嵌入式圖形拼接控制系統(tǒng)在黑龍江省地震應(yīng)急視頻系統(tǒng)的應(yīng)用

方 瑤，郝永梅，王建勛，張美玲，周 琳

（1.黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；2.五大連池地震火山監(jiān)測(cè)站，黑龍江 五大連池 164155）

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嵌入式圖形拼接控制系統(tǒng)在黑龍江省地震應(yīng)急視頻系統(tǒng)的應(yīng)用

方 瑤1，郝永梅1，王建勛1，張美玲2，周 琳1

（1.黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；2.五大連池地震火山監(jiān)測(cè)站，黑龍江 五大連池 164155）

摘要：通過(guò)對(duì)嵌入式圖形拼接控制器技術(shù)特點(diǎn)的介紹，結(jié)合目前黑龍江省地震應(yīng)急視頻系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了其在黑龍江省應(yīng)急視頻系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，并對(duì)嵌入式圖形拼接控制器與原有的拓展式圖形控制器進(jìn)行對(duì)比分析。希望能夠?yàn)榻窈笙嚓P(guān)研究與應(yīng)用的開(kāi)展提供一定的參考與幫助。

關(guān)鍵詞：圖形拼接控制器;大屏幕;視頻系統(tǒng)

0　引言

近年來(lái)，大屏幕展示系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于會(huì)議、監(jiān)控、大堂、教育、娛樂(lè)等多種場(chǎng)合，隨著大屏幕顯示系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和嵌入式處理器技術(shù)的發(fā)展，大屏幕的控制模式也從最初的工業(yè)控制機(jī)模式發(fā)展為嵌入式圖形拼接控制模式。

黑龍江省地震應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)建設(shè)于“十五”時(shí)期，運(yùn)行已近十年，設(shè)備老化、故障增多的問(wèn)題凸顯，其中不少是由于視頻控制矩陣接口接觸不良及串口控制線松動(dòng)引起的線路故障。因此希望能夠找到一種解決方案可以減少設(shè)備和線路連接數(shù)量，方便管理和故障排查。

黑龍江省地震應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)原有拓展式圖形控制器為XP操作系統(tǒng)，由于XP系統(tǒng)自身特點(diǎn)，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，系統(tǒng)反應(yīng)變慢，高清視頻播放出現(xiàn)卡頓的情況增多。因此希望能夠找到一種解決方案可以實(shí)現(xiàn)圖像整齊、播放流暢。

在近期的黑龍江省地震應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)改造升級(jí)中，采用了基于FPGA的嵌入式圖形拼接控制器代替了原有的拓展式圖形控制器，減少了RGB和video矩陣等中間連接設(shè)備。通過(guò)基于可編程邏輯陣列的Nios控制和圖像處理，實(shí)現(xiàn)播放高速動(dòng)態(tài)視頻時(shí)，畫(huà)面整齊、圖像流暢。

1　“十五”時(shí)期地震應(yīng)急視頻系統(tǒng)架構(gòu)

黑龍江省地震應(yīng)急視頻系統(tǒng)包括視頻接入、連接與控制、信息展示三部分，視頻接入部分包括高清視頻會(huì)議終端、pc機(jī)終端、筆記本接入終端、指揮大廳攝像頭、DVD、VCD播放器等。信息展示設(shè)備為6塊DLP大屏幕和等離子電視。連接與控制設(shè)備為拓展式圖形控制器、控制用pc機(jī)、RGB控制矩陣、video控制矩陣組成（圖 1）。

高清視頻會(huì)議終端與4路pc機(jī)終端、3路筆記本終端通過(guò)VGA連接線接入RGB控制矩陣。指揮大廳攝像頭、DVD、VCD接口為BNC格式，連接video控制矩陣。拓展式圖形控制器采用C/S架構(gòu)，控制用pc機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)服務(wù)器進(jìn)行大屏幕，進(jìn)行開(kāi)啟，關(guān)閉，信號(hào)投影，信號(hào)切換等控制操作。

RGB控制矩陣共有8個(gè)輸出信道，2路信號(hào)輸出到拓展式圖形控制器，5路信號(hào)以直連方式連接大屏幕的5塊DLP屏幕，1路信號(hào)連接等離子電視。

video控制矩陣共有8個(gè)輸出信道，4路信號(hào)輸出到拓展式圖形控制器，4路信號(hào)以直連方式連大屏幕的4塊DLP屏幕。

拓展式圖形控制器通過(guò)顯卡將視頻信號(hào)輸出到6塊DLP大屏幕。拓展式圖形控制器與2個(gè)矩陣間通過(guò)串口控制線進(jìn)行控制操作。

2　嵌入式圖形拼接控制器的技術(shù)特點(diǎn)

2.1架構(gòu)上采用FPGA并行處理技術(shù)

