高密度视频矩阵中的视频处理技术

高清显示无损切换——高密度视频矩阵中的视频处理技术

天津天地伟业数码科技有限公司研发监控产品部樊海春

目前的安防系统中，以智能网络矩阵为代表的中心控制系统的功能已经非常强大，但矩阵的丰富多样的功能是建立在视频处理的基础上，所以视频处理效果的好坏将直接影响到矩阵的整体使用效果！在实际项目中，很多用户会遇到视频串扰、颜色失真、字符抖动、切换缓慢的现场，这些问题的根源是矩阵内部的视频处理出了差错。

传统矩阵的视频输入大多属于非压缩的模拟视频信号，模拟视频就像娇气的孩子，在进行切换处理时需要处处小心，从器件选择、阻抗匹配、耦合方式、字符叠加、布板、现场施工，每个环节都至关重要，细微偏差就带来严重的后果！

随着目前监控系统规模的不断扩大的趋势，原先单机64×16或者128×16的规模已经不能满足需求，往往需要多个机箱扩展，但这种方式会使得视频信号在转接线和机箱之间进行多重路径传输，容易带来信号干扰和信号衰减。如果能让一个机箱容纳更多的视频输入输出，让不同通道之间的视频信号在板间板内快速传递，将无疑是矩阵性能指标的最大保证。

此外，在平安城市建设如火如荼的今天，作为城市安防核心的公安市局总控中心大多配置16孔以上的屏幕墙，这将占用矩阵的一部分输出通道。同时，还需要将矩阵的一部分视频输出传送到交警支队、人防指挥中心、应急指挥中心甚至基层派出所等相关部门进行独立管理。

这就要求矩阵可以实现单机箱32路输出甚至64路输出。为此，国内外矩阵厂商开始在提高矩阵的高密度结构上推陈出新。以天地伟业的TC-8800系列智能网络矩阵为例，单机箱可以最大384路输入，最大64路路输出，可以扩展到4096×1024，板卡集成度高，连接线缆少，故障隐患概率低，安装维护简单方便，可与各类前端采集

设备、链路传输设备和中心控制设备兼容使用，适合城市安防等大规模视频集中监控场所。

高密度结构设计对视频信号处理的设计提出了更高要求，因为视频的效果随着矩阵路数增大，容易受干扰的程度以倍数增加，从大路数矩阵的视频效果可以检验厂家的技术实力。我们以天地伟业的智能网络矩阵产品为例，从硬件设计的四个方面探讨高清视频无损切换的优势。

视频的耦合方式

在设计矩阵的视频电路时，输出可以选择交流耦合与直流耦合两种方式。交流耦合输出电路包括一个串联电容（如图1），直流耦合输出电路则没有这个电容（如图2）。

图1交流耦合输出电路

从上图交流耦合输出时，输入波形和输出波形的对比，可以看出输出波形相对于输入波形会向上或向下倾斜，这种场失真称为场倾斜。这里需要说明，场倾斜在监视器屏幕上是不能被发现的，换句话说，我们用眼睛察觉不出场倾斜。从图2中，直流耦合输出时输入波形和输出波形对比，我们注意到这种情况下没有倾斜。

图2直流耦合输出电路

既然交流耦合存在这样的缺点，我们在矩阵中是否就采用直流耦合呢？恰好相反，很多设备通常采用交流耦合！为什么交流耦合存在缺点，矩阵中还要采用呢？原因很简单，是为了起到后级保护作用，一旦矩阵输出端口的视频线短接到地或电源电压，这个电容器可以防止烧毁内部的集成电路。另外，电容器还有一种作用：某些品牌的液晶监视器在配合直流输出的矩阵使用时，存在视频抖动，这种现象的原因与液晶监视器的视频输入电路有关，而在配合采用交流耦合输出的矩阵时，没有该现象。

视频字符叠加

什么叫字符叠加？在一个使用矩阵进行图像切换的监控系统中，大量的视频信号需要在数目有限的监视器上以切换的方式分时显示出来。面对这些实时动态的画面，面对这些局部场景类似的画面，面对这些频繁切换的画面，使用者必须清楚迅速地了解当前监控场景的位置信息，这就需要在这些输入的图像上叠加各自不同的字符，对场景做详细准确的标注。此外，还可以在图像上叠加时间日期等信息，便于记录和后期检索备档。

作为矩阵电路中的关键部分，字符叠加的好坏直接影响最后的视频效果。字符叠加的英文名称为OSD（on screen display），OSD技术发展到现在，目前市场上主要有两代技术，如下：

