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小間距LED屏拼接器3大關鍵技術與4大架構

2018-08-24
 1、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:

(1)證輸出同步性,避免拼接畫面不同步現象;

(2)優化圖像處理算法,使經過縮放處理的圖像保持高清晰度;

(3)自定義輸出分辨率,應對LED顯示屏物理分辨率不規則的特點。

2、應用于小間距LED顯示屏的拼接處理技術

2.1 拼接器與小間距LED顯示屏的配合使用

拼接器的一個關鍵應用是可以輸出多路DVI信號,對矩陣排列的多個顯示屏進行拼接顯示,使之成為邏輯上的一個完整的顯示區域。

對于LED顯示屏而言,我們可以將一臺LED控制器所驅動的顯示區域定義為一個獨立的LED顯示屏,當前的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,所驅動的LED顯示屏最大物理分辨率為1920×1200。

隨著LED小間距產品的顯示面積越來越大,幾十平方米的項目屢見不鮮,LED顯示屏的物理分辨率往往會超過1920×1200,即每一塊超大規模的LED顯示屏,都是由若干個LED控制器所驅動的若干個獨立的顯示區域組成的,對于拼接器的應用而言,只需要對應LED控制器的數量提供若干個DVI輸出接口,并對整個LED屏幕進行拼接顯示即可。

拼接器在小間距LED顯示屏的應用中,有幾個關鍵技術值得關注:

(1)信號的輸出同步性

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,在拼接處就會出現畫面撕裂現象,在播放高速運動的圖像時尤為明顯。如何保證信號的輸出同步性,成為衡量一個拼接系統成敗的關鍵。

(2)圖形處理算法

我們知道,點對點的圖像顯示效果是最好的,經過縮小處理后的圖像,如果僅采用普通的圖形處理技術或通用的FPGA圖形處理算法,圖像的邊緣會出現鋸齒,甚至會出現像素缺失,圖像的亮度也會下降。而高端的圖像處理芯片或利用復雜圖形處理算法的FPGA系統會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用于小間距LED顯示屏的拼接器的關鍵技術。

(3)非標準分辨率的輸出

小間距LED顯示屏是由一塊一塊相同規格的顯示單元矩陣拼接而成,每個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大屏幕,往往不是一個標準的物理分辨率。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。在超大規模的拼接系統里,每臺LED控制器所驅動的LED顯示區域可能不是標準的分辨率,這個時候,拼接器具有非標準分辨率的輸出就顯得關鍵,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,有效節約LED控制器和傳輸設備的使用數量。

2.2 應用于小間距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、PCI-E總線架構、分布式網絡架構、混合架構。

(1)嵌入式純硬件架構

整機結構通常會采用“背板+信號采集板+主控板+信號輸出板”的設計,信號采集板進行諸如視頻采集、縮放、疊加、格式轉換等信號處理工作,通過背板總線將經過處理的信號傳送給主控板的FPGA信號處理系統,通過嵌入式ARM系統實現對主控FPGA配置、與上位PC機通信、系統間的數據交換等功能,通過信號輸出板將信號輸出給顯示終端。

純硬件架構拼接器的結構相對簡單、不容易出現系統故障;采集板和輸出板可熱插拔,易于更換;可實現多路、多格式信號的采集和處理;背板交換式技術和輸出板卡統一時鐘技術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。

諸多特點使純硬件架構迅速成為當今拼接器領域的主流產品之一。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,如何進行優化以達到更清晰的顯示效果,已經成為判定純硬件拼接器產品價值的重要指標。

(2)PCI-E總線架構

通常總線架構的拼接器采用PCIExpress技術,可用數據帶寬高達上百Gbps。主機配備高性能的CPU及大容量內存,可根據應用領域的不同預裝不同的操作系統(如64位的Windows7),并可直接運行各種應用程序。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。同時還配有多張輸入卡,支持多種信號格式,并能夠對輸入信號進行圖像處理。

