探讨应用于小间距LED显示屏的图像拼接处理器

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图像拼接处理器的要求

随着LED显示屏像素间距不断变小，观看距离不断拉近，为了达到出色的显示效果，不但要求LED显示屏本身在图像处理和拼装工艺上精益求精，对LED显示屏前端的图像拼接处理器(以下简称拼接器)也提出了更高的要求：

(1)证输出同步性，避免拼接画面不同步现象;

(2)优化图像处理算法，使经过缩放处理的图像保持高清晰度;

(3)自定义输出分辨率，应对LED显示屏物理分辨率不规则的特点。

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应用于小间距LED显示屏的拼接处理技术

2.1 拼接器与小间距LED显示屏的配合使用

拼接器的一个关键应用是可以输出多路DVI信号，对矩阵排列的多个显示屏进行拼接显示，使之成为逻辑上的一个完整的显示区域。

对于LED显示屏而言，我们可以将一台LED控制器所驱动的显示区域定义为一个独立的LED显示屏，当前的LED控制器采用DVI/HDMI作为信号输入接口，支持最大的输入分辨率为1920×1200@60Hz，最大带宽为165MHz，所驱动的LED显示屏最大物理分辨率为1920×1200。

随着LED小间距产品的显示面积越来越大，几十平方米的项目屡见不鲜，LED显示屏的物理分辨率往往会超过1920×1200，即每一块超大规模的LED显示屏，都是由若干个LED控制器所驱动的若干个独立的显示区域组成的，对于拼接器的应用而言，只需要对应LED控制器的数量提供若干个DVI输出接口，并对整个LED屏幕进行拼接显示即可。

拼接器在小间距LED显示屏的应用中，有几个关键技术值得关注：

(1)信号的输出同步性

拼接器的多路DVI信号输出，必然存在信号的同步性问题。不同步的信号输出到LED显示屏上，在拼接处就会出现画面撕裂现象，在播放高速运动的图像时尤为明显。如何保证信号的输出同步性，成为衡量一个拼接系统成败的关键。

(2)图形处理算法

我们知道，点对点的图像显示效果是最好的，经过缩小处理后的图像，如果仅采用普通的图形处理技术或通用的FPGA图形处理算法，图像的边缘会出现锯齿，甚至会出现像素缺失，图像的亮度也会下降。而高端的图像处理芯片或利用复杂图形处理算法的FPGA系统会最大限度的保证缩小后图像的显示效果。因此，好的图形处理算法是一款应用于小间距LED显示屏的拼接器的关键技术。

(3)非标准分辨率的输出

小间距LED显示屏是由一块一块相同规格的显示单元矩阵拼接而成，每个显示单元尺寸和物理分辨率是固定的，但是拼接起来的整个大屏幕，往往不是一个标准的物理分辨率。比如，显示单元的分辨率为128×96，只能拼成1920×1152，却拼不出1920×1080。在超大规模的拼接系统里，每台LED控制器所驱动的LED显示区域可能不是标准的分辨率，这个时候，拼接器具有非标准分辨率的输出就显得关键，它可以帮助我们快速找到合适的拼接方式，从而合理的分配资源，有效节约LED控制器和传输设备的使用数量。

2.2 应用于小间距LED显示屏的拼接器

目前拼接器可分为四类，即嵌入式纯硬件架构、PCI-E总线架构、分布式网络架构、混合架构。

(1)嵌入式纯硬件架构

整机结构通常会采用“背板+信号采集板+主控板+信号输出板”的设计，信号采集板进行诸如视频采集、缩放、叠加、格式转换等信号处理工作，通过背板总线将经过处理的信号传送给主控板的FPGA信号处理系统，通过嵌入式ARM系统实现对主控FPGA配置、与上位PC机通信、系统间的数据交换等功能，通过信号输出板将信号输出给显示终端。

纯硬件架构拼接器的结构相对简单、不容易出现系统故障;采集板和输出板可热插拔，易于更换;可实现多路、多格式信号的采集和处理;背板交换式技术和输出板卡统一时钟技术确保了多路信号输出的同步性;每一路DVI输出信号的分辨率均可自定义，符合LED显示屏的拼接特点。

诸多特点使纯硬件架构迅速成为当今拼接器领域的主流产品之一。但是，由于采用了FPGA作为核心的图像处理单元，算法的优劣决定了一款拼接器处理效果的好坏，尤其是图像缩放的算法，如何进行优化以达到更清晰的显示效果，已经成为判定纯硬件拼接器产品价值的重要指标。

