CN102082919A - 数字视频矩阵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字视频矩阵，该视频矩阵完成了多路视频输入与多路高清显示输出并完成了视频数据远程传输，智能控制。该矩阵的结构包括有机箱，内设电源，微控制单元，微控制单元通过64位PCI总线连接多通道视频编码模块、解码模块、缓存器、无源底板、网络通信模块及BMC。本发明的效果是完成了多路视频采集，多路同步实时监控，输出高清视频，视频数据远程传输。所有数据处理在数字层实现，可搭载于局域网或广域网。采用IPMI及SOL技术，通过串口进行本地控制及IP远程监控。视频处理完全由硬件完成，采用H.264标准，提高了传输效率及画面质量。可广泛应用于交通、社区安防，生产监控，视频会议及集中应急指挥等各领域应用。

Description

数字视频矩阵

技术领域

本发明的数字视频矩阵，涉及图像采集技术、以太网通信技术、接口技术、数字信号处理技术、编解码技术、压缩技术、嵌入式技术、远程监控技术等多种技术，是一种对多路视频信号处理、控制、播放、传输的智能化数字视频矩阵。

背景技术

随着宽带技术的发展，远程集中监控的需要越来越多，规模也越来越大，一种是重建专用网，利用现有的CATV技术，包括WDM技术，将模拟信号不做处理直接传到监控中心，进行集中监控，其缺点是网络建设费用非常高，采用WDM技术，必须是裸光纤(中间是无源的)，在有些应用场合，在一个小的区域范围内，还是可行的，当范围超出一定距离后，模拟集中监控实现的代价非常大，实现起来很困难(几乎不可能)。另一种方法技术利用现有的数字网络，对视音频信号进行数字化压缩，将压缩码流组成IP报文，通过TCP/IP协议，把这些IP报文传到监控中心实时解码出视频图象，进行集中监控，这个数字网络可以是VPN，可以是专网，也可以是公网，如PSTN、ISDN、GPRS、CDMA、ADSL、宽带城域网、INTERNET等。

随着以下几项技术的发展，推动数字视频切换矩阵时代的到来：

1、视频压缩技术的发展，视频图象实时压缩的实现，视频图象压缩码流大大降低，对网络带宽的要求降低；

2、网络技术的发展，IP网络覆盖的范围还在不断扩大，网络传输成本在不断降低；

3、流媒体技术的发展，可控性更强。

同模拟视频切换矩阵相比，数字视频切换矩阵具有如下优点：

1、数字监控可以利用现有的网络，不需要为图象监控再建传输网络。只要IP网络能够覆盖得到的范围，都可以进行集中监控，包括通过INTERNET进行集中监控。

2、只要是基于IP网络，通过什么样的物理网络传输都可以，经过什么样的中继可以不必关心。可以经过不同的传输介质，经过很多个网关或中继，进行级联。

3、监控范围或路数的扩展非常方便，只需进行一些简单的配置即可。

4、视频切换矩阵往往同存储相关联，模拟视频切换矩阵是显示的源模拟信号，而数字视频切换矩阵显示的是经过压缩后的视频信号，其显示的信号即是存储的视频信号，所见即所得。

5、可以很方便对前端视频图象处进行管理和控制。对于模拟监控，往往要为控制和管理单独提供数字线路，而数字视频切换矩阵中，管理和控制同视频信号用同一条信号线路。

6、数字监控比模拟监控更加方便和灵活，视频图象切换更快。

7、数字监控图像传输不存在衰减抗干扰能力强。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字视频矩阵，以提高多媒体系统的交互性和灵活性，使人们在网络视频监控的环境下也可以在电视墙、大屏幕显示墙以及液晶拼接屏上浏览视频高清图像。

为了实现上述的目的，本发明采用的技术方案是提供的一种数字视频矩阵，一种数字视频矩阵，该矩阵连接在局域网或广域网上接收多路视频信号，将多路视频信号进行多路输出，该矩阵的结构包括有机箱，在所述机箱内设有电源模块，无源背板及编码模块，解码模块，微控制单元MCU，电源模块，网络通信模块，缓存器，I/O接口及基板管理控制器BMC。