OSDⅠ：第一代字符叠加技术，90年代开始应用普及，在NEC芯片平台上开发实现，每芯片实现一路字符叠加，显示分辨率288×216，中文只能显示最大18×12的非标字符，内置240个ROM西文字符和16个用户自定义RAM字符，字体偏大，每个通道的字符叠加位置通过调整硬件参数实现，对器件的精度要求高。作为国内最早研制矩阵产品的厂家之一，天地伟业于1999年就获得了该项字符叠加技术的专利。由于该方案实现简便，设计成熟，目前国内大多数中文矩阵均在采用。2007年，天地伟业又推出了改进版本的OSDⅠ技术，不仅可以叠加显示两行信息，而且可以提供多种字号选择。此外，将原先需要输入区位码或者安装专用软件传字的方式，改变为通过网页输

入，用户只需要在浏览器中输入中文标题并提交，显示即可生效，就像上网一样简单，而且可以局域网的任意节点远程操作。

OSDⅡ：第二代字符叠加技术，基于富士通芯片平台，2006年，天地伟业率先在TC-8800系列智能网络矩阵上实现应用。同样每芯片实现一路字符叠加，显示分辨率提高到576×384，可以实现无视频时的字符叠加，支持国家二级字库，字体大小适中，对视频遮挡影响小，每个通道的字符叠加位置通过调整硬件参数实现，对器件的精度要求高。同样支持两行显示，字号可调，字符灰度可调，在各类不同光照环境下均能保证字符清晰可见，同时更适合现在逐渐流行的液晶电视屏幕墙，降低了24小时不间断使用时对屏幕灼伤的防护要求。支持网页提交。

OSDⅡ技术的两行16个汉字显示特别适合于平安城市项目的实战应用。在跨地域、跨县市的平安城市项目中，来自不同单位的成百上千个监控点汇集到一起，指挥中心如何有序、高效地识别和定位这些图像？通过多行显示技术，第一行可以显示派出所的名称，第二行可以显示该所辖区内街道单位的具体位置。其他如监狱看守所以及住宅小区等区域管理系统也可通过此功能实现对场景的快速准确定位。

视频的自愈处理

视频信号在传输过程中，高频分量最容易衰减。高频分量的衰减主要体现在视频的色亮增益差、亮度非线性失真、微分增益失真、微分相位失真、色度亮度交调失真的程度。上面的专业术语，可能让人不容易理解，它们在视频上都有相应表现，用眼睛就可以识别。

色亮增益差：为负值，图像色彩变淡，人物神色不佳；为正值，颜色过浓，轮廓不分明，类似儿童填色画，缺乏真实感。

色度非线性失真：值越大，图像失去灰度越明显，层次减少越多，分辨率降低程度越大。

微分增益失真：不同亮度背景下的色饱和度失真，影响彩色效果（如穿鲜红衣服从暗处走向亮处，鲜红衣服变浓或

变淡）。

微分相位失真：不同亮度背景下，色调产生失真，由某种颜色变成其他颜色（如穿鲜红衣服从暗处走向迷宫年初，鲜红衣服偏黄或偏紫）。

色度亮度交调失真：图像出现字幕时，失真较明显，字幕相对应的背景亮度上的对比度产生失真。

视频在矩阵内部经过的板卡接口、处理芯片越多，高频的衰减会越明显，在大路数矩阵上表现会更加突出。在矩阵内部尤其是大路数矩阵内部需要对视频进行自愈处理，减少失真，否则视频图像上的显示质量会较明显的降低。天地伟业的智能网络矩阵应用了轮廓校正技术（contour correction），在水平和垂直两个方向上补偿因失真引起的高频分量幅度衰减，保证了视频图像可以无损高清切换显示。

视频的抗干扰技术

模拟视频是娇气的，在没有熟悉它之前，会让人感觉高深莫测，以致有人将视频串扰，称为“鬼影”，以此来形容视频串扰的难以解决，而视频串扰的实际表象是在一个视频画面中能够模糊的看到另外一路视频的影子。其实，造成“鬼影”的原因是多方面的，而最主要原因是PCB布板。

串扰在电路板上表现为，一颗视频线上有信号通过时，在PCB板上与之相邻的信号线上就会感应出相应的信号，产生串扰。信号线距离地线越近，线间距越大，产生的串扰越小。因此，解决串扰的方法是将发生串扰的信号或屏蔽被干扰的信号移开。在视频矩阵的电路板上移开视频信号，不太实际，只有视频信号之间相互屏蔽。在PCB 上屏蔽采用的基本方法就是信号线用地线隔离，而这样做势必会影响电路板上的视频路数。相同机箱高度，矩阵的路数越大，电路板上的视频密度越大，降低视频串扰的难度越大，对应的对PCB布板的要求越高！因此，大路数矩阵的视频效果是矩阵厂家的技术实力的体现！

切换是矩阵的基本功能，视频质量是切换的根本要求，它的好坏直接决定矩阵的质量。现在，安防竞争日益激

争中脱颖而出！