分布式圖像拼接控制器技術(shù)解析

本文主要介紹了DVCS控制系統(tǒng)及其他控制器所采用的不同技術(shù)及特點(diǎn)分析。

1. 什么是分布式圖像拼接控制器？它由哪些部分組成？

分布式圖像拼接控制器是以IP網(wǎng)絡(luò)作為信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃捎脤?shí)時(shí)影像處理技術(shù)，把各種視頻信號(hào)源（RGB信號(hào)，視頻信號(hào)，高清視頻，音頻信號(hào)等）進(jìn)行壓縮編碼，把數(shù)據(jù)打包成能夠在以太網(wǎng)上傳輸?shù)腎P碼流，顯示端接收各種信號(hào)碼流并實(shí)時(shí)解碼，將IP碼流信號(hào)還原成視頻信號(hào)進(jìn)行顯示。

分布式圖像拼接控制器通常由以下幾個(gè)部分組成：

（1） 信號(hào)源輸入處理器，能夠?qū)⒏鞣N不同的視頻信號(hào)（RGB信號(hào)，視頻信號(hào)，高清信號(hào)，音頻信號(hào)等）實(shí)時(shí)編碼成能夠在以太網(wǎng)上傳輸?shù)腎P碼流；

（2） 顯示輸出處理器，能夠接收各種不同的信號(hào)源IP流，并實(shí)時(shí)解碼顯示；

（3） 以太網(wǎng)交換機(jī)，根據(jù)IP地址把信號(hào)的IP碼流轉(zhuǎn)發(fā)給顯示處理器；

（4） 控制管理軟件，用戶(hù)通過(guò)控制管理軟件能夠?qū)崟r(shí)對(duì)各個(gè)處理器進(jìn)行控制和設(shè)置；

2. 大屏拼接市場(chǎng)為什么會(huì)發(fā)展出分布式圖像拼接控制器？

分布式圖像拼接控制器的出現(xiàn)是數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、以及影像處理技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)果。眾所周知，IC芯片的發(fā)展一直遵循著摩爾定律快速成長(zhǎng)。今天，人們已經(jīng)能夠生產(chǎn)出性能非常強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理DSP芯片（例如TI C6000系列， Freescale StarCore DSP）和大規(guī)?？删幊踢壿嬓酒現(xiàn)PGA（Field－Programmable Gate Array）。利用DSP/FPGA強(qiáng)大的運(yùn)算能力，人們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)實(shí)時(shí)處理，包括圖像增強(qiáng)，噪聲濾除，圖像縮放，De-interlacing，視頻CODEC等。近十幾年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)通訊帶寬已經(jīng)由早期的56Kbps，快速發(fā)展到10Mbps, 100Mbps，和1000Mbps帶寬.目前10Gbps以太網(wǎng)技術(shù)也已經(jīng)成熟，正在越來(lái)越多的被應(yīng)用到高速數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升，為高品質(zhì)視頻信號(hào)流網(wǎng)絡(luò)化傳輸提供了保障。由于視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量非常龐大（一路1080p@30fps的全高清視頻信號(hào)的原始數(shù)據(jù)流為949.2Mbps）,為了能夠在網(wǎng)絡(luò)上有效傳輸多路視頻信號(hào)，則需要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行編碼，除去視頻信號(hào)中的冗余信息，從而減少視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)帶寬占用。視頻編碼技術(shù)經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，已經(jīng)在技術(shù)上取得了巨大的進(jìn)步，人們能夠在保證畫(huà)面質(zhì)量的前提下把視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量壓縮幾倍到幾十倍。因此，分布式圖像拼接控制器的出現(xiàn)是綜合利用了高性能DSP/FPGA芯片技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、和高性能視頻編碼技術(shù)等多項(xiàng)高科技發(fā)展成果，有著明顯的時(shí)代背景。

3. 分布式圖像拼接控制器主要適用于哪些領(lǐng)域？為什么？

分布式圖像拼接控制器非常適合應(yīng)用到大規(guī)模的DLP/LCD拼接顯示系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)海量高性能的影像處理和大規(guī)模的信號(hào)顯示，包括鐵道指揮調(diào)度，公安，安防，煤炭，石化，電力，通訊，交通等行業(yè)。

適合分布式圖像拼接控制器應(yīng)用的領(lǐng)域通常具有以下特點(diǎn)：

（1） 拼接顯示屏規(guī)模龐大。隨著社會(huì)信息化的發(fā)展，人們需要更大的顯示墻綜合顯示多種多樣的信息，通常都在24面屏以上，有的高達(dá)幾百面屏. 真正的分布式圖像拼接控制器采用分散式架構(gòu)，每個(gè)處理器單獨(dú)處理自己的信號(hào)，無(wú)論有多少信號(hào)需要顯示，相互之間沒(méi)有任何影響，從而能夠支撐超大規(guī)模的拼接顯示屏系統(tǒng)。傳統(tǒng)的集中式控制器則受限于插槽數(shù)目、處理能力、總線帶寬等因素，難以支撐大規(guī)模的拼接顯示墻。

