淺談小間距LED顯示屏的拼接處理技術(shù)

    小間距LED顯示屏憑借著真正的無縫拼接、高性價比以及、出眾的顯示效果等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被越來越多地被應(yīng)用在演播室、控制室、指揮大廳、會議中心等重要關(guān)鍵場合。隨著LED顯示屏的像素間距不斷變小，其使人們的觀看距離得以不斷縮小拉近。，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。拼接器的性能直接決定了圖像的顯示質(zhì)量和顯示系統(tǒng)的可靠性。

一、應(yīng)用于小間距LED顯示屏的拼接處理技術(shù) 

（一）拼接器與小間距LED顯示屏的配合使用

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

    對于LED顯示屏而言，我們可以將一臺LED控制器所驅(qū)動的顯示區(qū)域定義為一個獨(dú)立的LED顯示屏，當(dāng)前的LED控制器采用DVI/HDMI作為信號輸入接口，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，幾十平米的項(xiàng)目屢見不鮮，LED顯示屏的物理分辨率往往會超過1920×1200，即每一塊超大規(guī)模的LED顯示屏，都是由若干個LED控制器所驅(qū)動的若干個獨(dú)立的顯示區(qū)域而組成的，對于拼接器的應(yīng)用而言，只需要對應(yīng)LED控制器的數(shù)量提供若干個DVI輸出接口，并對整個LED屏幕進(jìn)行拼接顯示即可。

    拼接器的多路DVI信號輸出，必然存在信號的同步性問題，不同步的信號輸出到LED顯示屏上，在拼接處就會出現(xiàn)畫面撕裂現(xiàn)象，在播放高速運(yùn)動的圖像時尤為明顯。

點(diǎn)對點(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，圖像的邊緣會出現(xiàn)鋸齒，甚至?xí)霈F(xiàn)像素缺失，圖像的亮度也會下降。因此，好的圖形處理算法是一款拼接器應(yīng)用于小間距LED顯示屏的關(guān)鍵技術(shù)。
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，整個大屏幕往往不是一個標(biāo)準(zhǔn)的物理分辨率。在超大規(guī)模的拼接系統(tǒng)里，每臺LED控制器所驅(qū)動的LED顯示區(qū)域可能不是標(biāo)準(zhǔn)的分辨率，這個時候，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，從而合理的地分配資源，有效節(jié)約LED控制器和傳輸設(shè)備的使用數(shù)量。

（二）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)通常會采用“背板+信號采集板+主控板+信號輸出板”的設(shè)計，信號采集板進(jìn)行諸如視頻采集、縮放、疊加、格式轉(zhuǎn)換等信號處理工作，通過背板總線將經(jīng)過處理的信號傳送給主控板的FPGA信號處理系統(tǒng)，通過嵌入式ARM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對主控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，通過信號輸出板將信號輸出給顯示終端。

純硬件架構(gòu)拼接器的結(jié)構(gòu)相對簡單不容易出現(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、多格式信號的采集和處理；背板交換式技術(shù)和輸出板卡統(tǒng)一時鐘技術(shù)確保了多路信號輸出的同步性；每一路DVI輸出信號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，尤其是在圖像縮放的算法上，如何對其進(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)品價值的重要指標(biāo)。

2.PCI-E總線架構(gòu)

通?？偩€架構(gòu)的拼接器采用PCI Express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，會根據(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。同時配有多張輸入卡，包括多種信號格式，并能夠?qū)斎胄盘栠M(jìn)行圖像處理。

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，簡單的應(yīng)用、，一臺工控機(jī)、，一個專業(yè)的多通道輸出顯卡即可實(shí)現(xiàn)。

而如何解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，如何設(shè)計一款直觀且功能強(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問題都需要強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊和雄厚的資金做基礎(chǔ)，同時需要經(jīng)驗(yàn)的積累。因此，高端的PCI-E總線架構(gòu)拼接器不但需要滿足信號采集、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)計和投入更是不遺余力，從而使拼接器滿足各種嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境。

但是，總線架構(gòu)拼接器由于大多采用Windows操作系統(tǒng)，一旦受到病毒攻擊致使系統(tǒng)癱瘓，將停止顯示。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）標(biāo)準(zhǔn)，不能定義非標(biāo)準(zhǔn)的分辨率輸出，也不能定義每個通道不同的分辨率。

1.2.3  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)，通過各種信號輸入節(jié)點(diǎn)，將采集到的DVI、VGA、YPbPr、CVBS、3G-SDI等信號進(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)妮敵龉?jié)點(diǎn)解碼，并轉(zhuǎn)換為DVI數(shù)字信號輸出到顯示終端。

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)行一段時間后，還是會出現(xiàn)輸出不同步現(xiàn)象。另一種辦法是通過SYNC接口將多臺輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行物理連接，選擇一臺輸出節(jié)點(diǎn)作為主機(jī)，主動發(fā)送同步碼向其他輸出節(jié)點(diǎn)，從而使所有輸出節(jié)點(diǎn)同時接收到同步信號，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)，便于整個建筑里的綜合布線和不同區(qū)域的多個顯示終端集中管理。配合先進(jìn)的可視化軟件的幫助，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)字信號和HDMI信號的接入。同時，由于編碼、處理、解碼、信號同步輸出等環(huán)節(jié)均需要幀緩存，因此在數(shù)據(jù)的實(shí)時性方面和其它幾種拼接技術(shù)存在差距。另外，在需要顯示點(diǎn)對點(diǎn)的超過1920×1200分辨率的圖像時（需要兩臺以上的信號輸入節(jié)點(diǎn)），無法保證多路同步源輸入信號的再同步輸出。

1.2.4  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)允許對大量的高分辨率輸入信號進(jìn)行同步處理，同時仍能在全幀速下保持實(shí)時的操作性能和最佳的圖像質(zhì)量，同時確保輸出信號的同步性。針對重要應(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。

2  二、小間距LED顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域 

目前，小間距LED顯示屏可應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，它包括但不限于：軍隊演習(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)等。

作為新一代背景墻顯示終端，小間距LED顯示屏正在為各行各業(yè)的關(guān)鍵系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。