基于PC的投影拼接顯示系統(tǒng)

徐 力 平

(上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司, 上海 200063)

基于PC的投影拼接顯示系統(tǒng)

徐 力 平

(上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司, 上海 200063)

提出了一種基于PC和普通投影儀實現(xiàn)大屏幕投影拼接顯示系統(tǒng)的方法。在PC端將顯示畫面分割為若干塊,然后對圖像的重疊區(qū)域采用圖像融合的方法進行處理,再發(fā)送給投影儀作梯形校正,從而實現(xiàn)大屏幕拼接顯示。顯示結(jié)果表明,實現(xiàn)低成本投影拼接系統(tǒng)的方法切實有效,可以滿足不同規(guī)模投影顯示的需要。

投影拼接顯示系統(tǒng); 邊緣融合; 圖像融合; 圖像分割

0 引 言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分,監(jiān)控中心需要實時顯示現(xiàn)場的視頻信號,因此大幅面顯示系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備之一[1]。根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)方式的不同,目前在該領(lǐng)域使用較多的有液晶顯示拼接屏、數(shù)字光處理拼接屏和專用投影大屏幕系統(tǒng)。

大屏幕投影系統(tǒng)利用多臺投影儀將畫面投影到大屏幕上,以提高投影的分辨率和亮度。這類專用的投影系統(tǒng)大多支持邊界融合功能,可以方便地實現(xiàn)拼接顯示,同時價格通常比較高[2]。

在投影拼接顯示中,突出的問題是兩臺甚至多臺投影儀拼接處由于漏光而出現(xiàn)的重疊區(qū)域變亮和Gamma校正參數(shù)不同而導(dǎo)致的畫面色彩不同。由于人眼視覺特性[3],表現(xiàn)出對色彩亮度差異特別敏感,因此該問題是投影拼接顯示系統(tǒng)必須解決的問題。如果采用的是帶邊緣融合的投影拼接系統(tǒng),則這些問題在系統(tǒng)內(nèi)部可以解決,系統(tǒng)實現(xiàn)上也非常簡單。

本文采用普通的投影儀和一臺PC,即可實現(xiàn)圖像的拼接投影顯示。投影儀間可以是獨立或自由組合的,甚至不同型號的投影儀也可以拼接在一起,從而實現(xiàn)低成本的大幅面投影拼接顯示。

1 多屏融合的解決方案

多屏拼接投影顯示系統(tǒng)由PC和多臺投影儀組成,投影儀的數(shù)量根據(jù)工程項目的需要而定。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

PC是整個系統(tǒng)的控制核心,完成圖像的邊界融合處理,并且同時將整幅圖像切割為不同的區(qū)域,分別送到不同的投影儀;投影儀用于直接顯示經(jīng)過邊界融合處理的圖像。在投影拼接顯示系統(tǒng)中,有兩個核心的問題:① 投影圖像的邊界融合處理;② 多投影系統(tǒng)中每臺投影儀的Gamma調(diào)整。

PC中的應(yīng)用軟件需要對輸出到不同端口的視頻信號進行預(yù)處理,將邊界處的圖像亮度做適當?shù)恼{(diào)整。人眼對光線的敏感程度同時受視神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié),因此在觀察外界圖像時對亮度的感受并不是線性的[3-4]。人眼的主觀亮度感覺S與周圍的環(huán)境亮度B有關(guān):

S=KlgB+K0

(1)

式中:K0和K為常數(shù)。

主觀亮度感覺是心理量,而不是物理量,因此亮度單位是以試驗得出的結(jié)果S來表征的。試驗表明,在不同的亮度B值下,人眼能察覺的最小亮度變化ΔBmin并非定值。當B值增大時,ΔBmin也增大;當B值減小時,ΔBmin也減小,但ΔB/B值是一致的。

基于人眼的亮度感覺特征,對邊界融合區(qū)域不能做簡單的線性運算,必須對邊界處的重疊圖像做非線性的加權(quán)融合,才能保證看到的融合圖像自然過渡,否則重疊區(qū)就會變亮。

畫面分割和alpha曲線示意圖如圖2所示。

圖2 畫面分割和alpha曲線示意圖

圖2(a)中間的圖案用來表示圖像的重疊區(qū)。圖2(b)中,確定拼接區(qū)的寬度,在PC端對顯示圖像進行兩個或多個區(qū)域重疊。在系統(tǒng)的調(diào)試中發(fā)現(xiàn),該融合區(qū)域應(yīng)取128～256個像素的寬度。如果重疊區(qū)太小,則融合過渡區(qū)的alpha梯度很大,容易出現(xiàn)偽輪廓;如果過渡區(qū)太寬,則融合區(qū)的亮度很難調(diào)整。圖2(c)中虛線用于左半幅圖像,實線所示的alpha值用于右半幅圖像。

