融合拼接大屏顯示系統(tǒng)可靠性研究及優(yōu)化策略

張春林，朱敬東，余黃河

(北京航天飛行控制中心，北京 100094)

圖像拼接技術(shù)是數(shù)字圖像處理的重要環(huán)節(jié)，已成為國際學(xué)術(shù)界研究的一個熱門方向［1］。它是將一系列相互間存在重疊部分的真實圖像合成一個單一的、更大、更復(fù)雜的新圖像，是表現(xiàn)真實世界的有效方法［2］。目前主流的投影顯示多采用融合拼接方式(亦稱邊緣融合方式)。其具有拼接尺寸靈活、完全無縫拼接、投影機數(shù)量少、易于維護等特點，使其在特殊顯示領(lǐng)域展現(xiàn)出很好的適用效果［3］。采用融合拼接技術(shù)還可以投影立體數(shù)字圖像，能使觀看者獲得一種身臨其境的仿真視覺感受。它比普通的環(huán)幕系統(tǒng)具備更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內(nèi)容、更高的顯示分辨力以及更具沖擊力和沉浸感的視覺效果。融合拼接大屏幕顯示以其獨特的優(yōu)勢成為今后發(fā)展的重要方向。

融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)的優(yōu)勢廣受好評，但現(xiàn)階段業(yè)界對該類系統(tǒng)可靠性問題還缺乏系統(tǒng)性研究。本文試圖從該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和運行機理入手，對融合拼接與非融合拼接投影陣列大屏幕顯示系統(tǒng)可靠性問題展開比較性研究，找出影響系統(tǒng)可靠度指標的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進而研究提出融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)可靠性設(shè)計優(yōu)化方案。

1 系統(tǒng)機理及特點

1.1 系統(tǒng)機理

融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由DVI，SDI，RGB，VIDEO等各種信號切換矩陣組成的切換矩陣集合、拼接融合器(亦稱邊緣融合器)、投影機陣列、無縫大屏幕和集中控制5部分組成。顯示局域網(wǎng)、圖形工作站以及視頻源設(shè)備等可以看作是與大屏幕顯示系統(tǒng)緊密相關(guān)的外圍系統(tǒng)。其工作原理是，切換矩陣將各類顯示信號饋送至拼接融合器;由拼接融合器完成各種信號源的選擇，拼接畫面的產(chǎn)生、分割、合成，并按照算法排列，分別輸出給投影機陣列中的每臺投影機，靈活實現(xiàn)多種類別的顯示。

圖1 融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 技術(shù)特點

傳統(tǒng)大屏幕拼接系統(tǒng)是由多臺投影機投射單獨畫面，物理拼接組成整體大畫面。每個投影畫面之間沒有內(nèi)容的重疊部分，即使采用整張無縫的屏幕，在視覺上也會感覺到拼接縫的存在，如圖2所示。

圖2 物理拼接大屏幕顯示效果

目前的邊緣融合大屏幕拼接系統(tǒng)的特點是，整幅投影畫面由不同的投影機投影畫面拼接組成，每個單獨的投影畫面拼接中有投影光線和畫面內(nèi)容的重疊部分，通過拼接融合器按照一定算法，對圖像幾何失真進行校正，對重合部分的多余亮度進行羽化融合，并對色彩進行平衡，從而確保整幅顯示畫面沒有任何接縫，而且亮度和色彩均勻一致，如圖3所示。

圖3 融合拼接大屏幕顯示效果

邊緣重疊、融合一體的大屏幕拼接技術(shù)，是現(xiàn)代計算機圖形處理技術(shù)和各種顯示技術(shù)的有機結(jié)合，實現(xiàn)了多路獨立視頻信號和計算機信號同時直通顯示，畫中畫顯示，高分辨力全屏顯示，靈活縮放顯示，大畫面跨屏清晰顯示，超高分辨力圖像、視頻、計算機、網(wǎng)絡(luò)信號綜合顯示等［4］。這是融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢，也是其成為熱點和重要發(fā)展方向的原因。

2 兩類拼接系統(tǒng)可靠性分析與比較

融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)的顯示效果美輪美奐，其先進性、靈活性不容置疑，但其可靠性如何，需要全面分析研究。本文目的在于優(yōu)化設(shè)計，進一步提高系統(tǒng)的可靠度，充分發(fā)揮先進系統(tǒng)的效能。

與非融合拼接系統(tǒng)相比較，融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)增加了圖像拼接融合器，如圖4所示。

圖4 融合拼接與非融合拼接系統(tǒng)區(qū)分原理圖

需要指出的是，這只是一個原理性區(qū)分框圖，為了化繁為簡，直觀方便，略去了顯示局域網(wǎng)、計算機圖形工作站、視頻設(shè)備、集中控制和投影屏幕等兩類系統(tǒng)共有的部分。圖中的虛線框部分拼接融合器則是融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)獨有的設(shè)備。

2.1 拼接融合器對系統(tǒng)可靠性的影響

2.1.1 條件假設(shè)

1)除了有無拼接融合器，兩類系統(tǒng)采用完全相同的設(shè)備，使用條件、失效判定標準都相同;

