160Kb，720P画质从4096Kb下降到256Kb-400Kb，1080P从8192Kb下降到512Kb-640Kb。这意味ADSL512Kb的上传带宽可以同时传8路CIF，4路D1(960H)，2路720P，1路1080P。电信拨号20M（5M）下行的光纤有2M上传带宽，深圳的月租是500多块一个月，可以同时传32路CIF，16路D1(960H)，8路720P，4路1080P。而中心这边100M下行的，深圳的月租是999元一个月，那么可以从外边同时传回1600路CIF，800路D1(960H)，400路720P，200路1080P。不管是运营费用的承受能力，还是带宽的能承载路数对最终用户的接受度来说都是达到了非常满意的角度。
对于3G上传或是3G下载的应用领域来讲，5G每月的流量200元的费用是一个正常能接受的范围。当然这个流量是按字节来计算的，所以相当于一个月有40Gbit的流量，每天1365Mbit的流量。而一个小时的相对流量为CIF64Kb*3600/1024=225Mbit，D1(960H)128Kb*3600/ 1024=450Mbit，720P256Kb*3600/1024=900Mbit，1080P
512Kb*3600/1024=1800Mbit。也就是说CIF平均每天可以看6个小时，D1(960H)可以看3个小时，720P可以看1.5个小时，1080P可以看45分钟。500元封顶的流量是15GB，相当于在这个基础上再乘3倍，那么CIF画质可以18个小时看，D1(960H)的可以9个小时看，720P的可以4.5个小时看，1080P的可以2小时看。这在无人执守的项目中，也是完全可以接受的范围了。
对于专网来说，比如中石油项目油站2M码流能上行16路D1(960H)/8路720P已经完全能满足要求了，地级中心至少是10M的专线，就是能同时看80路D1(960H)/40路720P，就是8+1=9块屏各屏显示4路720P或是9路D1(960H)。我们一个地级中心可以出2-3台矩阵及1-2台流媒体服务器，分别管理512-1024路左右的图像接入。省级中心100M专线，可以实现32-64屏以上大型电视墙的视频显示，48*16=768路D1(960H)或48*9=432路720P同时显示，通过多台流媒体协助管理可以轻松实现2万路以上的管理与显示。总中心可以实现64-128块大屏的显示，可以实现10万路以上规模的大型联网监控系统，同时显示2048路或是1152路以上的同时显示，实际带宽在300M左右就能完全满足了。六、整体解决方案优势
综上所述在3G监控，公网监控，及专网监控三个领域都实现了我们所期望的联网监控的目标，接近于全部集中式云存储或是集中云解码的目标。但联网监控中要解决的问题不仅只是这个低带宽的问题，还有多厂家接入，多级存储，切换管理，拼接控制等各个环节的问题
１、高度的开放性
经过这么多年的发展，这些联网监控的各分点往往是已经建好了的，而且还是模拟的占多数，高清的占少数。那么我们走网络一般的想法就会考虑从录像机的网口上取，但在实际项目中各个录像机厂家的接口协议不一样，功能也不一样。特别是很多银行专用的工控式录像机，有一些行业应用性的功能在里边，不能换软件，也不能换机器。所以如何接入几十上百个厂家的视频是个较大的难题。
我们研发了一系列的带环通的编码产品解决了这个问题，通过配套的前端带环通的编码设备，可以接入任何模拟视频信号。同时通过最新的960H编码画质，让原来的模拟视频进一步提升画质。通过带ONVIF协议的NVR，可以最大程度的接入大部分已经建成的或是计划建设的高清与标清网络视频信号，做到最大程度的开放性接入。
２、图像画质的问题
