分布式拼接处理器技术全解析

2017-08-02 14:23:28 gjie1997 18

当前,大屏拼接产品的应用市场越来越广泛。在这种态势下,大屏幕系统的核心——拼接控制系统,也伴随着技术的不断进步和用户需求的不断提高,从早期的基于工业PC架构的传统集中式控制器,逐步发展到现在流行的分布式拼接控制系统。

  与前两代产品相比,分布式架构控制系统最大的特点是将图像采集、图像传输和图像显示都通过数字化网络连接起来。使用网络作为大屏幕信号传输载体,结构上允许输入、输出节点在地理上分散开来,具备极大地的灵活性和扩展性。分布式架构的系统具备图像信号多点共享,网络化图像接入/输出,移动终端预览控制等功能。

  因为其物理结构的分散,分布式处理器产品的推出使工程的灵活性有了质的飞越,既可以运用在小规模项目快速搭建整套系统,并使其拥有可升级扩展的能力,也可以直接应用在大规模复杂工程中,降低工程难度,丰富功能特点。甚至可以将一个复杂工程拆分为多期分段施工,从而解决了施工中的经费问题。

什么是分布式拼接控制器

  分布式图像拼接控制器使用TCP/IP网络作为大屏幕信号传输载体,结构上允许输入、输出节点在地理上分散开来,具备极大地灵活性和扩展性。

分布式图像拼接控制器由一个个独立的功能模块构成:图像采集节点盒、交换机、图像显示节点盒、控制服务器及界面软体。每个节点盒对应一至二路图像信息,例如某大屏拼接应用中,有3×5规模DLP 箱体输出, 6路DVI信号输入,10路Video信号输入。该项目对应的设备清单是: 15个DVI输出节点盒, 6个DVI输入节点盒,5个双路视频输入节点盒,一个48口千兆交换机。(如图3)系统规模如果在前期设计或者实际使用中发生调整,只需要简单地增加或者更换某些节点盒即可,具备极大的整体灵活性和稳定性。

 

 分布式拼接控制器的分类及其技术原理

  从系统架构看,目前市场上存在的分布式处理器主要有四种类别,分别是纯硬件,嵌入式CPU,纯硬件混合式,PC架构。下面一一剖析:

  一、纯硬件

  系统由三部分构成,采集节点,交换机,输出节点

  采集节点负责图像采集,然后将图像分解成网络数据包,通过交换机发送到输出节点,输出节点再将数据包混合为图像,在输出端进行图像处理和显示。

  纯硬件的特点是把采集到的内容当做图像数据包,而不是视频流来传输。以图像区域元为传输单元,为图像的切割,分发,帧存控制提供了高效的基础。切割和分发是为了满足带宽需要而设的,秉承量入为出的设计宗旨,需要多少传输多少,图像叠加后被遮盖的区域不传,重复的区域不传。

  这样带来的一个好处就是传输要求的带宽不需要根据叠加区域和重复区域而增加,无论怎么拼接和叠加都可以满足带宽要求。得利于基于图像的传输方式,帧存控制变得更加容易,能够保证整屏同步,低延迟。

  纯硬件处理器使用的核心器件是大规模可编程电路(FPGA)。FPGA的特点是没有CPU,不存在程序跑飞,死机的问题。即使环境电源出现故障,FPGA失效后也能快速恢复。

  纯硬件的弱点就是不能解码网络摄像头和图像的远程传输(由于传输无损图像,导致带宽很高,无法通过公网传输)。

  二、嵌入式CPU

  系统由三部分构成,采集节点,交换机,输出节点

  采集节点负责图像采集,然后将图像压缩成视频压缩流,通过交换机发送到输出节点,输出节点再将压缩码流解压成视频,在输出端进行图像处理和显示。

  嵌入式CPU方案一般来说都是采用ARM+编解码模块的方式完成,ARM上面运行Linux操作系统负责事务管理,图像的缩放,网络连接,编解码模块负责图像的压缩和解压。另一种方式是ARM+DSP的方案,和 ARM+编解码模块类似,由DSP完成编解码,所不同的是DSP能够自定义压缩算法,更加灵活。

  由于采用H.264编解码的方式,最大的优点是天生具备网络摄像头解码,和图像远程传输(通过公网传输)。同时,该结构也带来了其它问题,压缩后图像质量不佳,把图像当作视频流传输后,只能对视频进行完整的处理,不能做类似于纯硬件方式的切割传输,当单屏解码多路时,导致图像卡顿,整屏同步性不佳,延迟较大。

  此外,由于使用了CPU,也就存在死机的风险。虽然能够通过添加看门狗自动复位,但是由于操作系统的启动时间在20秒到30秒之间,这个过程显示屏存在黑屏和花屏的问题。

  三、纯硬件混合式

  该方案其实就是纯硬件和嵌入式CPU的结合。纯硬件部分负责拼接,嵌入式部分负责网络解码和远程传输。该方案带来的好处是既能保证本地视频(采集本地的VGA,DVI,视频)高质量,完全无损、低延迟,又能实现解码网络摄像头和远程传输。

  由于采用混合结构,当嵌入式CPU部分死机复位时,纯硬件部分能够将图像冻结保存,不会出现花屏和黑屏现象。

  该方案最大程度的结合了前两者的优点,又弥补了两者的弱点,出现1+1>2的现象,这种混合结构是纯硬件和嵌入式CPU两大阵营的发展目标,预计未来几年内将会是分布式处理器的主流。

  四、PC架构

  PC架构由输入节点机和输出节点机以及交换机组成。输入节点机是由一台工控机,采集卡和压缩软件组成。输出节点机由工控机,显卡和解压缩软件组成。

  输入节点机通过采集卡采集图像,计算机将其压缩成H.264码流送入交换机,输出节点机将码流解压缩,后处理,最后经显卡显示。

  该方案出现在10年前,由网络抓屏发展而来,不过受计算机性能的限制,一个输入或者一个输出就需要一台电脑,导致成本居高,稳定性不佳。近几年由于PC性能提升,显卡加速的原因,图像的效果不错,在一些展览展示项目有一席之地,但是受到PC架构本身的影响,导致稳定性有所下降,不太适合7×24小时开机使用。

  分布式拼接处理器器主要适用于哪些领域?

  分布式拼接处理器非常适合应用到大规模的DLP/LCD拼接显示系统中,实现海量高性能的影像处理和大规模的信号显示,包括铁道指挥调度,公安,安防,煤炭,石化,电力,通讯,交通等行业。