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视频矩阵的工作原理

在一个完整的安防电视监控系统中，一般由摄像机、监视器等设备组成，

如何实现视频信息资源的共享分配、切换和显示，如何实现摄像机对监视器的

顺序切换显示或分组切换显示，完成这个切换功能的设备就是视频矩阵切换器。

矩阵切换系统的作用、分类和使用场合一个完整的安防电视监控系统通常

由摄像机、监视器等设备组成，如何实现视频信息资源的共享分配、切换和显

示，如何实现摄像机对监视器的顺序切换显示或分组切换显示，完成这个切换

功能的设备就是视频矩阵切换器。

如在会议室中，一般输入设备很多：

有摄像机、 DV

D、VCR、实物展台、台式电脑，以及笔记本电脑等等，而显示终端则较

少，包括投影机、等离子、大屏幕显示器等，若想共享和分配这些输入设备的

显示信息，矩阵即可发挥重要的作用。

其可将信号源设备的任意一路的信号传输至任一路显示终端上，并可以做

到音频和视频的同步切换，使用方便。

在安防行业，通过视频矩阵和电视墙的配合，操作人员可以在电视墙或者

任何一个分控点看到任意一个摄像机的图像。

矩阵主机即是通过交叉开关切换的方法，将 X 路视频输入信号任意输出至 Y 路监看设备或其它的电子装置（设备）。

一般情况下矩阵的输入通道数大于输出通道数即 X＞Y，当然也有 X＜Y 的矩阵主机。

有一些视频矩阵带有音频切换功能，能将视频和音频信号进行同步切换，

这种矩阵也被称为视音频同步切换矩阵。

视频矩阵可以运用在很多场合，如安防行业的监控中心，教育行业的多媒

体教室、会议室等，相对来说，监控行业使用的视频矩阵较多。

矩阵种类很多，根据接口类型可分为VGA矩阵、AV 矩阵、光矩阵等；根据接口数量来划分，则包括 8 进 2 出、 128 进 32 出、 1024 进 64 出等；还可根据处理的信号类型划分为模拟矩阵与数字矩阵，当然还有混合矩阵。

混合型视频矩阵的概念比较广，既可以是模拟和数字和混合，也可以是CVBS和 RGB矩阵的混合等；根据档次分有电信广播级的同步切换矩阵和普通的

视频矩阵，广播级的矩阵主机切换图像的时候利用在视频信号的场消隐信号期

间进行，切换过的图像没有闪烁非常平稳。

多媒体教室安防行业和会议室等使用的矩阵不是同步切换矩阵，这种矩阵

在图像切换的瞬间会随机性地出现图像抖动现象，主要是由于切换图像的时候，

有可能在上一个图像场扫描的中间进行，但这种抖动持续的时间非常短，一般

不超过 1 秒，不影响观看效果，切换后的图像画面清晰稳定。

本文主要介绍的是在安防行业中使用的视频矩阵。

模拟视频矩阵系统工作原理介绍目前安防中使用的矩阵较多为模拟视频矩

阵，其主要用来对模拟视频信号进行切换和分配，一般情况下由视频矩阵主机

和配套的一个或者多个控制键盘组成，矩阵主机内含音视频输入模块、音视频

输出模块、中心控制模块、报警模块、电源模块等；控制键盘由按键、显示、

摇杆、权限控制锁等构成。

视频矩阵各个模块的作用

1、视频输入模块其对输入的模拟视频信号进行隔离、缓冲和放大处理，主

要目的是将视频信号转换为符合切换要求的信号。

常见的视频信号缓冲隔离电路采用分立三极管组成的同相放大电路形式，

也有采用集成电路芯片对视频信号进行缓冲放大处理。

2、视频输出模块对切换后的音视频信号进行再次处理，满足显示或者记录

设备的信号输入要求。

常见的视频输出模块要对输入的视频信号进行幅度放大、字符叠加等处

理，字符叠加芯片有日本NEC公司的UPD6450（只能叠加英文字母）、

UPD6453，富士通公司的 MB90092 等。

3、中心控制模块此模块是矩阵切换系统的控制核心，一般由CPU（MCU 微处理器）、存储器、通信芯片、汉字库芯片等组成。

4、报警模块用来检测报警输入，通常也会由另外的CPU来做报警检测处理。

控制键盘的组成

1、按键输入部分其用来接收用户的按键输入，由数字键和相关的功能键组

成。

单独的功能键设置会让用户操作起来更方便。

2、键盘显示部分既可采用液晶显示的，也可采用数码管显示的。

液晶显示又分为英文显示液晶，汉字显示液晶等。

3、摇杆分为两维摇杆、三维摇杆、四维摇杆等。

两维摇杆可以控制前端设备上、下、左、右动作；三维摇杆不仅可以实现

两维摇杆的控制功能，还在摇杆上增加了变倍控制功能，四位摇杆在实现三维

摇杆全部控制功能的基础上再增加某些控制功能。

4、有些控制键盘设计有权限控制锁开关，用来防止非授权人员操作和控制

矩阵。

视频矩阵切换器的工作原理是：

矩阵切换器收到控制键盘的切换命令后将对应的输入切换到对应的输出。

切换部分的核心为一个X×Y的交叉点电子开关，通过控制交叉点开关的断开和闭合可以实现 X 方向的任意输入和 Y 方向的输出联通，假如将摄像机接入 X 方向的输入，监视器连接在 Y方向的输出，不难想象，通过电子开关的闭合、