超低码流的压缩虽然能满足传输带宽的要求，但却提高了编解码性能的要求。依赖于编码或是高清摄像机的前端设备进行高性能的压缩较难实现，我们在前端采用了视频转换服务器将本地的高码流原始视频实时转换成超低码流的视频，分为单机处理100路D1(960H)/60路720P左右的专业型及处理32路D1(960H)，16路720P左右的MINI型两个设备。为了保证大部分模拟前端在进行二次压缩后，图像画质依然能在电视墙上显示还能接受的范围，我们对前端的编码设备进行了改进。一般的模拟信号最高只能转换为D1(960H)的标清信号，但我们将D1(704*576)画质升级到了960H(960*576)画质，即提高了30%。经过二次压缩后，依然还是960H，但整体画质会下到比D1差一点，比CIF好一点这个样子，基本上就可以接受了。
３、多级存储问题
因为现场管理的加强，那么在项目运行的过程中，经常出现前端人员损坏设备的情况，专业一点的将
录像设备都一并取走或是损坏，那么就无从取证了。多级联网不仅要解决实时查看的问题，而且要解决多级录像的问题。通过超低码流的压缩，我们将实时视频全部取回到各分中心或是总中心，再进行录像。这时的录像存储空间是相当少的，2个2000G的硬盘，可以录100路D1(960H)视频一个月的时间，所以可以进行长达半年或是一年的录像。
同时，为了实现更高要求的录像保存，我们在编码器中还可以装入一块硬盘。装在离模拟摄像机比较近的地方，那么既不在现场，也不在前端监控室。非专业人员也可以不告知有这一级的存储在，那么这一级录像也不会因为断网什么原因而失去，也不会因为健控中心的设备被破坏而
失去。而且它可以采用移动帧测，及越界报警等智能录像方式。录像时间也是相当长的，而且可以根据事件进行查录像。在关键的时候，这样的录像能最终让系统发挥着“非常”的作用。４、多级电视墙显示
历史延续的管理机构，不会因为技术手段的原因而发生了改变。基于管理机构一级管一级的基本原则，视频的管理虽然可以由最高一级直接往下调用，但也不会仅限于只能由最高一级来调看所有的视频，那么就存在多级视频电视墙的情况。这个情况最重要的是又给前端的带宽带来压力。所以多级电视墙的问题，说到低是多级转发的问题。地级市直接从各终端取到视频后，省一级或是总部一级要看视频必须从带宽资源相对丰富的各地级市去取，而不是再从前端取一次。所以我们需要在各地级市的
电视墙解决方案中带有流媒体转发功能。而我们的数字矩阵正好解决了这个问题，数字矩阵本身就带了流媒体转发的功能，完美的解决了多级电视墙的问题。
５、高度智能化、自动化的音视频监管环境
充分利用现有软、硬件设备，极大地改善了音视频监管条件，同时节约了监管人员进行监管过程的许多时间，使得音视频监管工作达到数字化、智能化、及时化。通过矩阵切换等功能提升技防的作用，降低对人防的主观意识的依赖，反而通过增加同时显示的视频数量及预设的定点呈现确定视频，让人防的客观作用进一步提升，使整个系统更能发挥更有效的监控力度。
一般的平台软件依赖于操作人员在某个时间对重点视频的识别，某个人在某个时间主观上觉得某路视频重要就把它调出来看，否则即便是硬件条件允许这路视频也不会呈现在操作人员面前。数字矩阵则是在系统实施之后正式运行之前，由系统设计人员，厂家技术员及使用单位根据各视频在实际使用中不同时间段的重要程度设计一套专业的切换方案。
比如某车管所项目，总控中心2400路视频什么时候哪些视频是重要的，我们就要经过专业的设计。12块屏最多可以显示300个不同的视频，约8：1的比例。42个基层单位可以分别同时显示8路视频在大屏上，就是各单位的80路视频固定在这8个窗口中切换，操作人员可以快速确定是哪个单位的。白天重于人行通道，就将相关的30-50路视频编成一个组重点频繁的显示，其它的切换周期可以加长或是