所述视频信号首先由所述编码模块采集并编码后进入数字视频矩阵，对信号进行处理的指令既可由所述的智能平台管理接口IPMI通过SOL技术远程输入，也可由键盘鼠标通过串行控制端口本地输入，处理后的数据从编码模块输出后通过所述无源底板，然后传入所述缓存器，由所述缓存器提供给视频解码模块进行解码运算与逻辑判断，解码完成后产生的视频信号通过所述视频解码卡发布到监视器上。从缓存器输出的视频数据或者通过PCI总线进过网络模块进行远程传输或保存。

对该数字视频矩阵可采用键盘鼠标通过串口进行控制，同时可通过网络接口进行远程控制。远程智能控制采用IPMI，应用SOL技术通过网络接口远程输入控制指令，经串口实现对矩阵的开关机控制，监测该数字视频矩阵物理参数、运行状态等信息。通过RS422接口实现了对模拟矩阵的控制。

所有数据流指令流都是基于PCI总线技术，通过微控制器的控制运行。

所述的视频编解码模块以DSP为基础，采用最新的H.264协议为压缩标准，采用了先进的快速预测模式判断算法。

H.264/AVC是由ISO/IEC MPEG(运动图像专家组)和ITU-T VPEG(视频编码专家组)组成的JVT(联合视频专家组)制定的一项视频压缩技术标准，它使得运动图像压缩技术上升到了一个更高的阶段。在较低带宽上提供高质量的视频传输服务是H.264/AVC应用亮点，在同样的视觉质量前提下，比H.263和MPEG-4节约了50％的码率，而且对IP和无线网络传输具有更好的支持功能。原因是引入了当前视频编码中的许多新技术，包括多种宏块分割模式、多参考帧、4×4整数变换等。

编码器输入的图像以宏块为单位进入编码器中，根据图像变化的快慢选择帧内或帧间预测编码。如果选择帧内预测编码，首先判断当前待编码块中是否包含很多的细节，再决定是否要把帧进行再分割。接着以重建帧μF′n中的块为参考，结合当前块周围块的预测模式，选择当前块的最佳预测模式。最后由重建帧μF′n中相应块和当前块选定的预测模式得到当前块的预测值。按照上述方法，对图像中的每一宏块作出帧内预测，进而得到一帧图像的预测值P。如果选择帧间预测编码，当前输入帧Fn和前一帧(参考帧)Fn-1被送到运动估计器(ME)，通过块搜索，匹配可以得到当前帧中的各宏块相对于参考帧中对应宏块的偏移量，也就是常说的运动矢量。接着，参考帧Fn-1和刚得到的运动矢量MV被送到运动补偿器(MC)，通过计算得到帧间预测值P；当前帧Fn和帧预测值P相减，得到残差Dn，经过变换，量化后产生一组量化后的变换系数X，再经过熵编码，与解码所需的一些边信息(如预测模式量化参数，运动矢量等)一起组成一个压缩后的码流，经NAL(网络自适应层)供传输和存储。

编码器主流程可对输入的一帧图像首先进行单元划分：以宏块为基本单元进行划分，再由若干宏块在组合成Slice，由Slice再组合成Slice Group，这样每个宏块所属的Slice和Slice Group也就确定了。再判断输入的一帧图像是I-Frame还是P-Frame。在以上工作完成后，也就可以对每个宏块进行编码了。在对每个宏块都编码完成后，还需要对重构图像进行1/4象素精度插值处理、参考帧缓冲区插入处理等工作。至此，编码一帧的工作才算完成。

为了减少图像序列的时间冗余，达到更好压缩效果的目的，H.264/AVC编码方案采用运动补偿技术和预测。即由先前已编码的一个或多个帧产生当前编码帧的一种预测模式，然后再进行预测编码。且采用了一种可变块尺寸的运动预测模式，亮度块尺寸的范围从16×16变化到4×4，其中包含很多可选模式，形成了一种树形结构的运动预测。对于I帧(包含帧内4×4、帧内16×16)，对P帧(包含帧内4×4、帧内16×16、SKIP模式、帧间16×16、帧间16×8、帧间8×16、帧间8×8、帧间8×4、帧间4×8)同时还为P帧和B帧提供了特殊的SKIP模式，总共11种模式。这些可选模式的存在使得编码方式更加灵活，编码精度相对于固定尺寸块预测要高很多。然而，可选的帧问预测模式增加了，必然会使得运算复杂度增加，因此有必要采用一种高效的决策方法来选取块尺寸组合方式，使得编码效率和编码质量均佳。