（2） 需要顯示的信號(hào)數(shù)量多。目前的大屏幕顯示系統(tǒng)中，通常需要同時(shí)顯示幾十路RGB信號(hào)，幾十路甚至上百路的視頻信號(hào)。在分布式圖像拼接控制器中，每路信號(hào)由一個(gè)單獨(dú)的處理器進(jìn)行處理，確保信號(hào)能夠被實(shí)時(shí)處理。在傳統(tǒng)的集中式控制器中，多路信號(hào)處理需要搶占CPU資源和系統(tǒng)總線帶寬，因此難以應(yīng)對(duì)多路RGB/視頻等信號(hào)的同時(shí)處理。

（3） 高性能與高可靠度。DLP拼接顯示墻越來(lái)越多被用于關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)，大屏系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著調(diào)度指揮、安全防范、事故預(yù)警和處理等重要職責(zé)，因此需要所有信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)顯示，系統(tǒng)安全可靠，能夠7x24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。優(yōu)秀的分布式圖像拼接控制器采用高性能DSP和FPGA作為影像處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)影像處理和顯示。嵌入式系統(tǒng)具有高性能、高可靠度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，非常適合對(duì)安全性和可靠性要求高的領(lǐng)域。

4. 目前主流的分布式圖像拼接控制器具有哪些基本特點(diǎn)？

目前在市場(chǎng)最主流的分布式圖像拼接控制器是美國(guó)Jupiter公司的PixelNet和臺(tái)達(dá)電子的DVCS。這兩個(gè)公司的產(chǎn)品都具有以下特點(diǎn)：

（1）分布式架構(gòu)，無(wú)論是前端的信號(hào)編碼器，還是后端的影像顯示處理器，相互獨(dú)立。一個(gè)信號(hào)編碼器只支持1個(gè)信號(hào)源，一個(gè)顯示處理器只支持1個(gè)顯示單元。

（2）網(wǎng)絡(luò)化影像傳輸。所有的視頻信號(hào)，包括RGB信號(hào)，視頻信號(hào)，高清視頻信號(hào)，音頻信號(hào)等，均被編碼為統(tǒng)一的碼流格式，在以太網(wǎng)上傳輸。影像碼流通過(guò)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)與顯示處理器靈活連接。

（3）采用高性能DSP/FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)影像處理，具有高性能、高可靠度、低功耗和體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。

（4）采用自主影像編碼算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種視頻信號(hào)的全兼容和超低延遲影像顯示。

5. 用戶(hù)選用分布式圖像拼接控制器需要注意哪些問(wèn)題？

分布式圖像拼接控制器是近2年才出現(xiàn)的新型大屏拼接控制器，用戶(hù)在選購(gòu)該類(lèi)型產(chǎn)品的時(shí)候需要注意以下事項(xiàng)：

（1） 供應(yīng)商的規(guī)模和研發(fā)能力。

分布式大屏控制器屬于大屏控制器中的高端產(chǎn)品，技術(shù)復(fù)雜度非常高，只有實(shí)力雄厚的公司才能夠開(kāi)發(fā)出真正意義上的、具有高可靠度的產(chǎn)品。

（2） 產(chǎn)品的性能和功能

各廠家的分布式大屏控制器的功能和性能差異很大，使用條件也很不相同。因此用戶(hù)需要事先做充分的比較和調(diào)研。下面是識(shí)別分布式圖像拼接控制器優(yōu)劣的幾個(gè)主要指標(biāo)：

. 是否采用嵌入式計(jì)算平臺(tái)，只有采用嵌入式計(jì)算平臺(tái)的產(chǎn)品才具有高可靠度和低功耗的優(yōu)點(diǎn)。如果采用PC平臺(tái)，利用軟件實(shí)現(xiàn)影像處理，則處理性能有限，且功耗大，不穩(wěn)定。

. 碼流格式，是否為面向拼接顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具有超低延遲的專(zhuān)用編碼格式。目前有些廠商用H.264編解碼器冒充分布式圖像拼接控制器。針對(duì)這種產(chǎn)品用戶(hù)可重點(diǎn)考察一下幾個(gè)指標(biāo)加以辨別：

a) 碼流格式為專(zhuān)用格式還是H.264，顯示延遲是多少;

主流的分布式圖像拼接控制器都采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超低延遲編碼技術(shù)，顯示延遲小于200毫秒。而H.264編解碼器的延時(shí)在2-4秒。

b) 解碼顯示器能夠同時(shí)處理多少路實(shí)時(shí)RGB/視頻信號(hào)的顯示；

主流的分布式圖像拼接控制器的一個(gè)顯示處理器至少可以處理9路以上的實(shí)時(shí)視頻/RGB信號(hào)的顯示。能夠處理的信號(hào)越多，則表明該產(chǎn)品的性能約強(qiáng)大。

