[拼接交互显示系统的设计方法] 拼接屏显示系统

　　摘要：通过对现有技术的介绍和分析，提出了创新的设计方法，在保持一般拼接显示系统的性能基础上满足用户对超高分辨率、刷新率和可交互性等要求。本文阐述了大型拼接显示系统设计的关键技术，即主从处理器技术、快速压缩解压技术和触摸方法。该系统方案是成功的，并具有较大的应用发展前景。
　　关键词：触摸屏；交互显示；主从处理器
　　中图分类号：TN141 文献标识码：B
　　
　　Design of Interactive Display Wall System
　　LU Ru-xi
　　（Guangdong Vtron Ｔechnologies Co., Ltd., Guangzhou 510663, China）
　　
　　Abstract: This paper introduced innovative design techniques by stating and analyzing the existing technologies, these new techniques meet the requirements such as extra high resolution, frequency and interactive while retaining the performance of general display wall system. This paper stated the key technologies of large-scale stitching display system, which are the technologies of structure of main/subordinate processors, fast encoding/decoding technology and touching method . The system is proven successfully and has broad application and development prospects.
　　Keywords: touching screen; interactive display; main/subordinate processor
　　
　　随着可视化信息内容不断扩大，高端可视化信息显示的实现难度也越来越高。大屏幕拼接显示系统中需要集中处理、控制和显示信息的接入数量和种类不断增加，拼接显示系统的规模也随着信号源的增多而不断扩大，致使承担信号处理的拼接显示处理器工作负荷不断加大，系统的信号处理与控制、拼接显示能力以及系统的安全都将面临着新的挑战。有些小型拼接显示系统还需要有交互功能。如何利用和分配系统资源，合理减轻系统负荷，满足大信息量集中、实时刷新的显示需求，提高系统整体的稳定性，是拼接交互显示系统设计的工作目标和任务。
　　
　　1拼接显示系统的基本结构
　　
　　本文涉及的拼接显示墙是指用N×M个DLP背投显示单元组成的拼接显示墙。其中显示单元可以对输入的视频信号或电脑RGB信号进行全屏显示或局部放大显示，大部分还有信号输出功能，这样可以独立工作。为了方便起见，用户可以配置一台控制器。拼接显示系统（图1）是指包括由拼接显示墙、拼接显示处理器和拼接显示控制器等组成的系统，用户可以选购视频切换矩阵、RGB切换矩阵。图1是2×2单元组成的拼接显示系统，拼接显示处理器输出4个显示通道给4个单元形成桌面显示信号，拼接显示控制器可以开窗显示用户电脑信号（如图1绿框中显示），DVD信号可以直接送到拼接显示墙上，并在任意位置以任意大小的矩形区域显示出来。另外，2个DVD信号先送到拼接显示处理器并与桌面信号进行叠加后再送给拼接显示墙显示（如在图1中黄色框和紫色框显示）。
　　
　　
　　2大型拼接显示系统的关键技术
　　
　　PC计算机的桌面分辨率受限于计算机显示卡或显示器个体的分辨率指标。由于单台PC的PCI插槽有限，其地址资源也有限，所以单台PC机驱动不宜超过32个显示通道。目前，PC显示通道采用了AGP或PCI－E的高速传输方式，但是通道数目相当有限，只有1～4个。由于用户的新需求，我们要寻找桌面分辨率超过普通计算机桌面分辨率上百倍的计算机结构及其实现方法。
