分布式圖像拼接控制器技術解析

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及特點分析。

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網絡作為信號傳輸的通道，采用實時影像處理技術，把各種視頻信號源（RGB信號，視頻信號，高清視頻，音頻信號等）進行壓縮編碼，把數據打包成能夠在以太網上傳輸的IP碼流，顯示端接收各種信號碼流并實時解碼，將IP碼流信號還原成視頻信號進行顯示。

分布式圖像拼接控制器通常由以下幾個部分組成：

（1） 信號源輸入處理器，能夠將各種不同的視頻信號（RGB信號，視頻信號，高清信號，音頻信號等）實時編碼成能夠在以太網上傳輸的IP碼流；

（2） 顯示輸出處理器，能夠接收各種不同的信號源IP流，并實時解碼顯示；

（3） 以太網交換機，根據IP地址把信號的IP碼流轉發(fā)給顯示處理器；

（4） 控制管理軟件，用戶通過控制管理軟件能夠實時對各個處理器進行控制和設置；

2. 大屏拼接市場為什么會發(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是數字信號處理芯片（DSP）技術、網絡通訊技術、以及影像處理技術共同發(fā)展的結果。眾所周知，IC芯片的發(fā)展一直遵循著摩爾定律快速成長。今天，人們已經能夠生產出性能非常強大的數字信號處理DSP芯片（例如TI C6000系列， Freescale StarCore DSP）和大規(guī)?？删幊踢壿嬓酒現PGA（Field－Programmable Gate Array）。利用DSP/FPGA強大的運算能力，人們可以實現對視頻信號實時處理，包括圖像增強，噪聲濾除，圖像縮放，De-interlacing，視頻CODEC等。近十幾年來，網絡技術飛速發(fā)展。網絡通訊帶寬已經由早期的56Kbps，快速發(fā)展到10Mbps, 100Mbps，和1000Mbps帶寬.目前10Gbps以太網技術也已經成熟，正在越來越多的被應用到高速數據通訊領域。網絡帶寬的提升，為高品質視頻信號流網絡化傳輸提供了保障。由于視頻信號數據量非常龐大（一路1080p@30fps的全高清視頻信號的原始數據流為949.2Mbps）,為了能夠在網絡上有效傳輸多路視頻信號，則需要對視頻信號進行編碼，除去視頻信號中的冗余信息，從而減少視頻信號的數據帶寬占用。視頻編碼技術經過近20年的發(fā)展，已經在技術上取得了巨大的進步，人們能夠在保證畫面質量的前提下把視頻信號的數據量壓縮幾倍到幾十倍。因此，分布式圖像拼接控制器的出現是綜合利用了高性能DSP/FPGA芯片技術、寬帶網絡通訊技術、和高性能視頻編碼技術等多項高科技發(fā)展成果，有著明顯的時代背景。

3. 分布式圖像拼接控制器主要適用于哪些領域？為什么？

分布式圖像拼接控制器非常適合應用到大規(guī)模的DLP/LCD拼接顯示系統(tǒng)中，實現海量高性能的影像處理和大規(guī)模的信號顯示，包括鐵道指揮調度，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用的領域通常具有以下特點：

（1） 拼接顯示屏規(guī)模龐大。隨著社會信息化的發(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，有的高達幾百面屏. 真正的分布式圖像拼接控制器采用分散式架構，每個處理器單獨處理自己的信號，無論有多少信號需要顯示，相互之間沒有任何影響，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） 需要顯示的信號數量多。目前的大屏幕顯示系統(tǒng)中，通常需要同時顯示幾十路RGB信號，幾十路甚至上百路的視頻信號。在分布式圖像拼接控制器中，每路信號由一個單獨的處理器進行處理，確保信號能夠被實時處理。在傳統(tǒng)的集中式控制器中，多路信號處理需要搶占CPU資源和系統(tǒng)總線帶寬，因此難以應對多路RGB/視頻等信號的同時處理。

（3） 高性能與高可靠度。DLP拼接顯示墻越來越多被用于關系到國計民生的國家重點行業(yè)，大屏系統(tǒng)擔負著調度指揮、安全防范、事故預警和處理等重要職責，因此需要所有信號能夠實時顯示，系統(tǒng)安全可靠，能夠7x24小時連續(xù)運行。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，實現了實時影像處理和顯示。嵌入式系統(tǒng)具有高性能、高可靠度、低功耗等優(yōu)點，非常適合對安全性和可靠性要求高的領域。

