從系統架構看,目前市場上存在的分布式處理器主要有四種類別,分別是純硬件,嵌入式CPU,純硬件混合式,PC架構。下面一一剖析:
一、純硬件(如圖13)
圖13
系統由三部分構成,采集節點,交換機,輸出節點
采集節點負責圖像采集,然后將圖像分解成網絡數據包,通過交換機發送到輸出節點,輸出節點再將數據包混合為圖像,在輸出端進行圖像處理和顯示。
純硬件的特點是把采集到的內容當做圖像數據包,而不是視頻流來傳輸。以圖像區域元為傳輸單元,為圖像的切割,分發,幀存控制提供了高效的基礎。切割和分發是為了滿足帶寬需要而設的,秉承量入為出的設計宗旨,需要多少傳輸多少,圖像疊加后被遮蓋的區域不傳,重復的區域不傳。(如圖14)
圖14
這樣帶來的一個好處就是傳輸要求的帶寬不需要根據疊加區域和重復區域而增加,無論怎么拼接和疊加都可以滿足帶寬要求。得利于基于圖像的傳輸方式,幀存控制變得更加容易,能夠保證整屏同步,低延遲。
純硬件處理器使用的核心器件是大規模可編程電路(FPGA)。FPGA的特點是沒有CPU,不存在程序跑飛,死機的問題。即使環境電源出現故障,FPGA失效后也能快速恢復。
純硬件的弱點就是不能解碼網絡攝像頭和圖像的遠程傳輸(由于傳輸無損圖像,導致帶寬很高,無法通過公網傳輸)。
二、嵌入式CPU(如圖15)
圖15
系統由三部分構成,采集節點,交換機,輸出節點
采集節點負責圖像采集,然后將圖像壓縮成視頻壓縮流,通過交換機發送到輸出節點,輸出節點再將壓縮碼流解壓成視頻,在輸出端進行圖像處理和顯示。
嵌入式CPU方案一般來說都是采用ARM+編解碼模塊的方式完成,ARM上面運行Linux操作系統負責事務管理,圖像的縮放,網絡連接,編解碼模塊負責圖像的壓縮和解壓。另一種方式是ARM+DSP的方案,和 ARM+編解碼模塊類似,由DSP完成編解碼,所不同的是DSP能夠自定義壓縮算法,更加靈活。
由于采用H.264編解碼的方式,最大的優點是天生具備網絡攝像頭解碼,和圖像遠程傳輸(通過公網傳輸)。同時,該結構也帶來了其它問題,壓縮后圖像質量不佳,把圖像當作視頻流傳輸后,只能對視頻進行完整的處理,不能做類似于純硬件方式的切割傳輸,當單屏解碼多路時,導致圖像卡頓,整屏同步性不佳,延遲較大。
此外,由于使用了CPU,也就存在死機的風險。雖然能夠通過添加看門狗自動復位,但是由于操作系統的啟動時間在20秒到30秒之間,這個過程顯示屏存在黑屏和花屏的問題。
三、純硬件混合式(如圖16)
圖16
該方案其實就是純硬件和嵌入式CPU的結合。純硬件部分負責拼接,嵌入式部分負責網絡解碼和遠程傳輸。該方案帶來的好處是既能保證本地視頻(采集本地的VGA,DVI,視頻)高質量,完全無損、低延遲,又能實現解碼網絡攝像頭和遠程傳輸。
由于采用混合結構,當嵌入式CPU部分死機復位時,純硬件部分能夠將圖像凍結保存,不會出現花屏和黑屏現象。
該方案最大程度的結合了前兩者的優點,又彌補了兩者的弱點,出現1+1>2的現象,這種混合結構是純硬件和嵌入式CPU兩大陣營的發展目標,預計未來幾年內將會是分布式處理器的主流。
四、PC架構(如圖17)
圖17
PC架構由輸入節點機和輸出節點機以及交換機組成。輸入節點機是由一臺工控機,采集卡和壓縮軟件組成。輸出節點機由工控機,顯卡和解壓縮軟件組成。
輸入節點機通過采集卡采集圖像,計算機將其壓縮成H.264碼流送入交換機,輸出節點機將碼流解壓縮,后處理,最后經顯卡顯示。
該方案出現在10年前,由網絡抓屏發展而來,不過受計算機性能的限制,一個輸入或者一個輸出就需要一臺電腦,導致成本居高,穩定性不佳。近幾年由于PC性能提升,顯卡加速的原因,圖像的效果不錯,在一些展覽展示項目有一席之地,但是受到PC架構本身的影響,導致穩定性有所下降,不太適合7×24小時開機使用。