應(yīng)用于小間距LED顯示屏的拼接處理技術(shù)

圖像拼接處理器的要求

隨著LED顯示屏像素間距不斷變小，觀看距離不斷拉近，為了達(dá)到出色的顯示效果，不但要求LED顯示屏本身在圖像處理和拼裝工藝上精益求精，對(duì)LED顯示屏前端的圖像拼接處理器(以下簡稱拼接器)也提出了更高的要求：

(1)證輸出同步性，避免拼接畫面不同步現(xiàn)象;

(2)優(yōu)化圖像處理算法，使經(jīng)過縮放處理的圖像保持高清晰度;

(3)自定義輸出分辨率，應(yīng)對(duì)LED顯示屏物理分辨率不規(guī)則的特點(diǎn)。

應(yīng)用于小間距LED顯示屏的拼接處理技術(shù)

2.1 拼接器與小間距LED顯示屏的配合使用

拼接器的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是可以輸出多路DVI信號(hào)，對(duì)矩陣排列的多個(gè)顯示屏進(jìn)行拼接顯示，使之成為邏輯上的一個(gè)完整的顯示區(qū)域。

對(duì)于LED顯示屏而言，我們可以將一臺(tái)LED控制器所驅(qū)動(dòng)的顯示區(qū)域定義為一個(gè)獨(dú)立的LED顯示屏，當(dāng)前的LED控制器采用DVI/HDMI作為信號(hào)輸入接口，支持最大的輸入分辨率為1920×1200@60Hz，最大帶寬為165MHz，所驅(qū)動(dòng)的LED顯示屏最大物理分辨率為1920×1200。

隨著LED小間距產(chǎn)品的顯示面積越來越大，幾十平方米的項(xiàng)目屢見不鮮，LED顯示屏的物理分辨率往往會(huì)超過1920×1200，即每一塊超大規(guī)模的LED顯示屏，都是由若干個(gè)LED控制器所驅(qū)動(dòng)的若干個(gè)獨(dú)立的顯示區(qū)域組成的，對(duì)于拼接器的應(yīng)用而言，只需要對(duì)應(yīng)LED控制器的數(shù)量提供若干個(gè)DVI輸出接口，并對(duì)整個(gè)LED屏幕進(jìn)行拼接顯示即可。

拼接器在小間距LED顯示屏的應(yīng)用中，有幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)值得關(guān)注：

(1)信號(hào)的輸出同步性

拼接器的多路DVI信號(hào)輸出，必然存在信號(hào)的同步性問題。不同步的信號(hào)輸出到LED顯示屏上，在拼接處就會(huì)出現(xiàn)畫面撕裂現(xiàn)象，在播放高速運(yùn)動(dòng)的圖像時(shí)尤為明顯。如何保證信號(hào)的輸出同步性，成為衡量一個(gè)拼接系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

(2)圖形處理算法

我們知道，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的圖像顯示效果是最好的，經(jīng)過縮小處理后的圖像，如果僅采用普通的圖形處理技術(shù)或通用的FPGA圖形處理算法，圖像的邊緣會(huì)出現(xiàn)鋸齒，甚至?xí)霈F(xiàn)像素缺失，圖像的亮度也會(huì)下降。而高端的圖像處理芯片或利用復(fù)雜圖形處理算法的FPGA系統(tǒng)會(huì)最大限度的保證縮小后圖像的顯示效果。因此，好的圖形處理算法是一款應(yīng)用于小間距LED顯示屏的拼接器的關(guān)鍵技術(shù)。

(3)非標(biāo)準(zhǔn)分辨率的輸出

小間距LED顯示屏是由一塊一塊相同規(guī)格的顯示單元矩陣拼接而成，每個(gè)顯示單元尺寸和物理分辨率是固定的，但是拼接起來的整個(gè)大屏幕，往往不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物理分辨率。比如，顯示單元的分辨率為128×96，只能拼成1920×1152，卻拼不出1920×1080。在超大規(guī)模的拼接系統(tǒng)里，每臺(tái)LED控制器所驅(qū)動(dòng)的LED顯示區(qū)域可能不是標(biāo)準(zhǔn)的分辨率，這個(gè)時(shí)候，拼接器具有非標(biāo)準(zhǔn)分辨率的輸出就顯得關(guān)鍵，它可以幫助我們快速找到合適的拼接方式，從而合理的分配資源，有效節(jié)約LED控制器和傳輸設(shè)備的使用數(shù)量。

