如何实现低功耗、高能效的视频综合集控系统的设计

部署大规模视频综合管理系统的挑战

随着视频监控系统阔步向海量资源分布和社会化应用的方向推进，IP化、高清化、智能化的技术发展趋势让视频监控行业进入到一个全新的转型时期。在传统模拟视频监控系统实施大规模改造升级的过程中，在新建视频监控系统架构设计选型的过程中，用户不仅对图像的清晰度、实时性、可靠性和易用性提出了日益苛刻的要求，更对设备制造商和系统集成商提出了节能、高效、环保的系统综合考量要求。如果给出具有相同特性和价格的两种产品，用户肯定选择耗能最低的产品，目的在于实现绿色环保。

一个完整的视频监控系统包括前端采集、中间传输、后端显示管理和存储等主要环节，负责后端显示管理的设备是整套系统的核心控制中枢。不论是一个节点形成的单系统，还是多个节点组成的联网系统，不论是模拟视频接入、数字视频接入还是模数混合接入，只有通过后端显示管理设备，才能对分散部署的图像资源进行汇聚处理，并形成人机接口。这种视频综合集中控制的核心作用使其成为每个系统中不可或缺的灵魂，由于这种系统架构的繁复多变，特别是需要解决模拟视频与数字视频综合接入的问题，具体构成也最为丰富，涉及到接收光端机、网络视频解码器、矩阵切换控制器、硬盘录像机、管理服务器、磁盘阵列等设备。由于负责前端采集的摄像机/高速球和负责中间传输的线缆光纤的能量损耗相对较低，所以降低功耗、提高能效、压缩综合成本的提升目标就放在了后端显示管理环节，这类设备普遍存在几类问题：

1、低集成度，部署麻烦

目前市场现存比例较大的模拟视频接入系统中，后端显示管理设备大多配置了矩阵用于对全部视频的整体快速浏览、实时非压缩显示和即时控制。1个256路输入32路输出的矩阵，大多要配置2个以上的大型插卡式机箱，而且还要外置CPU控制器和码分配器等，不包括硬盘录像机/视频分配器等就已占用将近1个标准机柜的空间。超过单一机箱的视频容量，就需要不同机箱之间的多个CPU单元之间的协同工作，以及在多个机箱之间的连接大量视频线缆，容易引入信号干扰和不稳定因素。如果采用嵌入式DVR录像加数字解码矩阵，或者网络视频编解码器的方案，则需要配置大量的网络资源，系统的可靠性/稳定性易受影响，运营维护的成本较高。

2、扩容受限，演进困难

目前视频监控系统中，模拟标清CVBS、模拟高清SDI、数字标清D1、数字高清720P等各类视频格式的多样化，给用户带来系统演进的不确定性和较高的设备升级成本。除了模拟视频的两类信号属于国际通用标准，可以直接使用转换外，数字视频信号目前是每个厂家都有自己的压缩算法和标准，很难互相兼容，造成设备替换废弃，占用存储空间且污染环境。即便是负责视频切换控制的模拟矩阵，也存在结构设计的局限性，比如每种功能板卡只能安插在背板上的固定插槽，无法灵活组合，而且除了视频输入输出模块可以扩展，无法为系统扩充增加新的功能单元。

3、高功耗，高排放

过去，与大多数其他变量（速度/性能、造价成本、上市时间、系统风险）相比，功耗往往被排在较低的优先级。然而在如今的市场，在设计的决策过程中，功耗已经成为一个非常重要的组成部分。比如，在每年为各类监控中心支出的数亿元电费中，25%的费用是直接归因于系统中的大型设备和各类服务器供电，而50%的费用用于为冷却系统和风扇等供电，以消除运行设备而产生的热量。此外，即便一个小型监控中心每年也会因为设备运行而排放20吨二氧化碳。

视频综合集控系统实现低功耗高能效的原则

1、高密度紧凑设计

缩减控制管理设备的组成数量和体积，不但可以减少系统功耗，而且还能压缩占地空间。比如硬盘录像机从早期的工控式DVR到后来的嵌入式DVR，从安装压缩卡到16路CIF乃至目前的16路D1；比如硬盘容量从三年前的80G到目前1T成为主流；比如矩阵切换控制器，从早期的单机箱192入16出到目前业内主流的单机箱256入64出，以及针对车载/会议室应用推出的1U机箱32入16出的业内最紧凑小系统；比如光端机从点对点传输到单纤传16路，以及节点式/汇聚式光系统。