　　由于显示卡存储容量是有限的，而且需要通过PCI等完成读写操作，速度较慢。对于32列4行的拼接显示系统，每个单元分辨率1,024×768，合计100,663,296像素，或者100M像素×32位颜色，占用400MB存储器。实际上，考虑到网络传输速度也有限，还要进行数据压缩并传送给显示处理器显示，按照以下要讨论的压缩方案需要另外开辟2倍的存储空间用于数据压缩，合计需要1,200MB的存储空间。即使目前最好的显示卡也远远达不到这个要求的。CPU通过PCI访问外部内存的速度只有33MHz×32位（4字节）的访问速度，即每秒132MB；而CPU直接对内存操作时，对于333MHz DDR内存，一次读\写操作可以进行64～128位（8～16字节），其速度是每秒2,664MB，为PCI传输速度的20倍。
　　为了克服以上障碍并实现以上需求，我们的技术突破方案[1]是通过在计算机内存开辟巨大的内存空间虚拟显示卡的存储空间，并编制相应的显示驱动软件实现虚拟显示卡的功能，除此之外，还要设法让WINDOWS操作系统能够承认这是合法的显示卡操作。在这个基础上我们创新设计了主从处理器结构，由一台主处理器完成巨大桌面显示信息，并进行显示数据分块压缩，再通过快速网络（千兆）发送给多个从处理器，又称显示处理器。由于具有技术创新，所以申请了中国发明专利。
　　
　　3解决超高分辨率图像传输的方法
　　
　　目前图像压缩技术（如JPG、JPEG2000、MPEG和H.264等）已经发展成熟，但是在超高分辨率应用场合下均不能满足要求。虽然压缩效率很高，但是带来的问题是速度相当慢。例如，我们从试验中知道，对于1亿像素的图片，用JPG压缩一次要花约10s，用MPEG4压缩技术则不能执行，我们来测算一下：
　　由于用PC机压缩，其速度不如高速DSP，所以用高速DSP来测算。对PAL制720×576视频的压缩刷新率为每秒30帧。1亿像素相当于241个720×576，所以刷新率为30/241，即每秒0.125帧，或者说每8秒钟才完成1帧的压缩。
　　进一步分析发现很多具体的压缩方法，如移动预测、行程编码等，均无法采用。
　　我们创新设计了一种实用的快速压缩解压办法[2]。该办法中服务端采用的是帧内压缩和帧间压缩的方式，其帧内压缩机制主要是进行帧内相邻像素的比较，比较方式非常简单，不需要象MPEG算法那样进行DCT编码变换。本发明的帧间压缩机制实际采用的是增量比较的办法，即当前帧和上一帧像素的比较，只对变化了的数据进行处理并压缩，这种比较压缩机制不需要进行预测编码、运动补偿等活动，所以非常简洁明快，压缩速度也得到了大幅提高。抛弃了传统帧间压缩方案中复杂的计算方式，降低了计算机的资源占用率；使用端采用增量刷新的方式进行图像显示，只对变化的部分进行刷新，即如果局部变化就只进行局部刷新，可使远程桌面的刷新速度得到大幅提高，同时可大大降低计算机的系统资源占用率。
　　该发明经过相当多次试验后证实其应用结果最佳。我们设计了2个版本，一个是通用的版本，命名为VlinkExpress软件，另外一个是专门对主从处理器而设计的VlinkExpress软件模块版本。
　　全球第一款专用于拼接显示系统的远程网络显示软件――VlinkExpress面世以来一直保持行业领先的地位，该产品的推出，改变了大屏幕系统网络显示只能依靠其它领域的远程控制软件（如NetOP、PcAnywhere等）的尴尬局面，并使得网络信号显示速度提高到接近实时的速度，突破了传统网络抓屏软件在大屏幕这一特殊领域应用的速度极限。
　　我们将具有发明专利的VlinkExpress技术用于大型应用服务器和主从处理器构架，发挥了其重要的作用，我们可以把几千万像素的大型显示应用在应用服务器（其功能与主处理器相同）运行并把显示结果送到从处理器，再由多个从处理器送到拼接显示墙显示。
　　
　　4大型拼接显示系统的特点
　　
　　有了以上设计方法,我们成功设计了100M像素特高清晰巨屏显示系统，该项目成果通过了由两名院士牵头组成的专家组的鉴定，其中四项技术获得了国际领先水平的鉴定结论，2006年获得广东省科技进步一等奖。在这次鉴定会现场，我们采用26×5拼接显示系统（分辨率为102,236,160像素）进行了完美的性能演示。该系统的特点是具有全屏幕高分辨率单一逻辑屏的显示能力，并具有多用户灵活分区应用的功能，无论是单一逻辑屏应用还是分区应用，均可实现快速同步显示。站在这个巨屏显示系统面前每个人都会感到无比的震撼力。
　　所述的单一逻辑屏是指，如此大的显示墙当作一个超大型显示器，在WINDOWS XP操作系统的支持下任意使用这台巨型显示器，执行应用程序，打开许多个输入的视频信号和RGB信号监控窗口，所有图像内容都可以在任何位置以任意大小矩阵区域显示。所不同的是，这种显示器的显示分辨率比一般的显示器高达100多倍。
