大路数嵌入式网络视频编解码器的技术实现

  一、概述

    随着视频监控的数字化，网络化时代的到来，越来越多的模拟监控系统被数字网络监控系统所取代，同时监控点的数量越来越多并且越来越密。这不仅要求在监控前端部署网络视频服务器，而且要求在大型视频监控中心或指挥中心部署网络视频解码器，以满足网络视频图像解码上监视器、电视墙的目的。

    网络视频解码服务器能够通过自身的网络接口从网络上接收一路或多路的数字视频码流（可能是MPEG4、H.264、MJPEG等等不同格式的码流），将这些数字视频码流进行解码，并且转换成视频模拟信号，然后输出给监视器。

    目前，在视频监控领域中已经有了各式各样的网络视频解码器，但是多以单路产品为主，4路、8路以上的解码产品极少，这使得网络视频上电视墙的时候，需要多套解码器并联工作才能满足需求，也给设备管理带来了诸多不便。因此，网络化监控，需要8路、16路甚至32路这样的大路数网络视频解码器以构建完整的全IP解决方案。

   二、技术瓶颈

    目前，对于大路数嵌入式网络视频解码器的设计还存在很多瓶颈问题，这些问题如果不能有效的解决，大路数网络视频解码器就无法真正产品化。

    1、 单板尺寸过大

    随着路数的倍增，在目前的设计思路下，硬件单板的单板尺寸也会大面积增长。如果达到32路或者32路以上，即使布局再精细，这块集成了32路解码能力的板子也会达到一个惊人的尺寸，并且电路及其复杂，不但难以调试，而且无法使用。

    2、 生产加工难度高

    超大的硬件尺寸，复杂的电路都是目前的生产能力达不到的。如果生产的合格率过低，次品率超高，这样的产品是没有实用价值的。

    3、 故障不可控制

    由于在一个单板上集成了大路数的视频解码，即使有一路出现故障，也很有可能导致整个整个系统陷入瘫痪。不能隔离和控制故障，很难使产品真正的有实用性。

    4、 产品难以维护

    一旦这样的产品出现故障，维修人员是很难迅速解决问题。可能要经过长时间的复杂调试和诊断，才能修复，这一点显然使大路数视频解码器很难有实用价值。

    三、技术实现

    进行大路数嵌入式网络视频解码器的设计，必须从设计上克服上述瓶颈问题，才能使大路数网络视频解码器具有商用价值。其实，大容量产品的设计在电信领域中已经得到了很好的应用，如电信级的大容量以太网交换机，容量从几路到几百路甚至更多，其电路的复杂程度也相当高，但是，大容量、高稳定性已经成为这些电信级产品的基本特性。

    本文将借鉴电信级大容量网络产品的设计思想，应用于网络视频解码服务器的设计中，提出了一种针对大容量嵌入式网络视频解码器的设计思想。这样的设计思想同样适合于大容量嵌入式网络视频服务器的开发。

    1、 硬件功能的模块化设计

    在硬件设计上，必须根据功能进行模块化设计。硬件功能的模块化要尽量细一些，模块分工要明确。当然，由于各个产品的需求并不完全一样，硬件功能划分也没有统一的标准。下面以卓扬科技的VE2016网络视频解码器为例，描述这款网络视频解码器的硬件功能划分。

    硬件功能模块划分：

    主控模块

    主控模块主要完成系统的控制，包括网络的输入输出控制，系统中数据流的传输控制等。

    视频解码模块

    视频解码模块主要完成各种视频码流的解码。这里的视频解码模块又以每四路视频解码为一个模块单元，完成4路的视频数据解码，4个这样的模块单元就可以完成16路的视频数据解码。

    视频显示模块

    视频显示模块完成将解码后的视频数据转换成模拟信号输出到监视器上进行显示。这里的视频显示模块分成4路的视频显示模块单元和视频分屏显示模块单元，这样可以在16个监视器上观看16路的视频数据，也可以在一个监视器上分屏观看16路视频数据。

    硬件功能模块划分是大容量视频解码服务器设计的基础，根据上面的划分，也可以轻松设计一款32路网络视频解码服务器的各个硬件功能模块。实现了硬件的功能划分，而且功能划分尽量合理的细致，才能为后期实现各个功能模块间自由组合打下一个好的基础。

