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LED屏拼接技術(shù)講解

信息來源:http://372100.com.cn/ 作者:湖北弘馳LED顯示屏公司

 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(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LED顯示屏物理分辨率不規(guī)則的特點。

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(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(guī)模的LED顯示屏,都是由若干個LED控制器所驅(qū)動的若干個獨立的顯示區(qū)域組成的,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,有幾個關(guān)鍵技術(shù)值得關(guān)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(xiàn)畫面撕裂現(xiàn)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(tǒng)成敗的關(guān)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(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。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)非標準分辨率的輸出

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(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(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)實現(xiàn)對主控FPGA配置、與上位PC機通信、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。

諸多特點使純硬件架構(gòu)迅速成為當今拼接器領(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,如何進行優(yōu)化以達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。

(2)PCI-E總線架構(gòu)

通?偩架構(gòu)的拼接器采用PCIExpress技術(shù),可用數(shù)據(jù)帶寬高達上百Gbps。主機配備高性能的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。同時還配有多張輸入卡,支持多種信號格式,并能夠?qū)斎胄盘栠M行圖像處理。

PCI-E總線架構(gòu)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(shù),比如CPU可選用Intel,顯卡可選用英偉達。所有計算機領(lǐng)域的高新技術(shù)也能夠被快速的融合進來。這使得PCI-E總線架構(gòu)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(yōu)勢。

PCI-E總線架構(gòu)拼接器門檻很低,對于簡單的應(yīng)用,一臺工控機,加上一個專業(yè)的多通道輸出顯卡即可實現(xiàn)。

另一方面,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,都需要強大的研發(fā)團隊和雄厚的資金基礎(chǔ),同時需要經(jīng)驗的積累。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(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(視頻電子標準協(xié)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(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)點式硬件結(jié)構(gòu),每個輸入、輸出節(jié)點獨立分開,通過雙絞線接入中心交換機,對數(shù)據(jù)進行交互傳輸。

其核心是一套先進的視頻編解碼技術(shù),通過各種信號輸入節(jié)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(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議,將編碼后的視頻流經(jīng)中心交換機傳輸?shù)捷敵龉?jié)點解碼,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,實現(xiàn)多臺輸出節(jié)點的同步輸出。但是由于網(wǎng)絡(luò)誤碼率的存在,這種方式運行一段時間后,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)點進行物理連接,選擇一臺輸出節(jié)點作為主機,向其他輸出節(jié)點主動發(fā)送同步碼,從而使所有輸出節(jié)點同時接收到同步信號,實現(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,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)的實時性方面與其它幾種拼接技術(shù)相比存在差距。另外,在需要顯示的點對點數(shù)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),無法保證多路同步源輸入信號的再同步輸出。

(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立實現(xiàn)。PCI總線負責(zé)系統(tǒng)控制,并在后臺運行操作系統(tǒng);硬件背板總線負責(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(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)

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