高密度紧凑结构设计使得相同空间容纳更多视频接入、相同功耗提供更优图像画质、相同视频指标占用更小带宽资源和磁盘容量、相同系统设备花费更少造价成本。比如，一台256入64出的大型智能网络矩阵，视频输入输出单模块重量不超过1kg，矩阵满配置重量不超过25kg，整机满负荷耗仅90w，相比上一代模拟矩阵，重量减少70%，功耗减少85%。此外，由于CPU单元/码分配器/电源模块等全部内置，减少了配套设备的供电需求，高整合度、高集成度也大幅提高了系统安装部署的速度，无需考虑多机箱、多设备间的相互连接和反复设置。高密度的7U机架式机箱降低对机房/机柜的空间要求，节省了用户资源（图1所示）。

2、模块化结构配置，灵活扩容

视频监控系统根据不同的客户需求以及技术实现方式，分为多个功能模块，包括：音视频切换、前端云镜控制、报警采集联动、数字录像存储、网络远程传输和数据传输转发等等。每个功能模块经过多年演变发展，已经成为各自独立的行业和产品线。每种设备实现不同的功能，起到不同的作用，满足用户相对独立的需求，因此设计成不同的功能板卡和硬件结构，机箱的大小规格和外观工艺也各不相同。但是在全方位竞争日益激烈的大环境和专注行业化解决方案的大趋势下，必须考虑如何整合多个不同类别的产品，为用户提供高集成度、使用便捷、运维高效的一体化产品、系统；以及为应对价格竞争，必须实现成本压缩和质量控制的产业化要求。即便是同一公司的产品也面临着产品种类多产量少、硬件结构各不相同、板卡机箱不通用、无法保证检验标准的低效率问题。而模块化结构设计已成为最有效的解决手段。

以当前比较先进的MSIP通用化模块结构技术为例，其核心设计思想是将视频输入输出、音频输入输出、中文字符叠加、全交叉切换管理、光接收发射、报警输入输出、网络视频编解码等各功能模块按照标准协议统一硬件接口和底层协议栈，通过标准机架式机箱的内嵌式导轨卡槽组装到通用高速总线背板上。各种功能模块根据统一的标准属性类别编码，能够依照实际需求灵活搭配，内置到通用总线背板的任意插槽，板卡数量位置无须地址限定，系统自动扫描识别后快速上线运行，日后客户可自行扩展升级维护各类功能模块，系统部署成本降低至少20%。比如基于此平台开发的VMS视频综合集控平台系统，采用7U标准插卡式机箱，CPU单元、码分器、网络交换机、电源模块全部内置，支持256路模拟视频输入64路模拟视频输出，支持多路网络视频编解码模块，支持数字视频输入输出，实现模拟数字视频信号的混合切换控制，用户在网络内任意节点即可远程浏览控制前端图像场景，还可内置多个32路报警信号输入模块或者网络报警主机，实现对周界报警探测器各种报警类型的支持（图2所示）。

模拟视频、数字视频都可通过采用接口标准相同的编解码模块实现统一规范，即插即用，解决多种视频制式兼容的问题。而对视频图像进行综合管理的软件单元也需要模块化设计，用户可以根据系统的实际需求对CMS总控管理、录像存储、用户权限、代理转发、WEB服务、报警管理、GIS地图等各软件单元进行菜单式配置，既可以独立部署，也能够协同工作。

多模块集成的主要作用就在于能够实现与声音图像的综合联动，比如周界报警探测器触发报警后关联预设的一路或多路视频切换显示和录像存储，音频信号超过设定分贝阈值后关联预设的视频切换显示，视频场景感知设定区域有物体移动后关联预设的视频切换显示，如果前端摄像机是云台变焦摄像机，则会启动预设的预置位和巡航轨迹。对于这类综合联动的智能预设处理，可以借助宏指令实现快捷编辑和自定义调用。宏是一个用户自定义的操作指令，以替代人工进行的一系列费时而难以记忆的重复性键盘操作，自动完成预设的各种操作，提供对紧急事态的应急预案处理。通过宏这个友好的人机交互界面，将需求输入，就可以让系统自动实现对各个扩展功能模块的统一调用和关联操作，用户无需关心底层的硬件设备如何实现指令互通和数据交换。究其根本就在于所有功能模块均采用了统一的协议栈和标准的接口设计，从而组成高度智能的一体化集成设备。