4. 目前主流的分布式圖像拼接控制器具有哪些基本特點？

目前在市場最主流的分布式圖像拼接控制器是美國Jupiter公司的PixelNet和臺達電子的DVCS。這兩個公司的產品都具有以下特點：

（1）分布式架構，無論是前端的信號編碼器，還是后端的影像顯示處理器，相互獨立。一個信號編碼器只支持1個信號源，一個顯示處理器只支持1個顯示單元。

（2）網絡化影像傳輸。所有的視頻信號，包括RGB信號，視頻信號，高清視頻信號，音頻信號等，均被編碼為統(tǒng)一的碼流格式，在以太網上傳輸。影像碼流通過交換機，實現與顯示處理器靈活連接。

（3）采用高性能DSP/FPGA實現實時影像處理，具有高性能、高可靠度、低功耗和體積小巧等優(yōu)點。

（4）采用自主影像編碼算法，實現對各種視頻信號的全兼容和超低延遲影像顯示。

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5. 用戶選用分布式圖像拼接控制器需要注意哪些問題？

分布式圖像拼接控制器是近2年才出現的新型大屏拼接控制器，用戶在選購該類型產品的時候需要注意以下事項：

（1） 供應商的規(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品，技術復雜度非常高，只有實力雄厚的公司才能夠開發(fā)出真正意義上的、具有高可靠度的產品。

（2） 產品的性能和功能

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。因此用戶需要事先做充分的比較和調研。下面是識別分布式圖像拼接控制器優(yōu)劣的幾個主要指標：

. 是否采用嵌入式計算平臺，只有采用嵌入式計算平臺的產品才具有高可靠度和低功耗的優(yōu)點。如果采用PC平臺，利用軟件實現影像處理，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)設計的具有超低延遲的專用編碼格式。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。針對這種產品用戶可重點考察一下幾個指標加以辨別：

a) 碼流格式為專用格式還是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產權的超低延遲編碼技術，顯示延遲小于200毫秒。而H.264編解碼器的延時在2-4秒。

b) 解碼顯示器能夠同時處理多少路實時RGB/視頻信號的顯示；

主流的分布式圖像拼接控制器的一個顯示處理器至少可以處理9路以上的實時視頻/RGB信號的顯示。能夠處理的信號越多，則表明該產品的性能約強大。

H.264解碼器通常只能解1-2路實時視頻信號，且難以實現任意大小和位置的顯示。

c) 每路信號是否能夠任意大小、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，不需要利用光機內置處理器的功能。

H.264編解碼器產品不能實現信號的任意大小、任意位置、任意疊加的顯示方式，通常還需要利用光機內置處理器的功能或集中式控制器來實現該顯示模式。

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。

.  產品性能：

e) RGB處理器能夠支持從800 x 600到1920 x 1200范圍內所有VESA標準的分辨率，能夠達到30幀/秒的處理能力。

f) 能夠實時處理1080p高清視頻信號。

g) 能處理音頻信號，且音視頻同步。

h) 一個顯示處理器能同時處理不少于16路的實時視頻/RGB，多個顯示處理器之間畫面同步。

i) 所有信號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架構管理軟件，無需在用戶計算機上安裝任何軟件，可通過瀏覽器對分布式大屏控制器進行控制；

k) 支持多路信號實時預覽和大屏幕上所有視窗實時回顯

l ) 支持信號源組播，實現在多個屏幕上同步實時播放

m) 支持觸控屏控制

（3） 產品的穩(wěn)定性

. 產品是否具有CCC/CE/UL等認證

. 產品的MTBF時間不少于50,000小時

（4）需要的網絡資源

. 需要100M網絡還是1000M網絡

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6. 市場上分布式圖像拼接控制器技術解析：

目前市場上出現了一些所謂的“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解碼芯片對碼流解碼顯示。這種產品從本質上來講不是分布式圖像拼接控制器，而是一個網絡化視頻信號傳輸產品，原因如下：

（1） 這種產品只能夠實現一對一的信號傳輸與顯示。由于后端采用M-JPEG2000或H.264 ASIC解碼芯片（這些芯片是針對網絡攝像機、機頂盒等應用設計的），無法實現將視頻信號以任意大小、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解碼卡插入一臺集中式控制器，實現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JPEG2000發(fā)展起來的圖像序列壓縮技術，可以生成序列化的運動圖像。M-JPEG2000采用小波變換對圖像進行壓縮，計算復雜，適合靜態(tài)圖像的壓縮編碼，難以實現每秒30幀的高清視頻壓縮（能夠實現實時JPEG2000高清圖像壓縮的設備非常昂貴）。適用于某些只需要保證持續(xù)監(jiān)控，但對刷新率要求不高的產品，典型應用如數字硬盤錄像機，醫(yī)療影像等。

（3） H.264編碼算法是針對視頻信號設計的，采用多個幀進行運動估計，其典型特點是：高壓縮比和較大的影像編解碼延遲，H.264視頻編解碼的時間通常在2-4秒。另一個問題是H.264 編碼芯片通常不能很好支持各種計算機RGB信號的分辨率。