淺談小間距LED顯示屏的拼接處理技術

    小間距LED顯示屏憑借著真正的無縫拼接、高性價比以及、出眾的顯示效果等優(yōu)點，已經被越來越多地被應用在演播室、控制室、指揮大廳、會議中心等重要關鍵場合。隨著LED顯示屏的像素間距不斷變小，其使人們的觀看距離得以不斷縮小拉近。，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（以下簡稱拼接器）也提出了更高的要求。拼接器的性能直接決定了圖像的顯示質量和顯示系統的可靠性。

一、應用于小間距LED顯示屏的拼接處理技術 

（一）拼接器與小間距LED顯示屏的配合使用

    拼接器的一個關鍵應用是可以輸出多路DVI信號，對矩陣排列的多個顯示屏進行拼接顯示，使之成為邏輯上的一個完整的顯示區(qū)域。

    對于LED顯示屏而言，我們可以將一臺LED控制器所驅動的顯示區(qū)域定義為一個獨立的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，所驅動的LED顯示屏最大物理分辨率為1920×1200。隨著LED小間距產品的顯示面積越來越大，幾十平米的項目屢見不鮮，LED顯示屏的物理分辨率往往會超過1920×1200，即每一塊超大規(guī)模的LED顯示屏，都是由若干個LED控制器所驅動的若干個獨立的顯示區(qū)域而組成的，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DVI輸出接口，并對整個LED屏幕進行拼接顯示即可。

    拼接器的多路DVI信號輸出，必然存在信號的同步性問題，不同步的信號輸出到LED顯示屏上，在拼接處就會出現畫面撕裂現象，在播放高速運動的圖像時尤為明顯。

點對點的圖像顯示效果是最好的，經過縮小處理后的圖像，如果僅采用普通的圖形處理技術或通用的FPGA圖形處理算法，圖像的邊緣會出現鋸齒，甚至會出現像素缺失，圖像的亮度也會下降。因此，好的圖形處理算法是一款拼接器應用于小間距LED顯示屏的關鍵技術。
小間距LED顯示屏是由一塊一塊相同規(guī)格的顯示單元矩陣拼接而成，整個大屏幕往往不是一個標準的物理分辨率。在超大規(guī)模的拼接系統里，每臺LED控制器所驅動的LED顯示區(qū)域可能不是標準的分辨率，這個時候，拼接器具有非標準分辨率的輸出就顯得關鍵，它可以幫助我們快速找到合適的拼接方式，從而合理的地分配資源，有效節(jié)約LED控制器和傳輸設備的使用數量。

（二）應用于小間距LED顯示屏的拼接器

目前拼接器可分為四類，即嵌入式純硬件架構、PCI-E總線架構、分布式網絡架構、混合架構。

1.嵌入式純硬件架構

整機結構通常會采用“背板+信號采集板+主控板+信號輸出板”的設計，信號采集板進行諸如視頻采集、縮放、疊加、格式轉換等信號處理工作，通過背板總線將經過處理的信號傳送給主控板的FPGA信號處理系統，通過嵌入式ARM系統實現對主控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；可實現多路、多格式信號的采集和處理；背板交換式技術和輸出板卡統一時鐘技術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。

諸多特點使純硬件架構迅速成為當今拼接器領域的主流產品之一。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，尤其是在圖像縮放的算法上，如何對其進行優(yōu)化以達到更清晰的顯示效果，已經成為判定純硬件拼接器產品價值的重要指標。

2.PCI-E總線架構

通?？偩€架構的拼接器采用PCI Express技術，可用數據帶寬高達上百Gbps。主機配備高性能的CPU及大容量內存，會根據應用領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。同時配有多張輸入卡，包括多種信號格式，并能夠對輸入信號進行圖像處理。

PCI-E總線架構拼接器在運算速度、圖像處理、操作方式等方面具有無法比擬的優(yōu)勢。PCI-E總線架構拼接器門檻很低，簡單的應用、，一臺工控機、，一個專業(yè)的多通道輸出顯卡即可實現。