3、统一平台应用，平滑演进

面对设备众多复杂的大型视频监控系统，管理环节中最低效的是不能进行快捷有效地操作。为此，需要从统一平台应用接口和强化单类产品事件流管理两方面入手。

统一平台应用接口要求所有软件单元和硬件模块都通过一台总控服务器管理，统一数据交换、统一时钟、统一视频传输，共享处理资源。以VMS视频综合集控平台系统为例，通过这台总控服务器可以实现对系统内所有的基准功能模块和扩展功能模块的管理，包括对视频输入输出、存储磁盘、录像通道、用户权限、事件触发、操作日志的全部设置，用户通过客户端只需要访问到这个IP即可，不但节省了网络资源，而且提高了执行效率。

事件流管理则将单核中枢向多核节点推进，核心思想是将相对庞大的视频综合集控平台系统分解为二三级的子设备，从而便于中小系统的低成本快速部署。比如智能网络矩阵通过WEB集控技术，以音视频信息流为数据参照主线，绑定网络视频输入输出、报警输入联动、报警分区控制、用户权限管理、前端操作级别等功能，将多业务模块一体化集成，用户通过IE浏览器便捷管理，无需专用工作站服务器，也无需复杂连接和繁琐调试，基于标准协议接口的网络键盘也为用户提供了方便灵活的人机交互界面。

4、低功耗，高能效

不论是高密度紧凑结构设计，还是模块化接口通用高速总线，都需要在系统设计和产品设计中考虑采用多种创新技术手段、使用更高主频、更高性能、更小封装体积的芯片处理方案。在众多的复杂系统设计中，FPGA是一种较好的选择，可以帮助设计人员提高系统易用性扩展性、提高单位密度。比如在视频切换和字符叠加电路中，原先的通用方案需要配置多路芯片，致使电路复杂，PCB电路板面积增加，系统集成度下降。通过FPGA可以自动识别视频制式并产生同步信号实现视频同步无抖切换，而且可以同时用户自定义字符图形叠加到多路视频信号中，执行效率和能耗压缩率提高了8倍。比如目前最新上市的S系列32入16出视频矩阵，机箱仅有1U高度，采用了多核单板式平台技术，切换、控制、交换、叠加全部由一枚主芯片解决，为紧凑型小系统提供了最优选择。

功耗是一笔较大的综合成本开支，因为要处理过多的功耗所造成的热问题时，电路板设计的复杂性增加了，对端口的密度和带宽的要求上升了，但是波形因数下降了，迫使开发工程师对项目进度和预算做出调整。（图3所示）

芯片能耗包括多方面，比如FPGA的功耗就来自于预编程静态器件功耗、浪涌编程电流、编程后的静态功耗、动态功耗。为解决此问题；一方面利用更小芯片制程工艺比如65nm可以解决这些问题，另一方面深入挖掘节能潜力，利用多种节电技术降低整机功耗，比如采用低耗高效能的DSP和PCB、采用智能软件节电技术、功率控制技术（图4所示）。

优化电源设计，通过减少元件数量，缩减PCB板面积，降低温度，提高系统可靠性。通过电源智能温控技术，自动关闭/开启整流模块，使电源时钟工作在效率最高的负载率区间（图5所示）。

针对机箱结构，简化热管理系统，采用更小的（或不用）散热器，使其具有更低的气流要求。一方面通过自然散热，使得同等容积下提高热容20%，一方面散热系统可根据温度变化自动调节，降低噪声和功耗（图6所示）。

低功耗视频：综合集控系统的未来

节能减排、低功耗设计在视频监控行业里可能还是一个全新的概念，基于多制式视频接入方案的视频综合集控系统则更是一个崭新的平台。模拟视频、数字视频在目前的应用当中有各自的市场份额，但从技术的演进和发展角度看到的是从模拟向数字不可逆转的一个趋势，在视频监控演进的过程当中，接入速率在不断提高，接入资源不断丰富，接入技术不断发展。目前的视频监控系统，是多制式视频共存的系统，是需要融合演进的系统。技术发展的必然趋势，使得传统的设备会因不断地老化而需要更新替换，能否接入多种视频实现灵活部署，保障初期投资？能否响应快速变化的升级扩容需求实现低功耗、高能效运行？目前为止，天地伟业经过多年研发的积累，已经掌握了视频综合集控管理中关于切换显示、控制转发的几点核心技术，并将持续投入对下一代系统构建模式的优化节能的研究。未来的视频监控系统不论面临什么样的问题，降低功耗都将会是一个长期的挑战。