断开，可以在任意一个监视器上看到任意一个摄像机的图像。

大量使用这种交叉点电子开关芯片，经过合理的级联组合，再加上输出模

块、中心控制模块、电源模块等就可以构成一个复杂的视频矩阵切换器。

下面举例说明矩阵切换的具体工作过程：

用户想要观看某一个摄像机的图像，首先通过操作键盘输入对应的摄像机号码，比如 128 号摄像机，输入完毕后键盘将用户的操作命令按照定义好的通讯协

议转换为控制命令传送到矩阵主机，矩阵主机的中心控制模块接收到控制命令后，分析接收到的数据，因为有很多视频输入模块，首先找到对应的视频输入模块

（比如本例第 128 号摄像机对应的输入模块），发出开关闭合命令，视频输入模

块将图像切换到底板的视频输出总线，中心控制模块同时控制输出模块叠加相关

的显示信息，比如摄像机标题、分区、标识等到视频信号。

当用户想要控制前端动点设备时，中心控制模块会根据用户选择的通讯协

议参数，通过通讯控制端口发出控制命令来实现控制操作。

矩阵切换器的附加功能阵切换系统的最重要功能是对输入的视频信号进行

切换和分配，除此之外还有许多附加的功能，这些附加功能的合理使用会给用

户带来很多方便，可以减少系统的调试维护工作量。

监视器屏幕菜单编程功能矩阵监视器屏幕菜单编程功能，通过这个功能可

以在施工现场通过配套的控制键盘即可实现切换队列编程、权限设置、通信协议、波特率选择等功能。

有些矩阵的控制设置可通过电脑来完成，因为现在有便于携带的手提电

脑，所以控制设置比矩阵键盘更方便。

多种云台控制协议兼容功能在监控行业，前端的动点控制设备往往是调试

比较困难的，经常会因为波特率、地址码设置、布线方式等问题导致不能够正

常操作前端设备，如果矩阵主机能够兼容多种控制协议，监视器屏幕能够有合

理的提示信息功能会给调试带来方便。

云台控制信号分组放大隔离功能在一个大型监控项目中，前方动点设备有

时候非常多，根据 485 总线的接线方式，当总线上一个设备出现问题的时候可

能会锁死总线，造成总线上的其他设备都无法正常工作，这时候要排查出哪一

个设备有问题是非常困难的，需要将所有的设备分别隔离来一一寻找故障点。

如果矩阵主机带有多个 485 控制信号输出端口，便可以方便地将控制设备

分组控制，避免一个设备损坏整个系统瘫痪的问题，可以方便地查找原因，并且增加了通讯距离和控制的稳定性。

固件远程升级功能任何一个电子产品在市场上销售一段时间后，可能会发现一些 bug、或要增加新功能、或根据客户需要做一些更改，带有固件远程升级功能的矩阵就可以方便地实现这个功能，节省客户投资。

数字视频矩阵系统的工作原理及特点随着电视技术向数字化发展，电视监

控行业也出现了很多数字设备，数字系统已成为目前的热点，于是出现了数字

视频矩阵的概念，一些厂家也推出了纯数字视频矩阵设备。

但是纯数字矩阵也存在很多模拟矩阵所没有遇到的问题，它的基本功能是

什么？应用的网络环境是什么？还都不清楚，至少在认识上还不统

一。

目前数字化系统主要有下面两种情况：

一是按着模拟视频矩阵的概念，对输入的数字视频信号（数据流）建立通

道式的连接（多少入对多少出），这样的设备主要用在电视演播室中，它所适

应的系统（网络）结构是集总式的，但采用这种结构在安防行业的电视监控系

统很少采用。

另一种方式是在 LAN的环境下，利用 DVR、视频网关或采用 IP 摄像机使图像源数字化，通过网络交换机来实现数字流的切换，这时系统的输出可认为是B/S 或C/S结构中的客户机，它没有在输入和输出信号之间建立一个传输通道，

实质上只是在并行地进行多路的图像变换和编解码处理，输入和输出之间的连

接不是直接的（有变换），也不是实时的（有延迟）。

而且输入信号通常是模拟的视频信号，输出则可能是数字信号或模拟信

号。

这是一种分布式结构，其特点是：

·数字视频信号在多次传输、记录和处理过程中，图像质量不会降低。

同时，既能实现分布式存贮和本地控制，又能做到集中的图像调用、记录

和统一地管理，图像检索处理比较方便，比如做多画面分割，车牌号识别等，

这些图像处理采用模拟技术很难或者无法实现；·网络布线方便，可以充分利用建筑内预留的数据网络。

便于与广域网连接，实现远程监控；·系统的可扩展性和可升级性好，保密性强。

但其仍存在一些亟待提高的问题：

中心监控室不能同时获得系统全部的实时图像。

图像质量（分辨能力清晰度、连续性、图像还原性）都还达不到模拟系统

的水平。

更重要的一点是，产品尚未完全成熟、接口关系不统一（特别是视频编解

码算法）还没有形成基本的标准和统

一。

尽管如此，这种方式将是电视监控系统从模拟向数字化过渡的最佳且必然

的途径。

现在市场上销售的视频矩阵主机，很大一部分还是传统的模拟视频矩阵，

数字矩阵只是其中的少部分，随着技术的进步和安防产品的数字化进程，不可

否认，数字矩阵主机将是未来的发展趋势。

在数字矩阵面临很多问题没有完全解决之前，模拟矩阵和数字矩阵将会在

市场上共存。