完全不显示。晚上重于围墙及周边，将重要的30-50路视频编成一个组重点显示。节假日重点在广场等人员密集的地方，可以编成一个组。白天与晚上的组可以指定时间自定切换，节假日的可以手工调用。
６、解码显示的问题
因为前端的画质提高了，中间带宽问题解决了，各级中心又只需用到相对要便宜得多的下载带宽。中心一般是核心的管理机构，而且中心的数量又相对比较少的情况下，自然就愿意花更多的钱去接更大的带宽。100M的拨号光纤才只需不到1000元每月，这肯定就是为大部分企业所接受的范围了。如前边所推断的结果，100M视频可以下载1600路CIF，800路D1(960H)，400路720P，200路1080P，就是说全部视频都能拉回来了，虽然不要同时显示全部视频，但
最终用户对同时能看多少路视频也成了一个非常关注的技术要点。
我们假设一般的中心有30+2*3的，各边5*3的32寸液晶监视器用于全面显示，中间一组2*3的拼接屏用于重点显示。每屏按16路D1(960H)或是9路720P来计算，那么这样的电视墙可以同时显示16*36=576路D1(960H)或是9*36=324路720P图像。这么庞大的解码性能要求，自然不是一台机完成。平分到9台机各机输出４块屏，各机也得完成64路D1(960H)或是36路720P的解码。因为高压缩比的原因，所以解码性能相对于普通图像来说还要适当有些提高。我们为这样的应用量身订制了一套硬件，采用最新
的八核心或是十二核心图形工作站ＣＰＵ及配套高性能的硬件解决方案。单机可以轻松实现64路D1(960H)或是36路720P的解码。
７、拼接控制问题
从纯平监视器升级到液晶为主的显示设备，监控不再是监视器的天下，最近几年拼接屏因为能拼接，边缝小，成本逐渐下降而被大部分的项目所接受。但拼接屏源于视频会议领域，而不是监控领域，那么它应用于监控领域时，自然就有不少地方需要突破与创新。其中最重要的一项就是统一的管理与控制，如果我们想把各屏显示多路图像中的某路图像进行拼接放大，行业里目前唯一能采用的就是同时操作两套软件。而我们经过大量的项目实践，解决了这个问题，我们把拼接屏的控制逻辑整合进了数字矩阵的统一操作平台，很好的把这个问题解决了。
８、多人查看问题
因为前端带宽毕竟是受限制的，我们不可能从前端取走多组视频。那么我们就在各级监控中心，直接访问数字矩阵，而不是去直接访问前端。而且经过数字矩阵可以再上传一级到中心进行多级转发。这样确保各级本地的视频是不会再占用高成本的外网带宽成本了，而且也保证了最终在用户面前所呈现的效果与流畅性。所以矩阵不仅能实现各级的任意切换，及上下级的跨级切换，更重要的是可以在各级还能进行16组以上的客户端预览。
分析了它的可行性，我们自然就会在这方面做足工作。我们针对苹果或是安卓系统都做了开发，直接下载软件进行安装即可随时预览给定权限的视频。自然也是访问低码高画质的前端，因为这一项因素，整个系统的可用性就提高了很多。毕竟能进行手机访问的肯定是高层领导，一套系统最终得到了领导的认可，并让他们能通过这套系统实现一些管理的目标自然是这套系统最终的目标。
七、小结
通过带环通的编码，从各种录像机后边把视频提高比标清高于30%画质，经过前端的视频转换服务器将高码流高画质的图像进行二次处理，实现超低码流的压缩。然后在各分中心或是总中心进行长时间的集中云存储，并通过数字矩阵进行集中云解码显示、拼接控制及多级转发。从而形成基于ADSL 512K上传，拨号光纤2M上传多路图像的问题。以上就是我们采用的新一代高清大联网云存储技术。把很多行业里的想法与愿境变成了现实，希望您的参与及大家的努力让这个技术思路真正满足大联网
的需求，推动行业视频应用领域的进步。
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