2)為了簡化推導(dǎo)，假定系統(tǒng)中矩陣、融合器、投影機陣列等單元可靠度指標R都相等;

3)投影機數(shù)量為常用的3臺，水平排列。

2.1.2 指標符號標注約定

由于可靠性一系列指標有統(tǒng)一規(guī)定的符號，為了在以下可靠性分析推導(dǎo)中，分清融合拼接與非融合拼接兩種方式，指標的符號標注需作如下約定:1)融合拼接總可靠度下標添加“(R)”;2)非融合拼接總可靠度下標添加“(F)”。

2.1.3 融合器對系統(tǒng)可靠度指標影響的推導(dǎo)

兩種拼接方式均為串聯(lián)系統(tǒng)，只是融合拼接系統(tǒng)多串了一級，可靠性結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 融合拼接與非融合拼接系統(tǒng)可靠性結(jié)構(gòu)模型

假定串聯(lián)系統(tǒng)中m個單元是相互獨立的，只要其中任何一個失效，則整個設(shè)備系統(tǒng)就失效［5］。若每個單元的可靠度為Ri，則系統(tǒng)的總可靠度為

因為設(shè)定各單元可靠度均為R，且0＜R＜1，所以，串聯(lián)系統(tǒng)總可靠度為

因此，融合拼接系統(tǒng)總可靠度指標為

非融合拼接系統(tǒng)總可靠度指標為

比較融合與非融合系統(tǒng)總可靠度指標大小，得出

由式(5)可知，融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)總可靠度比非融合拼接系統(tǒng)總可靠度低。如果全部顯示信號都經(jīng)由拼接融合器，此設(shè)備一旦故障會形成“卡脖子”效應(yīng)。

2.2 投影機故障對兩類拼接系統(tǒng)可靠性的影響

投影機陣列一般由相同機型構(gòu)成，首先設(shè)各投影機可靠度指標R相等。本文以3臺投影機拼接投影一幅超大圖像、分別投影3幅圖像這兩種情況為例，將投影機故障對兩類拼接系統(tǒng)可靠性的影響進行分析、比較。

2.2.1 拼接顯示一幅超大圖像兩類系統(tǒng)比較

這種情況下，無論是采取無縫融合拼接，還是傳統(tǒng)的物理拼接，要求3臺投影機均正常工作，大屏幕系統(tǒng)才能顯示完整的圖像。兩種拼接投影陣列均為串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠性結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 兩類系統(tǒng)拼接顯示一幅超大圖像投影機陣列可靠性結(jié)構(gòu)模型

投影機故障對兩類拼接系統(tǒng)總可靠度影響是相同的，即3臺投影機陣列總可靠度為

2.2.2 分別投影顯示圖像兩類系統(tǒng)比較

當3臺投影機分別投影不同圖像時，如果某臺投影機發(fā)生故障不能投影，此種情況下，投影機故障對于不同拼接方式的大屏幕顯示系統(tǒng)可靠度的影響程度是不同的。

1)非融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)受影響分析

只要備份信號充足，切換靈活方便，此時可以用2幅完好的大屏幕圖像將重點、核心的內(nèi)容正確顯示出來。實時監(jiān)控或指揮顯示工作可以繼續(xù)進行，系統(tǒng)依然有效。非融合拼接投影機陣列可以看作表決系統(tǒng)(m，n系統(tǒng))，此處為3∶2系統(tǒng)，即總共3臺投影機，只要2臺工作正常，投影機陣列就整體有效，其可靠性結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

圖7 3∶2表決系統(tǒng)可靠性結(jié)構(gòu)模型

投影機陣列總可靠度為

2)融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)受影響分析

由于3臺投影機的投影屏幕已經(jīng)融合為一個邏輯大屏幕，即使是側(cè)邊某臺投影機突發(fā)故障不能投影，與其相鄰的中間投影圖像的融合區(qū)域亮度也會逐漸暗淡，并在黑屏區(qū)域留下殘留邊帶圖像，在大屏另一側(cè)只剩下一幅正常顯示的圖像。其原理如圖8所示。

圖8 融合拼接重疊區(qū)域亮度羽化融合示意圖

為了實現(xiàn)亮度羽化融合，在融合區(qū)域圖像信號必須交錯地漸強漸弱，所以每臺投影機投出的圖像寬度都要延伸到相鄰圖像區(qū)域，形成重疊部分［6］。如果是中間一臺投影機故障不能顯示，則剩下兩側(cè)的圖像都不正常，剩余兩幅圖像靠近中間一端的邊側(cè)亮度漸暗，中間黑屏兩側(cè)都會拖出殘留邊帶圖像。

所以，對于融合拼接系統(tǒng)，即使各投影機分別投影不同的圖像，其可靠性結(jié)構(gòu)模型也近似于串聯(lián)系統(tǒng)，即3臺投影機只要有1臺不能投影，最佳狀況也只剩下邊側(cè)1幅正常圖像，大屏幕顯示系統(tǒng)基本失效。按照串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，投影陣列總可靠度指標為