(2)PCI-E总线架构

通常总线架构的拼接器采用PCIExpress技术，可用数据带宽高达上百Gbps。主机配备高性能的CPU及大容量内存，可根据应用领域的不同预装不同的操作系统(如64位的Windows7)，并可直接运行各种应用程序。拼接器配备多张高性能的图形输出卡，每张输出卡拥有超高的内部带宽及显存，并且所有的输出图像都被同步以消除显示单元间的图像撕裂。同时还配有多张输入卡，支持多种信号格式，并能够对输入信号进行图像处理。

PCI-E总线架构拼接器就是一台高性能的计算机，所有组件都选用各大硬件厂商最先进和成熟的技术，比如CPU可选用Intel，显卡可选用英伟达。所有计算机领域的高新技术也能够被快速的融合进来。这使得PCI-E总线架构拼接器在运算速度、图像处理、操作方式等方面具有无法比拟的优势。

PCI-E总线架构拼接器门槛很低，对于简单的应用，一台工控机，加上一个专业的多通道输出显卡即可实现。

另一方面，如何解决系统稳定性问题，如何设计一款直观且功能强大的控制软件，如何解决高总线带宽下数据传输的各种问题等，都需要强大的研发团队和雄厚的资金基础，同时需要经验的积累。就是说，高端的PCI-E总线架构拼接器不但需要满足信号采集、处理、拼接等最基本的应用，在系统稳定性、软件易用性等方面的设计等方面都需要更多的投入，才能使拼接器满足各种严苛的应用环境。

但是要注意，总线架构拼接器大多采用Windows操作系统，一旦受到病毒攻击可能致使系统瘫痪，停止显示。而且，由于采用了定制的图形显卡，各输出通道的分辨率一般需要符合VESA(视频电子标准协会)标准，不能定义非标准的分辨率输出，也不能定义每个通道不同的分辨率。

(3)分布式网络架构

分布式网络架构拼接器通常采用节点式硬件结构，每个输入、输出节点独立分开，通过双绞线接入中心交换机，对数据进行交互传输。

其核心是一套先进的视频编解码技术，通过各种信号输入节点，将采集到的DVI、VGA、YPbPr、CVBS、3G-SDI等信号进行处理和编码，通过专用的网络通讯协议，将编码后的视频流经中心交换机传输到输出节点解码，并转换为DVI数字信号输出到显示终端。

输出节点的同步性成为了该系统应用的关键。一种办法是通过网络直接发送同步码，实现多台输出节点的同步输出。但是由于网络误码率的存在，这种方式运行一段时间后，还是会出现输出不同步现象。另一种办法是通过SYNC接口将多台输出节点进行物理连接，选择一台输出节点作为主机，向其他输出节点主动发送同步码，从而使所有输出节点同时接收到同步信号，实现真正的帧同步输出，确保显示图像完整，屏幕拼接处无撕裂。

目前分布式网络架构拼接系统的应用越来越多，由于其分布式的特点，便于整个建筑里的综合布线和不同区域的多个显示终端集中管理。配合先进的可视化软件的帮助，可向用户提供人性化、可视化、综合化的服务。

但是，受限于带宽和编解码技术，分布式网络架构目前还不支持双链路DVI数字信号和HDMI信号的接入。同时，由于编码、处理、解码、信号同步输出等环节均需要帧缓存，因此在数据的实时性方面与其它几种拼接技术相比存在差距。另外，在需要显示的点对点数超过1920×1200分辨率的图像时(需要两台以上的信号输入节点)，无法保证多路同步源输入信号的再同步输出。

(4)混合架构

混合架构，一般指以上三种拼接技术之中的两种或两种以上相结合的拼接器或拼接系统。

比如PCI+硬件背板总线架构拼接器，它的系统控制和图像处理分别独立实现。PCI总线负责系统控制，并在后台运行操作系统;硬件背板总线负责视频图像处理，系统允许对大量的高分辨率输入信号进行同步处理，同时仍能在全帧速下保持实时的操作性能和最佳的图像质量，同时确保输出信号的同步性。针对重要应急场所，可以确保永不黑屏，即便PCI总线负责的操作系统发生故障或病毒感染，通过专用的背板图形处理总线，也能够确保任何时刻显示外来视频图像。

通过混合架构，可以综合应用，取长补短，极大地增加了系统的稳定性。这也是今后拼接技术的发展方向，具有更为广阔的应用空间。

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小间距LED显示屏的应用

目前，小间距LED显示屏的应用很广泛，它包括但不限于：

军队演习指挥系统

公共安全显示指挥系统

电力调度系统

交通路网及航空监控显示系统

能源行业生产调度系统

政府及企事业单位会议显示系统

广播电视传媒显示系统

公共场所信息发布系统

作为新一代背景墙显示终端，小间距LED显示屏正在为各行各业的关键系统提供优质的服务。