在PC端的圖像將圖像分割成帶重疊區(qū)域的部分之后,對每幅圖像加入一個融合使用的alpha平面,對顯示緩沖區(qū)的圖像進行alpha融合計算。alpha的計算采用如下的方法:

(2)

(3)

其中,Wmax為融合最大值,Wmin為融合最小值,取值范圍0～1;W為重疊區(qū)的寬度,以分辨率為1 280×800的投影儀為例,一般取128～256個像素(分辨率的10%～20%);P為融合區(qū)的像素位置;p為指數(shù),取值范圍為0.2～0.5。alpha的計算結(jié)果為0～1。按照上述的公式得到的是左半幅面的alpha,右半幅面的alpha可以通過Wmax-alpha得到。

單幅畫面融合結(jié)果和投影顯示效果如圖3所示。OpenCV是一組開放的視頻處理與計算機視覺的開發(fā)庫[5],提供很多的視頻增強和處理的接口函數(shù),方便實現(xiàn)圖像alpha融合。

圖3 單幅畫面融合結(jié)果和投影顯示效果

在投影拼接系統(tǒng)中,不同的投影儀其Gamma特性也不同。如果使用的是相同品牌、相同型號的投影儀,則不進行Gamma校正也可得到均勻亮度顯示的拼接畫面;如使用不同品牌的投影儀,則這個步驟顯得尤為重要。

圖像的Gamma校正一般采用Gamma表的方式實現(xiàn),在PC端進行查表將導(dǎo)致大量的內(nèi)存訪問,從而消耗大量的內(nèi)存。投影儀本身提供了Gamma的調(diào)整功能,采用硬件查表的方式實現(xiàn)[6]。投影儀中提供5組Gamma設(shè)置,允許用戶提供一種個性化的設(shè)置存儲在系統(tǒng)中。

調(diào)整投影儀各自的亮度,使整個投影拼接顯示區(qū)域的亮度均勻即可。經(jīng)過拼接畫面的分割、融合處理,多臺投影儀的顯示特性接近,可顯示亮度均勻、色彩一致的拼接畫面。

2 顯示結(jié)果評價

在現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試時發(fā)現(xiàn),融合曲線中alpha的取值不能為1,一般取0.60～0.85。如果超過該范圍,就會在投影顯示畫面中出現(xiàn)如圖3(b)所示的亮區(qū)。不同取值下的融合顯示結(jié)果如圖4所示。采用規(guī)則集合圖案作為系統(tǒng)校準的測試圖,只要alpha計算的參數(shù)選擇適當,拼接顯示結(jié)果基本上可以與帶融合功能的高端投影儀相當。

圖4 不同取值下的融合顯示結(jié)果

在調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn),alpha的不同計算方法對最終的融合顯示結(jié)果影響較大。采用不同的融合曲線,例如采用分段函數(shù)的手段描述alpha,當顯示較亮畫面時,兩者區(qū)別幾乎無法區(qū)分;當顯示較暗的場景時,分段表示的結(jié)果要優(yōu)于本文所述的方法。因此,在實際應(yīng)用中,可以根據(jù)投影儀的實際效果嘗試采用不同alpha計算方法,以利于拼接圖像顯示質(zhì)量的改善。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合實際智能交通工程中的應(yīng)用,采用普通的投影儀和PC機實現(xiàn)了多屏拼接投影顯示,在實際應(yīng)用中取得良好的應(yīng)用效果,在工程中可以節(jié)省大量的資金。只要提高PC中視頻處理卡的性能,便可提供更多臺投影儀的拼接顯示。

如果將單臺PC擴展到多臺PC,同時考慮多臺PC之間的同步顯示,可以實現(xiàn)更多投影儀的拼接顯示。因此本文提出的拼接投影顯示系統(tǒng)具有較強的可擴展性,可以滿足不同規(guī)模投影顯示的應(yīng)用。

[1] 陸化普.智能運輸系統(tǒng)[D].北京:人民交通出版社,2002.

[2] RASKAR R,BROWN M S,YANG R,et al.Multi-projector displays using camera-based registration[C]∥Proceedings of IEEE Visualization,Los Alamitos:IEEE Computer Society,1999:161-168.

[3] 羅四維.視覺感知系統(tǒng)信息處理理論[ M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

Multi-projector Display System Based on PC

XULiping

(Shanghai SEARI Intelligent System Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

A novel implementation for multi-projector display system was proposed,which was based on PC system.The image is splitted to several blocks,then the edge-blending is used to the overlap pixel for each block.The block based image is displayed by projector after keystone correction.The results show this method is an efficient method for the low cost multi-projector display system.The method could meet the demand of different scale projection display.

multi-projector display system; edge-blending; alpha-blending; image segmentation

徐力平(1959—),男,工程師,從事電氣自動化和智能交通方面的研究。

TU 852

A

1674-8417(2015)07-0019-03

2015-04-10