    2、 硬件结构的模块化设计 

    要想实现大容量的思想，硬件结构的模块化设计至关重要。电信业成熟的“子板－背板”设计思想可以移植到网络视频解码服务器的设计中来。整个系统设计一块背板和数个子板。背板允许各种子板插在上面，通常只负责子板间数据的传输；子板则全部插在背板上，完成具体的功能。所以，前面划分的硬件功能都应该在子板上设计完成。同样以卓扬科技的VE2016这款16路的网络视频解码器为例，系统包含三类子板：

    主控子板。该子板只有1块，完成主控模块定义相关的功能；

    视频解码显示子板。该子板共有4个，其实是将4路视频解码功能模块和4路视频显示功能模块集成到了一起。这样，4块这样的子板就可以完成16路视频的解码输出了；

    视频分屏显示子板。该子板有1个，完成视频分屏显示模块定义的功能；

    这样，就将一个庞大的、复杂的16路的视频解码系统分解成若干个小的子板，每个子板只完成自己的功能，组合起来完成这么一个庞大的、复杂的功能。

    从上面的子板设计来看，可以通过扩充4路视频解码显示子板的个数来扩大系统解码容量，达到更大的视频解码容量。更换更高性能的主控制子板可以提高整个系统的性能。采用“子板－背板”硬件结构设计后，子板的功能简单，尺寸极小，系统具有更强的可扩容性，更大的灵活性。 

    3、 规范的总线系统设计

    采用了“子板－背板”的设计理念，子板和子板之间的数据交互就变得十分重要了。子板和子板的数据交互完全是依靠系统的总线来完成的。对整个系统来说，规范化的总线系统设计是产品设计成功的有效保障。同样以卓扬科技的VE2016产品为例，子板和子板之间的数据交互定义了自己的“上海卓扬科技有限公司总线系统规范”，这套总线系统规范容纳了当前系统中所有的子板间的数据交互，同时也考虑到后期产品的扩容性。

    4、 软件的模块化设计

    软件的模块化设计思想在产品中本来就应该存在了。对于大容量的可扩容产品，软件的模块化设计更应该考虑到产品的扩容性。允许产品任意的增加或者减少解码路数。

    四、产品优势

    根据上面的设计思想，大路数嵌入式网络视频解码器的设计不仅克服了前面提到的瓶颈问题，同时具备了更多的特性。

    1、 超大容量

    通过增加相关的功能子板，产品将具备更大容量。以卓扬科技VE2016网络视频解码器为例，目前是16路的解码器，但是可以通过增加解码显示子板使系统具备20、24、28路甚至更高的解码输出容量。

    2、 平滑扩容

    产品可以根据用户的需要随时方便的增加解码路数和减少解码路数。当用户需要增加解码路数的时候，只需要多插入一块解码显示子板就可以了；如果用户需要减少显示路数，也只需要从当前系统中拔出一块解码显示子板就可以了。

    3、 稳定性高

    系统的模块化设计，结构的模块化设计，使产品易于调试，生产及维护，从而使产品具有更高的稳定性。这一点，电信业产品的高稳定性运行已经可以证明这样的设计思想将带来更高的稳定性。

    4、 便于维护

    在这样设计思想下，一旦某一路发生故障，最多影响其所在的子板，而其它子板都能够继续照常工作，故障不具有无限波及性，错误被限制在一个很小的范围内，这为设备维护、检修带来了很大的便利。

    5、 扩展性强

    由于功能都是在子板上完成，我们只要设计出不同功能的子板就可以扩展产品的功能。如卓扬科技的VE2016网络视频解码器，只要将其中的解码显示子板更换成视频编码子板，就变成了一款大容量嵌入式的网络视频服务器。

    五、典型应用案例

    网络视频服务器将摄像头产生的模拟图像信息进行压缩、编码处理后，通过网络口送入局域网或广域网进行远程传输。

    在监控中心，VE2016网络视频解码器通过以太网口，接收源网络视频服务器的数字视频码流， 并进行解码，通过BNC接口将解码后的图像在监视器或者电视墙上进行还原显示，一台VE2016解码器可同时连接16台监视器。VE2016网络视频解码器同时内置虚拟矩阵功能，它可以实现从上千个网络视频服务器中任意选择16路视频源进行解码显示，并可以分组轮询显示。

    在监控中心，通过管理主机上运行的客户端视频管理软件，可以对多个视频服务器及解码器进行用户管理、设备管理及图像存储管理，以保证合法用户的接入、实时监控以及设备的正常运行。

    该产品满足了网络化时代对分布监控、远程访问、集中管理的要求，实现了与模拟监视终端的无缝融合，可以广泛适用于公安、军事、道路交通、大型企业、学校、银行、机场、地铁、智能小区等各个领域的监控。