　　我们可根据大型显示系统的功能划分需求，容许安装多个主处理器对整个显示墙进行分区使用；当用户随时需要时（如显示一个整体的超高分辨率图片或超高分辨率活动画面），可以启用一台专门的主处理器立即接管整体显示墙的控制。根据用户要求，我们也可以经常变化显示分区。为了用户安全运行，我们已经设计支持对主处理器和应用服务器在线冷备份或热备份，一旦某个主处理器或某个应用服务器出现故障时，切换到事先准备好的相应备份机运行。为了满足更加灵活的应用需求，我们设计的从处理器可以同时接受多个主处理器或多个应用处理器的显示任务。这样的实现方法，可以使用户更加方便地对大型显示墙的任意分区。
　　
　　5拼接显示系统的交互方法
　　
　　用户在一般显示器上安装触摸屏就可以与PC机进行交互使用。而对于拼接而成的显示系统要实现交互功能就不容易了。我们率先在拼接显示系统上实现了触摸写字功能，为拼接显示系统提供了创新的交互方法：大型智能交互触摸屏的设计与实现[3]。图2是拼接交互显示系统的演示情况，它是由1×3单元，每个单元对角线长127cm组成的拼接交互显示系统。我们已经实现了由3×3，每个单元对角线长153cm组成的拼接交互显示系统，显示面积为366×274cm2。该系统不仅能够实现触摸功能，还能够进行书写等操作。
　　
　　
　　6 基于DLP背投的拼接显示技术
　　
　　随着LED和激光光源的推出，使得亮度、对比度、寿命和功率有了大幅度提高，为DLP投影机的发展带来强劲的生机。使用红、绿、蓝激光光源产生更加锐利的色彩。对比度提高一倍；灯源的寿命提高到2～6万小时，而现有的灯泡的寿命为6,000～8,000小时；开机的时间缩短到7秒钟，而现有的灯泡的开机亮度稳定时间为1分钟以上。LED光源的DLP背投影产品可以与PDP和LCD媲美。又由于LCD的拼缝宽度为30mm，PDP的拼缝宽度为5mm，而我们的DLP显示单元的拼缝为0.5mm，所以PDP和LCD代替DLP成为拼墙显示单元的可能性很小。因此，基于DLP背投的拼接显示技术将在一段时间内还有很大的发展空间。即使有朝一日PDP、LCD显示器或其他新的显示器能够成为拼接显示单元，我们的许多设计方法一样可以采用。
　　
　　7拼接显示系统的关键性能指标
　　
　　（1） 系统规模，显示单元总数如81个，即3×27组成，每个显示单元对角线为152cm，长宽比例为4：3，1台主处理器和9台从处理器，每台负责3×3个显示单元；
　　（2） 信号源输入数量，如RGB接口81个，视频81个；
　　（3） 输入信号叠加层次，如3个RGB信号和4个视频信号。
　　（4） 输入信号切换速度，如2s；
　　（5） 全墙桌面显示逻辑分辨率，如6,000万像素；
　　（6） 全墙图片显示刷新时间，如2s；
　　（7） 每个显示单元的亮度，如900ANSI流明，对比度，如1,700:1；
　　（8） 每个显示单元的亮度和颜色均匀性，如95％；
　　（9） 全墙各单元之间的亮度和颜色均匀性，如90％；
　　（10） 全墙各单元之间的亮度和颜色调整的自动化程度，如半自动。
　　（11） 全墙分辨率及刷新率性能测试。我们经常使用WINDOWS 2000或XP的屏幕保护时选择贝塞尔曲线，测试结果为每秒10～20帧。
　　以上是拼接显示系统的重要指标，是用户评估拼接显示系统性能的重要依据。设计实现包含许多技术内容，这里不宜展开论述，今后有机会再做交流。
　　
　　8总结
　　
　　随着微电子的技术水平和计算机的性能不断更新，客户需求也不断提高，我们必须不断创新，不断开发和利用最新的技术，改进我们的设计，尽可能满足用户的新需求。近几年来，拼接显示系统的市场容量一直保持30％以上的增长速度，超过32个显示单元的大型显示系统用户需求越来越多，特别是2007年，到目前为止我们生产销售如此之大的拼接显示系统已经比去年同期大幅增长。今年销售的拼接显示单元总数预计增长40％，将连续6年保持国内市场占有率第一。经过多年的发展经验和技术积累，大屏幕拼接显示系统产业在中国的发展变得越发成熟起来，随着整个行业的不断完善，客户和企业的发展也逐渐变得理性起来，而作为推动大屏幕拼接显示系统产业发展的中坚力量，我们必须充分发挥自身优势、推陈出新，不断研究开发出适合于时代发展潮流的世界领先的技术产品，这样才能推动整个大屏幕拼接显示系统产业的健康发展。
　　
　　参考文献：
　　[1] 潘远雄，卢如西，杨黎明. 一种多输出通道显示单一完整桌面的计算机结构[P].中国发明专利申请号200510034436.3，2005,4,30.
　　[2] 卢如西，潘远雄，白宝国. 一种基于服务器端/客户端结构远程显示处理方法[P].中国发明专利ZL200510034435.9，2007,8,15.
　　[3] 卢如西. 大型智能交互触摸屏的设计与实现[J].北京：现代显示，2007（12）.省略。