拉各朗日代价函数

引入拉各朗日代价函数如下：

J＝[D(s_i，m)+λ·R(s_i，m)](1)

其中D表示重构恢复图像相对于原始图像间的失真；R(si，m)表示对宏块编码后数据及相关参数在码流中所占用的比特数，一般由编码统计得到，但对于SKIP模式，比特数默认为1比特；λ表示模式选择时所使用的拉各朗日乘积因子。

对于运动估计，可使用拉各朗日代价函数作为选择运动矢量的判决标准。根据式(1)得到对一个采样块si进行ME判决的代价函数为下：

$m_i=\arg \underset{m\∈M}{\min }[D(s_i,m)+\mathrm{\λ}\·R(s_i,m)]---\left(2\right)$

该式返回产生最小代价值的最佳匹配运动矢量mi，其中M指各种可能编码模式的集合，m为当前选定模式，式(2)中R(si，m)是运动矢量(mx，my)所要传输(按熵编码)的比特数。D(si，m)表示对图像宏块的预测误差，对于该预测误差的计算有两种方案：当预测误差选择是绝对误差时用(SAD)表示，如式(3)；当预测误差选择是平方差时，则用SSD表示，如式(4)中：

$\mathrm{SAD}(s_i,m)=\underset{(x,y\∈A)}{\mathrm{\Σ}}\left|s\right[x,y,t]-$

$s^{,}[x-m_x,y-m_y,t-m_t]|---\left(3\right)$

$\mathrm{SSD}(s_i,m)=\underset{(x,y\∈A)}{\mathrm{\Σ}}\left|s\right[x,y,t]-$

$s^{,}[x-m_x,y-m_y,t-m_t]{|}^2---\left(4\right)$

其中A为当前编码宏块。在使用多参考帧进行运动估计时，mi表示所选用的最佳参考帧。在进行运动搜索时，对块si先是进行整象素精度的运动搜索，以取式(1)最小值为匹配标准，得到整象素精度最佳匹配点后，以同样的方法进行1/2，1/4象素精度的匹配搜索。同时在多个参考帧内作同样的操作，将所得的函数代价进行比较得到最小值，也就找到了s，块的最佳匹配的运动矢量mi。

快速预测模式判断算法

快速算法相对于拉各朗日代价函数算法，可分以下两步实现：

以基于预测模式的方式计算代价函数J，但是这里采用简化的计算方法，对每一种采样模式进行分行交错隔点采样，如对8×8块内象素进行下采样，采样如图6所示。

然后对采样点计算SAD，记做SADi。仅对采样点计算的拉各朗日代价函数如下：

J＝[SAD(si，m)+λ·R(si，m)]

先对上述各种模式分别计算代价函数J，然后选择代价最小的3种模式构成候选模式集。(2)对步骤(1)所得到的候选模式集中每个模式，按照式(1)，通过计算基于率失真的代价来实现基于RDO的模式选择，也即C值最小的模式作为最终预测模式。

所述的音视频解码模块可提供利用IP信号，通过帧重建技术，解码和传输音视频，解码完成后获得的模拟音视频信号。

本发明的有益效果是通过该数字视频矩阵进行音视频信号解码，将数字信号还原成模拟信号而设计的，他可以应用在多媒体监控室、安防监控室、视频会议等多方面。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3硬件平台结构图