2.2 應(yīng)用于小間距LED顯示屏的拼接器

目前拼接器可分為四類，即嵌入式純硬件架構(gòu)、PCI-E總線架構(gòu)、分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、混合架構(gòu)。

(1)嵌入式純硬件架構(gòu)

整機(jī)結(jié)構(gòu)通常會(huì)采用“背板+信號(hào)采集板+主控板+信號(hào)輸出板”的設(shè)計(jì)，信號(hào)采集板進(jìn)行諸如視頻采集、縮放、疊加、格式轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理工作，通過背板總線將經(jīng)過處理的信號(hào)傳送給主控板的FPGA信號(hào)處理系統(tǒng)，通過嵌入式ARM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)主控FPGA配置、與上位PC機(jī)通信、系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換等功能，通過信號(hào)輸出板將信號(hào)輸出給顯示終端。

純硬件架構(gòu)拼接器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、不容易出現(xiàn)系統(tǒng)故障;采集板和輸出板可熱插拔，易于更換;可實(shí)現(xiàn)多路、多格式信號(hào)的采集和處理;背板交換式技術(shù)和輸出板卡統(tǒng)一時(shí)鐘技術(shù)確保了多路信號(hào)輸出的同步性;每一路DVI輸出信號(hào)的分辨率均可自定義，符合LED顯示屏的拼接特點(diǎn)。

諸多特點(diǎn)使純硬件架構(gòu)迅速成為當(dāng)今拼接器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品之一。但是，由于采用了FPGA作為核心的圖像處理單元，算法的優(yōu)劣決定了一款拼接器處理效果的好壞，尤其是圖像縮放的算法，如何進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到更清晰的顯示效果，已經(jīng)成為判定純硬件拼接器產(chǎn)品價(jià)值的重要指標(biāo)。

(2)PCI-E總線架構(gòu)

通常總線架構(gòu)的拼接器采用PCIExpress技術(shù)，可用數(shù)據(jù)帶寬高達(dá)上百Gbps。主機(jī)配備高性能的CPU及大容量內(nèi)存，可根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同預(yù)裝不同的操作系統(tǒng)(如64位的Windows7)，并可直接運(yùn)行各種應(yīng)用程序。拼接器配備多張高性能的圖形輸出卡，每張輸出卡擁有超高的內(nèi)部帶寬及顯存，并且所有的輸出圖像都被同步以消除顯示單元間的圖像撕裂。同時(shí)還配有多張輸入卡，支持多種信號(hào)格式，并能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行圖像處理。

PCI-E總線架構(gòu)拼接器就是一臺(tái)高性能的計(jì)算機(jī)，所有組件都選用各大硬件廠商最先進(jìn)和成熟的技術(shù)，比如CPU可選用Intel，顯卡可選用英偉達(dá)。所有計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的高新技術(shù)也能夠被快速的融合進(jìn)來。這使得PCI-E總線架構(gòu)拼接器在運(yùn)算速度、圖像處理、操作方式等方面具有無法比擬的優(yōu)勢。

PCI-E總線架構(gòu)拼接器門檻很低，對(duì)于簡單的應(yīng)用，一臺(tái)工控機(jī)，加上一個(gè)專業(yè)的多通道輸出顯卡即可實(shí)現(xiàn)。

另一方面，如何解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，如何設(shè)計(jì)一款直觀且功能強(qiáng)大的控制軟件，如何解決高總線帶寬下數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N問題等，都需要強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和雄厚的資金基礎(chǔ)，同時(shí)需要經(jīng)驗(yàn)的積累。就是說，高端的PCI-E總線架構(gòu)拼接器不但需要滿足信號(hào)采集、處理、拼接等最基本的應(yīng)用，在系統(tǒng)穩(wěn)定性、軟件易用性等方面的設(shè)計(jì)等方面都需要更多的投入，才能使拼接器滿足各種嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境。

但是要注意，總線架構(gòu)拼接器大多采用Windows操作系統(tǒng)，一旦受到病毒攻擊可能致使系統(tǒng)癱瘓，停止顯示。而且，由于采用了定制的圖形顯卡，各輸出通道的分辨率一般需要符合VESA(視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)，不能定義非標(biāo)準(zhǔn)的分辨率輸出，也不能定義每個(gè)通道不同的分辨率。

