小間距LED屏拼接器的3大關(guān)鍵技術(shù)與4大架構

　　01

　　圖像拼接處理器的要求

　　隨著(zhù)LED顯示屏像素間距不斷變小，觀(guān)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(jiǎn)稱(chēng)拼接器)也提出了更高的要求：

　　(1)證輸出同步性，避免拼接畫(huà)面不同步現象;

　　(2)優(yōu)化圖像處理算法，使經(jīng)過(guò)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(diǎn)。

　　02

　　應用于小間距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)鍵應用是可以輸出多路DVI信號，對矩陣排列的多個(gè)顯示屏進(jìn)行拼接顯示，使之成為邏輯上的一個(gè)完整的顯示區域。

　　對于LED顯示屏而言，我們可以將一臺LED控制器所驅動(dòng)的顯示區域定義為一個(gè)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(dòng)的LED顯示屏最大物理分辨率為1920×1200。

　　隨著(zhù)LED小間距產(chǎn)品的顯示面積越來(lái)越大，幾十平方米的項目屢見(jiàn)不鮮，LED顯示屏的物理分辨率往往會(huì )超過(guò)1920×1200，即每一塊超大規模的LED顯示屏，都是由若干個(gè)LED控制器所驅動(dòng)的若干個(gè)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(gè)DVI輸出接口，并對整個(gè)LED屏幕進(jìn)行拼接顯示即可。

　　拼接器在小間距LED顯示屏的應用中，有幾個(gè)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(wèn)題。不同步的信號輸出到LED顯示屏上，在拼接處就會(huì )出現畫(huà)面撕裂現象，在播放高速運動(dòng)的圖像時(shí)尤為明顯。如何保證信號的輸出同步性，成為衡量一個(gè)拼接系統成敗的關(guān)鍵。

　　(2)圖形處理算法

　　我們知道，點(diǎn)對點(diǎn)的圖像顯示效果是最好的，經(jīng)過(guò)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 )出現鋸齒，甚至會(huì )出現像素缺失，圖像的亮度也會(huì )下降。而高端的圖像處理芯片或利用復雜圖形處理算法的FPGA系統會(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(lái)的整個(gè)大屏幕，往往不是一個(gè)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(dòng)的LED顯示區域可能不是標準的分辨率，這個(gè)時(shí)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(lèi)，即嵌入式純硬件架構、PCI-E總線(xiàn)架構、分布式網(wǎng)絡(luò )架構、混合架構。

　　(1)嵌入式純硬件架構

　　整機結構通常會(huì )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(jìn)行諸如視頻采集、縮放、疊加、格式轉換等信號處理工作，通過(guò)背板總線(xiàn)將經(jīng)過(guò)處理的信號傳送給主控板的FPGA信號處理系統，通過(guò)嵌入式ARM系統實(shí)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(guò)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(jiǎn)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(shí)現多路、多格式信號的采集和處理;背板交換式技術(shù)和輸出板卡統一時(shí)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(jìn)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(jià)值的重要指標。

　　(2)PCI-E總線(xiàn)架構

　　通?？偩€(xiàn)架構的拼接器采用PCIExpress技術(shù)，可用數據帶寬高達上百Gbps。主機配備高性能的CPU及大容量?jì)却?，可根據應用領(lǐng)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(shí)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(jìn)行圖像處理。

　　PCI-E總線(xiàn)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(chǎng)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。所有計算機領(lǐng)域的高新技術(shù)也能夠被快速的融合進(jìn)來(lái)。這使得PCI-E總線(xiàn)架構拼接器在運算速度、圖像處理、操作方式等方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢。

　　PCI-E總線(xiàn)架構拼接器門(mén)檻很低，對于簡(jiǎn)單的應用，一臺工控機，加上一個(gè)專(zhuān)業(yè)的多通道輸出顯卡即可實(shí)現。

　　另一方面，如何解決系統穩定性問(wèn)題，如何設計一款直觀(guān)且功能強大的控制軟件，如何解決高總線(xiàn)帶寬下數據傳輸的各種問(wèn)題等，都需要強大的研發(fā)團隊和雄厚的資金基礎，同時(shí)需要經(jīng)驗的積累。就是說(shuō)，高端的PCI-E總線(xiàn)架構拼接器不但需要滿(mǎn)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(mǎn)足各種嚴苛的應用環(huán)境。

　　但是要注意，總線(xiàn)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(xié)會(huì ))標準，不能定義非標準的分辨率輸出，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

　　分布式網(wǎng)絡(luò )架構拼接器通常采用節點(diǎn)式硬件結構，每個(gè)輸入、輸出節點(diǎn)獨立分開(kāi)，通過(guò)雙絞線(xiàn)接入中心交換機，對數據進(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(guò)各種信號輸入節點(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(guò)專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議，將編碼后的視頻流經(jīng)中心交換機傳輸到輸出節點(diǎn)解碼，并轉換為DVI數字信號輸出到顯示終端。

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

　　目前分布式網(wǎng)絡(luò )架構拼接系統的應用越來(lái)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(xiàn)和不同區域的多個(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(hù)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 )架構目前還不支持雙鏈路DVI數字信號和HDMI信號的接入。同時(shí)，由于編碼、處理、解碼、信號同步輸出等環(huán)節均需要幀緩存，因此在數據的實(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)對點(diǎn)數超過(guò)1920×1200分辨率的圖像時(shí)(需要兩臺以上的信號輸入節點(diǎn))，無(wú)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(shù)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(xiàn)架構拼接器，它的系統控制和圖像處理分別獨立實(shí)現。PCI總線(xiàn)負責系統控制，并在后臺運行操作系統;硬件背板總線(xiàn)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(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)確保輸出信號的同步性。針對重要應急場(chǎng)所，可以確保永不黑屏，即便PCI總線(xiàn)負責的操作系統發(fā)生故障或病毒感染，通過(guò)專(zhuān)用的背板圖形處理總線(xiàn)，也能夠確保任何時(shí)刻顯示外來(lái)視頻圖像。

　　通過(guò)混合架構，可以綜合應用，取長(cháng)補短，極大地增加了系統的穩定性。這也是今后拼接技術(shù)的發(fā)展方向，具有更為廣闊的應用空間。

　　03

　　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(wǎng)及航空監控顯示系統

　　能源行業(yè)生產(chǎn)調度系統

　　政府及企事業(yè)單位會(huì )議顯示系統

　　廣播電視傳媒顯示系統

　　公共場(chǎng)所信息發(fā)布系統