而如何解決系統穩(wěn)定性問題，如何設計一款直觀且功能強大的控制軟件，如何解決高總線帶寬下數據傳輸的各種問題都需要強大的研發(fā)團隊和雄厚的資金做基礎，同時需要經驗的積累。因此，高端的PCI-E總線架構拼接器不但需要滿足信號采集、處理、拼接等最基本的應用，在系統穩(wěn)定性、軟件易用性等方面的設計和投入更是不遺余力，從而使拼接器滿足各種嚴苛的應用環(huán)境。

但是，總線架構拼接器由于大多采用Windows操作系統，一旦受到病毒攻擊致使系統癱瘓，將停止顯示。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（視頻電子標準協會）標準，不能定義非標準的分辨率輸出，也不能定義每個通道不同的分辨率。

1.2.3  3.分布式網絡架構

分布式網絡架構拼接器通常采用節(jié)點式硬件結構，每個輸入、輸出節(jié)點獨立分開，通過雙絞線接入中心交換機，對數據進行交互傳輸。

其核心是一套先進的視頻編解碼技術，通過各種信號輸入節(jié)點，將采集到的DVI、VGA、YPbPr、CVBS、3G-SDI等信號進行處理和編碼，通過專用的網絡通訊協議，將編碼后的視頻流經中心交換機傳輸的輸出節(jié)點解碼，并轉換為DVI數字信號輸出到顯示終端。

輸出節(jié)點的同步性成為了該系統應用的關鍵。一種辦法是通過網絡直接發(fā)送同步碼，實現多臺輸出節(jié)點的同步輸出。但是由于網絡誤碼率的存在，這種方式運行一段時間后，還是會出現輸出不同步現象。另一種辦法是通過SYNC接口將多臺輸出節(jié)點進行物理連接，選擇一臺輸出節(jié)點作為主機，主動發(fā)送同步碼向其他輸出節(jié)點，從而使所有輸出節(jié)點同時接收到同步信號，實現真正的幀同步輸出，確保顯示圖像完整，屏幕拼接處無撕裂。

目前分布式網絡架構拼接系統的應用越來越多，由于其分布式的特點，便于整個建筑里的綜合布線和不同區(qū)域的多個顯示終端集中管理。配合先進的可視化軟件的幫助，向用戶提供人性化、可視化、綜合化的服務。

但是，受限于帶寬和編解碼技術，分布式網絡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，由于編碼、處理、解碼、信號同步輸出等環(huán)節(jié)均需要幀緩存，因此在數據的實時性方面和其它幾種拼接技術存在差距。另外，在需要顯示點對點的超過1920×1200分辨率的圖像時（需要兩臺以上的信號輸入節(jié)點），無法保證多路同步源輸入信號的再同步輸出。

1.2.4  4.混合架構

混合架構，一般指以上三種拼接技術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+硬件背板總線架構拼接器，它的系統控制和圖像處理分別獨立實現。PCI總線負責系統控制，并在后臺運行操作系統；硬件背板總線負責視頻圖像處理，系統允許對大量的高分辨率輸入信號進行同步處理，同時仍能在全幀速下保持實時的操作性能和最佳的圖像質量，同時確保輸出信號的同步性。針對重要應急場所，可以確保永不黑屏，即便PCI總線負責的操作系統發(fā)生故障或病毒感染，通過專用的背板圖形處理總線，也能夠確保任何時刻顯示外來視頻圖像。

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

2  二、小間距LED顯示屏的應用領域 

目前，小間距LED顯示屏可應用的領域很廣泛，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；交通路網及航空監(jiān)控顯示系統；能源行業(yè)生產調度系統；政府及企事業(yè)單位會議顯示系統；廣播電視傳媒顯示系統；
公共場所信息發(fā)布系統等。

作為新一代背景墻顯示終端，小間距LED顯示屏正在為各行各業(yè)的關鍵系統提供優(yōu)質的服務。