PCI-E總線架構拼接器就是一臺高性能的計算機,所有組件都選用各大硬件廠商最先進和成熟的技術,比如CPU可選用Intel,顯卡可選用英偉達。所有計算機領域的高新技術也能夠被快速的融合進來。這使得PCI-E總線架構拼接器在運算速度、圖像處理、操作方式等方面具有無法比擬的優勢。

PCI-E總線架構拼接器門檻很低,對于簡單的應用,一臺工控機,加上一個專業的多通道輸出顯卡即可實現。

另一方面,如何解決系統穩定性問題,如何設計一款直觀且功能強大的控制軟件,如何解決高總線帶寬下數據傳輸的各種問題等,都需要強大的研發團隊和雄厚的資金基礎,同時需要經驗的積累。就是說,高端的PCI-E總線架構拼接器不但需要滿足信號采集、處理、拼接等最基本的應用,在系統穩定性、軟件易用性等方面的設計等方面都需要更多的投入,才能使拼接器滿足各種嚴苛的應用環境。

但是要注意,總線架構拼接器大多采用Windows操作系統,一旦受到病毒攻擊可能致使系統癱瘓,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(視頻電子標準協會)標準,不能定義非標準的分辨率輸出,也不能定義每個通道不同的分辨率。

(3)分布式網絡架構

分布式網絡架構拼接器通常采用節點式硬件結構,每個輸入、輸出節點獨立分開,通過雙絞線接入中心交換機,對數據進行交互傳輸。

其核心是一套先進的視頻編解碼技術,通過各種信號輸入節點,將采集到的DVI、VGA、YPbPr、CVBS、3G-SDI等信號進行處理和編碼,通過專用的網絡通訊協議,將編碼后的視頻流經中心交換機傳輸到輸出節點解碼,并轉換為DVI數字信號輸出到顯示終端。

輸出節點的同步性成為了該系統應用的關鍵。一種辦法是通過網絡直接發送同步碼,實現多臺輸出節點的同步輸出。但是由于網絡誤碼率的存在,這種方式運行一段時間后,還是會出現輸出不同步現象。另一種辦法是通過SYNC接口將多臺輸出節點進行物理連接,選擇一臺輸出節點作為主機,向其他輸出節點主動發送同步碼,從而使所有輸出節點同時接收到同步信號,實現真正的幀同步輸出,確保顯示圖像完整,屏幕拼接處無撕裂。

目前分布式網絡架構拼接系統的應用越來越多,由于其分布式的特點,便于整個建筑里的綜合布線和不同區域的多個顯示終端集中管理。配合先進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。

但是,受限于帶寬和編解碼技術,分布式網絡架構目前還不支持雙鏈路DVI數字信號和HDMI信號的接入。同時,由于編碼、處理、解碼、信號同步輸出等環節均需要幀緩存,因此在數據的實時性方面與其它幾種拼接技術相比存在差距。另外,在需要顯示的點對點數超過1920×1200分辨率的圖像時(需要兩臺以上的信號輸入節點),無法保證多路同步源輸入信號的再同步輸出。

(4)混合架構

混合架構,一般指以上三種拼接技術之中的兩種或兩種以上相結合的拼接器或拼接系統。

比如PCI+硬件背板總線架構拼接器,它的系統控制和圖像處理分別獨立實現。PCI總線負責系統控制,并在后臺運行操作系統;硬件背板總線負責視頻圖像處理,系統允許對大量的高分辨率輸入信號進行同步處理,同時仍能在全幀速下保持實時的操作性能和最佳的圖像質量,同時確保輸出信號的同步性。針對重要應急場所,可以確保永不黑屏,即便PCI總線負責的操作系統發生故障或病毒感染,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,可以綜合應用,取長補短,極大地增加了系統的穩定性。這也是今后拼接技術的發展方向,具有更為廣闊的應用空間。

3、小間距LED顯示屏的應用

目前,小間距LED顯示屏的應用很廣泛,它包括但不限于:

軍隊演習指揮系統

公共安全顯示指揮系統

電力調度系統

交通路網及航空監控顯示系統

能源行業生產調度系統

政府及企事業單位會議顯示系統

廣播電視傳媒顯示系統

公共場所信息發布系統

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的關鍵系統提供優質的服務。
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