3)比較兩類拼接系統(tǒng)投影機分別投影的總可靠度

如上所述，1臺投影機故障時，非融合與融合拼接系統(tǒng)中投影機陣列總可靠度大小是不同的，即

顯然，非融合拼接投影陣列總可靠度大于融合拼接投影陣列總可靠度，從而使非融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)整體可靠度也高于后者。后者發(fā)生系統(tǒng)失效機率更大。

上述可靠性分析說明:1)融合拼接器插入后，大屏幕顯示系統(tǒng)可靠度有所降低;2)與非融合拼接系統(tǒng)相比，在融合拼接系統(tǒng)中，單臺投影機突發(fā)故障不能投影時對大屏幕顯示系統(tǒng)整體可靠性影響更大，帶來的風(fēng)險更高。因此，融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)當予以優(yōu)化。

3 融合拼接系統(tǒng)可靠性設(shè)計優(yōu)化策略

提高融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)可靠性，首先應(yīng)從優(yōu)化設(shè)計這一基礎(chǔ)開始。

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)顯示信號應(yīng)急備份通道

為了應(yīng)對融合拼接器突發(fā)故障，切斷至投影機的顯示信號通路，可在切換矩陣集合與投影機陣列之間建立應(yīng)急直達通道，確保系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 融合拼接系統(tǒng)建立顯示信號應(yīng)急備份通道結(jié)構(gòu)圖

對于應(yīng)急直達通道，要做到每一路比較重要的顯示信號都能饋送至所有投影機接口。為此，在系統(tǒng)設(shè)計時需要從以下4個環(huán)節(jié)具體實現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu):

1)投影機的信號接口種類要豐富，數(shù)字圖形圖像信號、模擬視頻信號都應(yīng)有應(yīng)急備份接口;

2)切換矩陣類型根據(jù)需要配置齊全，輸入、輸出路數(shù)在滿足主用和應(yīng)急直通備路基礎(chǔ)上再留冗余;

3)顯示局域網(wǎng)、圖形工作站和視頻源3個部分作相應(yīng)規(guī)模的統(tǒng)籌規(guī)劃和設(shè)計，在融合器或某投影機突發(fā)故障情況下，達到要源有源，要路有路的應(yīng)急顯示狀態(tài)，確保系統(tǒng)有效工作;

4)應(yīng)急備用通道投影，不配置融合拼接器，以增強應(yīng)急靈活性和時效性。

3.2 應(yīng)急通道與雙投影機陣列特殊配置

在民航、鐵路、軍事、大型文體活動以及航天試驗等某些特殊應(yīng)用環(huán)境下，不允許大屏幕實時顯示有任何瑕疵或短暫中斷。在這種特殊情況下，除了建立顯示信號應(yīng)急備份通道，有必要配置一套投影機陣列熱備份供應(yīng)急切換。緊急時刻作備用，平時可以按照需求大小、規(guī)格高低，分類啟用主、備用投影機陣列，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 融合拼接大屏幕應(yīng)急通道與雙投影機陣列特殊配置結(jié)構(gòu)圖

兼顧經(jīng)濟性，新投影機作主用，更新前的舊機型可用作備用投影機陣列。

3.3 完善備份結(jié)構(gòu)與通用優(yōu)化策略并重

在優(yōu)化融合拼接系統(tǒng)可靠性設(shè)計，完善系統(tǒng)應(yīng)急備份結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對行之有效的通用優(yōu)化策略必須堅持執(zhí)行，不可偏廢。本文不贅述，列出要點如下:1)優(yōu)選品牌服務(wù)商和設(shè)備機型;2)各類重要設(shè)備和備件按照比例備份齊全;3)加強人員培訓(xùn)，使其技術(shù)熟練，并按章操作;4)熟悉應(yīng)急預(yù)案，常備不懈;5)定期維護保養(yǎng)，使系統(tǒng)隨時處于良好狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文在對融合拼接與非融合拼接兩類大屏幕顯示系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、工作機理分析基礎(chǔ)上，重點對兩類系統(tǒng)可靠性進行了比較性研究。針對一般和特殊應(yīng)用環(huán)境及要求，分別提出了融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)優(yōu)化策略?；谏鲜龇治鲅芯?，得出如下結(jié)論:

1)融合拼接技術(shù)適應(yīng)了數(shù)字圖像處理與顯示的發(fā)展潮流，該技術(shù)先進性決定其發(fā)展前景廣闊。

2)在各種相同條件下，融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)的可靠度低于非融合拼接系統(tǒng)。如不優(yōu)化設(shè)計，完善結(jié)構(gòu)，加強管理和維護，造成故障的風(fēng)險相對較高。

3)通過建立投影顯示信號應(yīng)急備用通道，能大幅提高融合拼接大屏幕顯示系統(tǒng)可靠度。特別是在此基礎(chǔ)上，對于可靠度要求極高的實時顯示系統(tǒng)，進一步配置備用投影機陣列，將顯著優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得該類系統(tǒng)在保持先進性、靈活性的同時，依然可以獲得很高的可靠度。

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