图4编码器结构枢图

图5编码流程枢图

图68*8内象素采样

图中：

1、电源                             2、串口控制端

3、RS422串口                        4、千兆网络接口

5、千兆网络接口                     6、编码模块

7、解码模块                         8、键盘鼠标接口

9、无源背板                         10、缓存器

11、基板控制器BMC                   12、微控制单元MCU

13、多路数字视频输入                14、多路模拟视频输入

15、模数转换模块                    16、模拟视频矩阵

17、多路模拟显示输出                18、智能平台管理接口IPMI

19、网络通信模块

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的数字视频切换矩阵做进一步的描述。

数字视频切换矩阵的原理是利用数字编解码技术，它主要特点就是运用H.264压缩算法技术，以压缩解压网络数字信号的形式处理视频信号。

如图1、2、3所示，本发明的数字视频切换矩阵连接在网络上接收多路视频信号，该矩阵的结构包括有机箱，在所述机箱内设有电源模块1，无源背板9及编码模块6，解码模块7，微控制单元MCU12，网络通信模块19，缓存器10，串口控制端2、RS422串口3及基板管理控制器BMC11。

所述视频信号首先由所述编码模块6采集并编码后进入数字视频矩阵，对信号进行处理的指令既可由所述的智能平台管理接口IPMI18通过SOL技术远程输入，也可由键盘鼠标8通过串行控制端口2本地输入，处理后的数据从编码模块6输出后通过所述无源底板7，然后传入所述缓存器4，由所述缓存器4提供给视频解码模块7进行解码运算与逻辑判断，解码完成后产生的视频信号通过所述视频解码模块7发布到监视器上。从缓存器10输出的视频数据或者通过PCI总线9经网络模通信块19进行远程传输或保存。

所述编码模块6与解码模块7核心采用DSP实现。通过采用快速预测模式判断算法实现H.264压缩标准。

对该数字视频矩阵可采用键盘鼠标8通过串口控制端2进行控制，同时可通过网络接口4进行远程控制。远程智能控制采用智能平台管理接口IPMI18，应用SOL技术通过网络接口4远程输入控制指令，经串口控制端2实现对矩阵的开关机控制，监测该数字视频矩阵物理参数、运行状态等信息。

所有数据流指令流都是基于PCI总线技术，通过微控制单元MCU12的控制运行。

该数字视频切换矩阵的结构形成的操作系统为高稳定性的Windows嵌入式操作系统，视频输出信号清晰、连续、稳定、流畅。该数字视频切换矩阵的系统可达到7天*24小时的稳定运行。

Claims (5)

1.一种数字视频矩阵，该矩阵连接在局域网或广域网上接收多路视频信号，将多路视频信号进行多路输出，其特征是：

该矩阵的结构包括有机箱，在所述机箱内设有电源模块(1)，无源背板(9)及编码模块(6)，解码模块(7)，微控制单元MCU(12)，网络通信模块(19)，缓存器(10)，串口控制端(2)、RS422串口(3)及基板管理控制器BMC(11)。

2.根据权利要求1所述的数字视频矩阵，其特征是：

所述视频信号首先由所述编码模块(6)采集并编码后进入数字视频矩阵，对信号进行处理的指令既可由所述的智能平台管理接口IPMI(18)通过SOL技术远程输入，也可由键盘鼠标(8)通过串行控制端口(2)本地输入，处理后的数据从编码模块(6)输出后通过所述无源底板(7)，然后传入所述缓存器(4)，由所述缓存器(4)提供给视频解码模块(7)进行解码运算与逻辑判断，解码完成后产生的视频信号通过所述视频解码模块(7)发布到监视器上。从缓存器(10)输出的视频数据或者通过PCI总线(9)经网络模通信块(19)进行远程传输或保存。

3.根据权利要求1所述的数字视频矩阵，其特征是：

所述编码模块(6)与解码模块(7)核心采用DSP实现。通过采用快速预测模式判断算法实现H.264压缩标准。

4.根据权利要求1所述的数字视频矩阵，其特征是：

对该数字视频矩阵可采用键盘鼠标(8)通过串口控制端(2)进行控制，同时可通过网络接口(4)进行远程控制。远程智能控制采用智能平台管理接口IPMI(18)，应用SOL技术通过网络接口(4)远程输入控制指令，经串口控制端(2)实现对矩阵的开关机控制，监测该数字视频矩阵物理参数、运行状态等信息。

通过RS422接口(3)实现对模拟矩阵(16)的控制。

5.根据权利要求1所述的数字视频矩阵，其特征是：

所有数据流指令流都是基于PCI总线技术，通过微控制单元MCU(12)的控制运行。

Images