迪恒激光投影大屏融合解決方案

　　摘要

　　目前，實(shí)現大屏的方案主要有兩種，一種是拼接，另一種則為融合。大屏幕融合是一種拼接、幾何校正、圖像邊緣融合一體化的處理方式，支持融合帶的寬度調整、及多邊形顯示、不規則投影顯示。投影機無(wú)縫拼接(邊緣融合)技術(shù)將一組投影機投射出的畫(huà)面進(jìn)行邊緣重疊、幾何校正、亮度消隱過(guò)后產(chǎn)生一個(gè)沒(méi)有縫隙、色彩均勻，超高亮度、超大尺寸、超大分辨率，在視覺(jué)感官上就像是一臺投影機投射出的畫(huà)面。廣泛適用于展覽展示、大型會(huì )議廳、監控系統等需要大視覺(jué)效果的場(chǎng)合。

　　大屏技術(shù)簡(jiǎn)介

　　科學(xué)發(fā)展日新月異，技術(shù)更迭風(fēng)云變幻。人們對顯示性能的追求日益提高，選擇也越來(lái)越多元化，如:更大的顯示屏幕、更高的分辨率、更亮麗的色彩等等。在大型場(chǎng)館展覽、交通指揮調度、公共安全管理、能源資源監控、廣播電視通訊、航行模擬訓練等領(lǐng)域，人們對大屏幕顯示的需求尤其顯著(zhù)。例如在用大尺寸的屏幕同時(shí)顯示更大的全局畫(huà)面和多個(gè)子畫(huà)面窗口，或是用圍繞觀(guān)眾的弧形大屏幕來(lái)實(shí)現更強的畫(huà)面沉浸感以實(shí)現虛擬現實(shí);這些都對顯示屏幕的尺寸和圖像分辨率提出了更高的要求。

　　大屏的實(shí)現目前主要有兩種，一種是拼接，基本用的是小間距LED拼接屏如圖1-1或LCD液晶拼接屏如圖1-2來(lái)實(shí)現，其中LCD液晶顯示屏最明顯的缺點(diǎn)就是拼縫明顯，液晶面板會(huì )有老化問(wèn)題;而小間距LED完全無(wú)拼縫，高亮不懼陽(yáng)光，但不足的是價(jià)格過(guò)于昂貴。另一種則為投影融合如圖1-3所示，通過(guò)投影機和硬件融合器實(shí)現大屏方案，既滿(mǎn)足了無(wú)拼縫的需求，又兼具實(shí)惠可應用性強的優(yōu)點(diǎn)。多投影融合系統出色的畫(huà)質(zhì)展現能力與靈活的適應性，在大屏幕顯示領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應用，逐漸成為了主流的解決方案。

圖1-1 LCD小間距LED拼接大屏

圖1-2 LCD拼接大屏

圖1-3 投影融合拼接大屏

　　幾種大屏技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1.1所示

　　表1.1 大屏技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對比

　　大屏投影融合系統的實(shí)現原理

　　在大屏幕多投影融合系統中，投影機投影的方式可以分為正投和背投兩種，正投是指投影機從屏幕的正前面向屏幕投影，其中正投又包含了普通正投和吊裝正投。背投是指投影機從屏幕的后面向屏幕投影，同樣也包含了普通的背投和吊裝背投。這兩種投影方式在多投影無(wú)縫拼接系統中的工作原理類(lèi)似，本文中只考慮正投方式。以下介紹了五種常見(jiàn)的大屏投影融合實(shí)現方案

　　方案一：DHN純純硬件融合器大屏融合解決方案

　　方案二：軟融大屏融合解決方案

　　方案三：DHN投影內置融合+畫(huà)面切割器實(shí)現大屏融合解決方案

　　方案四：DHN投影內置融合+顯卡實(shí)現大屏融合解決方案

　　方案五：DHN純激光投影大屏融合解決方案

　　多投影大屏融合系統所用的大屏幕比較靈活，大尺寸的平面幕布、粗糙的墻面、弧面、柱面等非平面幕均可適用。大屏幕擺放好后，固定各個(gè)投影機的位置尤為重要。為了能在大屏幕上實(shí)現畫(huà)面的拼接顯示，各個(gè)投影機在大屏幕上投影畫(huà)面的并集能完整覆蓋大屏幕上的目標顯示區域，且各投影機相鄰投影畫(huà)面邊緣應有部分重疊區。視頻圖像處理設備將視頻源的若干路視頻信號進(jìn)行處理，根據大屏幕和各投影機的相對位置輸出若干路子視頻信號，分別發(fā)送至相應的投影機進(jìn)行投影。通常，將視頻圖像處理設備所輸出的子視頻信號數量成為該設備的輸出通道數，簡(jiǎn)稱(chēng)“通道數”。由于每個(gè)子視頻信號都是輸出給一臺相應的投影機，因此系統中視頻圖像處理設備所用的通道數與系統中投影機數量相等。