H.264解碼器通常只能解1-2路實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，且難以實(shí)現(xiàn)任意大小和位置的顯示。

c) 每路信號(hào)是否能夠任意大小、任意位置、任意疊加；

真正的分布式圖像拼接控制器可以支持所有信號(hào)以任意大小、任意位置、任意疊加的方式顯示，不需要利用光機(jī)內(nèi)置處理器的功能。

H.264編解碼器產(chǎn)品不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的任意大小、任意位置、任意疊加的顯示方式，通常還需要利用光機(jī)內(nèi)置處理器的功能或集中式控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)該顯示模式。

d) 能夠支持的顯示屏規(guī)模是多少；

主流的分布式圖像拼接控制器能夠支持至少1000面屏以上的拼接顯示墻。

H.264編解碼器+集中式拼接控制器的組合難以支持大于64面屏的顯示系統(tǒng)，且性能低下。

.  產(chǎn)品性能：

e) RGB處理器能夠支持從800 x 600到1920 x 1200范圍內(nèi)所有VESA標(biāo)準(zhǔn)的分辨率，能夠達(dá)到30幀/秒的處理能力。

f) 能夠?qū)崟r(shí)處理1080p高清視頻信號(hào)。

g) 能處理音頻信號(hào)，且音視頻同步。

h) 一個(gè)顯示處理器能同時(shí)處理不少于16路的實(shí)時(shí)視頻/RGB，多個(gè)顯示處理器之間畫(huà)面同步。

i) 所有信號(hào)源的視窗可任意大小、任意位置、任意疊加。

. 管理軟件功能完備豐富：

j) B/S架構(gòu)管理軟件，無(wú)需在用戶(hù)計(jì)算機(jī)上安裝任何軟件，可通過(guò)瀏覽器對(duì)分布式大屏控制器進(jìn)行控制；

k) 支持多路信號(hào)實(shí)時(shí)預(yù)覽和大屏幕上所有視窗實(shí)時(shí)回顯

l ) 支持信號(hào)源組播，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)屏幕上同步實(shí)時(shí)播放

m) 支持觸控屏控制

（3） 產(chǎn)品的穩(wěn)定性

. 產(chǎn)品是否具有CCC/CE/UL等認(rèn)證

. 產(chǎn)品的MTBF時(shí)間不少于50,000小時(shí)

（4）需要的網(wǎng)絡(luò)資源

. 需要100M網(wǎng)絡(luò)還是1000M網(wǎng)絡(luò)

6. 市場(chǎng)上分布式圖像拼接控制器技術(shù)解析：

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些所謂的“分布式圖像拼接控制器”，前端采用M-JPEG2000或H.264視頻壓縮芯片，后端采用M-JPEG2000或H.264解碼芯片對(duì)碼流解碼顯示。這種產(chǎn)品從本質(zhì)上來(lái)講不是分布式圖像拼接控制器，而是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化視頻信號(hào)傳輸產(chǎn)品，原因如下：

（1） 這種產(chǎn)品只能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)一的信號(hào)傳輸與顯示。由于后端采用M-JPEG2000或H.264 ASIC解碼芯片（這些芯片是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、機(jī)頂盒等應(yīng)用設(shè)計(jì)的），無(wú)法實(shí)現(xiàn)將視頻信號(hào)以任意大小、任意位置的方式顯示在拼接墻上。通常的解決辦法是在后端把M-JPEG2000解碼卡或H.264解碼卡插入一臺(tái)集中式控制器，實(shí)現(xiàn)大屏幕圖像的拼接控制。

（2） M-JPEG2000是一種基于靜態(tài)圖像壓縮技術(shù)JPEG2000發(fā)展起來(lái)的圖像序列壓縮技術(shù)，可以生成序列化的運(yùn)動(dòng)圖像。M-JPEG2000采用小波變換對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，計(jì)算復(fù)雜，適合靜態(tài)圖像的壓縮編碼，難以實(shí)現(xiàn)每秒30幀的高清視頻壓縮（能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)JPEG2000高清圖像壓縮的設(shè)備非常昂貴）。適用于某些只需要保證持續(xù)監(jiān)控，但對(duì)刷新率要求不高的產(chǎn)品，典型應(yīng)用如數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)，醫(yī)療影像等。

（3） H.264編碼算法是針對(duì)視頻信號(hào)設(shè)計(jì)的，采用多個(gè)幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，其典型特點(diǎn)是：高壓縮比和較大的影像編解碼延遲，H.264視頻編解碼的時(shí)間通常在2-4秒。另一個(gè)問(wèn)題是H.264 編碼芯片通常不能很好支持各種計(jì)算機(jī)RGB信號(hào)的分辨率。