(3)分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拼接器通常采用節(jié)點(diǎn)式硬件結(jié)構(gòu)，每個(gè)輸入、輸出節(jié)點(diǎn)獨(dú)立分開，通過雙絞線接入中心交換機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互傳輸。

其核心是一套先進(jìn)的視頻編解碼技術(shù)，通過各種信號(hào)輸入節(jié)點(diǎn)，將采集到的DVI、VGA、YPbPr、CVBS、3G-SDI等信號(hào)進(jìn)行處理和編碼，通過專用的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，將編碼后的視頻流經(jīng)中心交換機(jī)傳輸?shù)捷敵龉?jié)點(diǎn)解碼，并轉(zhuǎn)換為DVI數(shù)字信號(hào)輸出到顯示終端。

輸出節(jié)點(diǎn)的同步性成為了該系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵。一種辦法是通過網(wǎng)絡(luò)直接發(fā)送同步碼，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)輸出節(jié)點(diǎn)的同步輸出。但是由于網(wǎng)絡(luò)誤碼率的存在，這種方式運(yùn)行一段時(shí)間后，還是會(huì)出現(xiàn)輸出不同步現(xiàn)象。另一種辦法是通過SYNC接口將多臺(tái)輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行物理連接，選擇一臺(tái)輸出節(jié)點(diǎn)作為主機(jī)，向其他輸出節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送同步碼，從而使所有輸出節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)真正的幀同步輸出，確保顯示圖像完整，屏幕拼接處無撕裂。

目前分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拼接系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，由于其分布式的特點(diǎn)，便于整個(gè)建筑里的綜合布線和不同區(qū)域的多個(gè)顯示終端集中管理。配合先進(jìn)的可視化軟件的幫助，可向用戶提供人性化、可視化、綜合化的服務(wù)。

但是，受限于帶寬和編解碼技術(shù)，分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)目前還不支持雙鏈路DVI數(shù)字信號(hào)和HDMI信號(hào)的接入。同時(shí)，由于編碼、處理、解碼、信號(hào)同步輸出等環(huán)節(jié)均需要幀緩存，因此在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性方面與其它幾種拼接技術(shù)相比存在差距。另外，在需要顯示的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)超過1920×1200分辨率的圖像時(shí)(需要兩臺(tái)以上的信號(hào)輸入節(jié)點(diǎn))，無法保證多路同步源輸入信號(hào)的再同步輸出。

(4)混合架構(gòu)

混合架構(gòu)，一般指以上三種拼接技術(shù)之中的兩種或兩種以上相結(jié)合的拼接器或拼接系統(tǒng)。

比如PCI+硬件背板總線架構(gòu)拼接器，它的系統(tǒng)控制和圖像處理分別獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。PCI總線負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制，并在后臺(tái)運(yùn)行操作系統(tǒng);硬件背板總線負(fù)責(zé)視頻圖像處理，系統(tǒng)允許對(duì)大量的高分辨率輸入信號(hào)進(jìn)行同步處理，同時(shí)仍能在全幀速下保持實(shí)時(shí)的操作性能和最佳的圖像質(zhì)量，同時(shí)確保輸出信號(hào)的同步性。針對(duì)重要應(yīng)急場所，可以確保永不黑屏，即便PCI總線負(fù)責(zé)的操作系統(tǒng)發(fā)生故障或病毒感染，通過專用的背板圖形處理總線，也能夠確保任何時(shí)刻顯示外來視頻圖像。

通過混合架構(gòu)，可以綜合應(yīng)用，取長補(bǔ)短，極大地增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這也是今后拼接技術(shù)的發(fā)展方向，具有更為廣闊的應(yīng)用空間。

小間距LED顯示屏的應(yīng)用

目前，小間距LED顯示屏的應(yīng)用很廣泛，它包括但不限于：

軍隊(duì)演習(xí)指揮系統(tǒng)

公共安全顯示指揮系統(tǒng)

電力調(diào)度系統(tǒng)

交通路網(wǎng)及航空監(jiān)控顯示系統(tǒng)

能源行業(yè)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)

政府及企事業(yè)單位會(huì)議顯示系統(tǒng)

廣播電視傳媒顯示系統(tǒng)

公共場所信息發(fā)布系統(tǒng)

審核編輯：湯梓紅