　　對于每臺投影機在大屏幕上的投影畫(huà)面，其幾何形狀會(huì )受投影角度、屏幕彎曲情況、投影機鏡頭輻射狀扭曲情況等因素所影響，僅通過(guò)手工調整投影機相對位置和投影角度的方法難以使投影畫(huà)面精確投影至大屏幕上的對應區域。為了解決這個(gè)問(wèn)題，迪恒投影內置的17×17幾何校正技術(shù)?？梢詫?shí)現絕大多數情況下的投影畫(huà)面調整。

　　為了在大屏幕上將各個(gè)投影機所投影出來(lái)的畫(huà)面無(wú)縫拼接起來(lái)，普遍采用的做法是使得各個(gè)相鄰投影畫(huà)面之間兩兩相交部分重疊，以實(shí)現各畫(huà)面內容的無(wú)縫銜接。然而對于重疊區而言，相鄰的投影機投影畫(huà)面在此區域內重疊，其畫(huà)面亮度將明顯高于非重疊區域，需要進(jìn)行邊緣融合處理。迪恒投影內置了獨特的邊緣融合技術(shù)，可以輕松處理重疊區的亮度問(wèn)題。

　　邊緣融合技術(shù)中的基礎做法通常是將各個(gè)投影畫(huà)面上的全部像素點(diǎn)賦予一個(gè)0-1之間的亮度權值，表示將像素點(diǎn)的亮度按照權值進(jìn)行相應的衰減處理，權值數字越大表示亮度衰減程度越大，1.0代表不衰減，0表示衰減至黑色。非重疊區的亮度權值均為1.0，重疊區的每個(gè)像素亮度權值都小于1.0，但是同一位置的各個(gè)相鄰畫(huà)面像素點(diǎn)亮度權值之和為1.0，這樣便可以使得重疊區和非重疊區的亮度一致。

　　此外，由于各個(gè)投影機間顏色的亮度反應曲線(xiàn)有差異，即使是同一型號的投影機，其投影出來(lái)的顏色亮度也不一定相同，要實(shí)現一個(gè)效果更好的大屏融合方案就得對各個(gè)投影機進(jìn)行顏色校正，通過(guò)分析投影機顏色響應曲線(xiàn)，將輸入到投影機的圖像顏色進(jìn)行逆向變換，便可以改變屏幕上各投影畫(huà)面顏色的不一致性。

　　本文將幾何校正、邊緣融合、顏色校正等技術(shù)統稱(chēng)為“拼接融合技術(shù)”，在大屏幕多投影融合系統中，它們都是通過(guò)視頻處理設備來(lái)實(shí)時(shí)實(shí)現的，經(jīng)過(guò)這些處理后，大屏幕上的各個(gè)投影畫(huà)面便可以在屏幕預定顯示區域內無(wú)縫拼接起來(lái)。

　　無(wú)縫大屏融合實(shí)現步驟

　　3.1幾何校正

　　在投影大屏融合系統中，投影機的投影角度和大屏幕的形狀等因素都可能給屏幕上的投影畫(huà)面帶來(lái)一定程度上的幾何扭曲。幾何校正就是通過(guò)對輸出至各個(gè)投影機的畫(huà)面提前進(jìn)行逆向幾何扭曲，來(lái)使得屏幕上顯示出來(lái)的投影畫(huà)面恢復至無(wú)扭曲的狀態(tài);幾何校正對畫(huà)面的扭曲處理實(shí)際上是對每幀畫(huà)面中不同位置的各個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行位置的變換處理。為了便于用數學(xué)方法進(jìn)行量化處理，我們用平面坐標來(lái)量化表示每幀畫(huà)面上各像素點(diǎn)的空間位置，將一幀畫(huà)面視為一個(gè)畫(huà)面坐標空間，畫(huà)面上的每個(gè)像素都視為空間中的一個(gè)點(diǎn)。來(lái)自視頻源的原始視頻畫(huà)面稱(chēng)為總畫(huà)面坐標空間，按照各投影機和大屏幕的相對位置將原始視頻畫(huà)面分成若干個(gè)子畫(huà)面，隨后被融合器進(jìn)行處理。每個(gè)子畫(huà)面稱(chēng)為子畫(huà)面坐標空間，最終輸出至各個(gè)投影機的子畫(huà)面稱(chēng)為投影機緩存畫(huà)面坐標空間，最終在大屏幕上所投影顯示出來(lái)的畫(huà)面稱(chēng)為屏幕畫(huà)面坐標空間;給每一個(gè)坐標空間建立平面直角坐標系，畫(huà)面的左上角為坐標系的原點(diǎn)，從原點(diǎn)垂直向下為Y軸的方向，水平向右為X軸的方向，畫(huà)面中任意一個(gè)像素點(diǎn)的橫向和縱向序號就是該點(diǎn)的橫、縱坐標。

幾何校正在大屏融合系統中，還有一個(gè)重要的作用即保證相鄰的投影畫(huà)面的像素點(diǎn)能夠對齊，如果像素點(diǎn)未對齊的話(huà)，最終會(huì )導致重疊區的畫(huà)面出現重影。往往更多的格點(diǎn)可以控制的話(huà)，對畫(huà)面的校正也會(huì )更精準，最終對齊的畫(huà)面會(huì )如圖3-1所示

圖3-1 經(jīng)過(guò)幾何校正后重疊區完全對齊的效果圖

　　3.2融合區調整

圖3-2

圖3-3

　　融合區調整的作用通常是為了消除兩臺投影畫(huà)面重疊部分的亮度，使其與非重疊區亮度一致。通常是將各個(gè)投影畫(huà)面上的全部像素點(diǎn)賦予一個(gè)0-1之間的亮度權值，表示將像素點(diǎn)的亮度按照權值進(jìn)行相應的衰減處理，權值數字越大表示亮度衰減程度越大，1.0代表不衰減，0表示衰減至黑色。非重疊區的亮度權值均為1.0，重疊區的每個(gè)像素亮度權值都小于1.0，但是同一位置的各個(gè)相鄰畫(huà)面像素點(diǎn)亮度權值之和為1.0，這樣便可以使得重疊區和非重疊區的亮度一致。如下圖3-2所示，可看到重疊的兩塊區域亮度明顯高于非重疊區域，經(jīng)過(guò)校正后的效果如圖3-3所示。

　　3.3畫(huà)面切割

圖3-4

　　當完成幾何校正和邊緣融合后，其實(shí)畫(huà)面顯示的還是獨立的非完整畫(huà)面，這個(gè)時(shí)候需要對視頻信號源進(jìn)行處理，以便實(shí)現真正的大屏融合。畫(huà)面切割通常包含了，圖像放大，圖像取景和重疊區調整。目前現有的FPGA融合器能實(shí)現對圖像的15倍放大，即可以圖像水平或垂直放大15倍。實(shí)際應用中往往根據具體的投影排列分布來(lái)進(jìn)行放大，比如水平3臺融合，水平放大3倍即可，垂直保持不變。若為3x3的9臺投影排列，則需要水平和垂直均放大3倍。當對圖像進(jìn)行放大后，每臺投影機顯示的仍然為相同的畫(huà)面，這個(gè)時(shí)候需要對每臺投影指定顯示的內容顯示，我們把這個(gè)設置叫做取景選擇，具體取景以3×3排列為例，可以參考如圖3-4規則：

　　當對每臺投影的畫(huà)面進(jìn)行取景顯示后，這個(gè)時(shí)候離完美的大屏顯示還差最后一步那就是重疊區調整。以2臺融合為例，需要把原始訊號畫(huà)面水平放大兩倍，讓左邊一臺投影儀水平取景1.讓右邊投影儀水平取景2.通俗一點(diǎn)講就是讓左邊的投影機顯示左邊的畫(huà)面，右邊的投影機顯示右邊的畫(huà)面，但是重疊部分有時(shí)候畫(huà)面并不完全一樣，這樣哪怕幾何校正對齊后，看起來(lái)畫(huà)面仍然模糊。所以需要調節重疊區以便保證重疊區域的顯示畫(huà)面一模一樣，達到完全重疊。而重疊導致的亮度疊加則依靠融合調整消除。

　　實(shí)際應用案例展示

　　本部分內容將重點(diǎn)展示大屏融合系統在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應用

徐州潘安湖濕地公園-18臺投影實(shí)現大屏融合

貴州花溪黨校-多臺打造沉浸式體驗

湖州紡織里大潤發(fā)超市

上海復興集團大廈外墻投影-15臺投影大屏融合

天津海濱新區黨校-8臺投影實(shí)現U型大屏融合

　　展望

　　感官一切，大屏不只是大。

　　未來(lái)，隨著(zhù)硬件水平的提高，純硬件的8k分辨率融合器問(wèn)世將不再遙遠。突破分辨率的新關(guān)卡后，大屏融合系統不僅能滿(mǎn)足用戶(hù)超高清的顯示需求，還會(huì )應需產(chǎn)生更多有趣的玩法和應用。