并行處理是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中能同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)或更多個(gè)處理的一種計(jì)算方法。并行處理的主要目的是節(jié)省大型和復(fù)雜問(wèn)題的解決時(shí)間。常用的圖像并行處理可分為流水線連接與并行陣列連接模。流水線的連接模式是按數(shù)據(jù)處理先后的順序?qū)⑻幚韱卧?lián)在一起,即前一個(gè)處理單元的輸出和后一個(gè)處理單元的輸入相連的連接模式。此種模式是根據(jù)任務(wù)獨(dú)立性將一個(gè)任務(wù)分解成一些復(fù)雜性大致相同，且彼此間可以獨(dú)立完成的子任務(wù),多個(gè)子任務(wù)在流水線的各級(jí)上同時(shí)執(zhí)行。并行陣列連接模式是通過(guò)多個(gè)具有相同處理功能的單元組成一個(gè)并行陣列,每一個(gè)處理單元都可以獨(dú)立執(zhí)行任務(wù),通過(guò)海量處理單元的并行處理以獲得高處理速度[1，2]。

嵌入式圖形拼接控制器根據(jù)視頻圖像處理的特點(diǎn)，將流水線結(jié)構(gòu)和并行陣列結(jié)構(gòu)結(jié)合使用。對(duì)于如圖像采集與校準(zhǔn)、系統(tǒng)顯存管理及顯存、信號(hào)輸出部分，利用其數(shù)據(jù)處理相同性，采用并行陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于如圖像疊加與圖像剪裁，亮度調(diào)節(jié)與色度調(diào)節(jié),預(yù)處理、縮放、濾鏡，空間變換顏色校準(zhǔn)等邏輯上具有在先后順序的功能模塊采用流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)流水線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，任何一個(gè)處理單元出現(xiàn)的故障將直接破壞整個(gè)流水線的正常工作，并且整個(gè)任務(wù)的速度取決于執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的子任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間[1]，故需要對(duì)流水線部分處理模塊進(jìn)行監(jiān)控和管理。根據(jù)并行陣列結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在數(shù)字化圖像的并行存儲(chǔ)存取 、并行顯示、并行傳輸?shù)确矫嫘枰獙?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步控制，需要有控制管理器。嵌入式圖形拼接控制器采用嵌入式操作系統(tǒng)可編程邏輯陣列作為控制核心，完成對(duì)內(nèi)部各個(gè)模塊的狀態(tài)控制和管理，并為外部控制設(shè)備提供接口（圖 2）。

嵌入式圖形拼接控制器利用FPGA芯片的集成度高，靈活性強(qiáng)，具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)基于神經(jīng)元算法的數(shù)據(jù)信號(hào)并行處理計(jì)算。根據(jù)神經(jīng)元算法的特點(diǎn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整個(gè)流程中存在隱層矩陣各行與輸入向量點(diǎn)乘累加過(guò)程,適合用并行陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，為一種半定制電路。定制電路具有芯片面積小，集成度高，運(yùn)算速度快的特點(diǎn)。但其具有制造周期長(zhǎng)、成本高，制成后不易修改，F(xiàn)PGA作為半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)，具有應(yīng)用靈活、集成度高、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[2]。嵌入式圖形拼接控制器通過(guò)基于FPGA的并行處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了圖形信號(hào)的高速處理。

2.2采用基于LVDS高速數(shù)字信號(hào)交換體系

嵌入式圖形拼接控制器將所有接入信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS信號(hào)，以適應(yīng)內(nèi)部高速的圖形信號(hào)處理。在內(nèi)部圖形處理計(jì)算完成后再將LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輸出信號(hào)。LVDS 技術(shù)的核心是采用極低的電壓擺幅高速差動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)，具有低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點(diǎn)。LVDS接口工作電壓低，在保證功耗和電磁干擾最小的同時(shí)又做到高速數(shù)據(jù)傳遞[3，4]（圖3）。

2.3豐富的接口配置和模塊化結(jié)構(gòu)

以往拓展式圖形控制器接口受到主板顯卡個(gè)數(shù)限制，需要依托于各類矩陣進(jìn)行多通道輸入輸出。嵌入式圖形拼接控制器本身就提供了VGA、DVI、HDMI、BNC、SDI、Ypbpr、HDBaseT等輸入輸出接口，不需再額外連接設(shè)備。嵌入式圖形拼接控制器是基于模塊化設(shè)計(jì)，支持對(duì)板卡任意的混合接入，能滿足多種信號(hào)接口的需求，并可以根據(jù)用戶需要定制接口，具有更高的靈活性?；谀K化設(shè)計(jì)，使嵌入式圖形拼接控制器支持各種子模塊的任意插拔、更換，便于對(duì)系統(tǒng)故障的快速檢測(cè)、維護(hù)。

2.4直接對(duì)信號(hào)源的狀態(tài)監(jiān)控和強(qiáng)大的圖像處理功能

拓展式圖形控制器通過(guò)視頻矩陣連接視頻源。經(jīng)過(guò)矩陣設(shè)備轉(zhuǎn)換，視頻源的電信號(hào)狀態(tài)已經(jīng)改變。無(wú)論視頻源的是否真有信號(hào)輸入，在控制端均顯示有視頻信號(hào)輸入。嵌入式圖形拼接控制器與視頻源設(shè)備直連，一旦視頻源信號(hào)中斷，在控制端狀態(tài)則隨之改變，方便操作人員狀態(tài)監(jiān)控。

嵌入式圖形拼接控制器作為專業(yè)的圖像處理設(shè)備，具有強(qiáng)大的圖像處理功能。依托純硬件架構(gòu)和強(qiáng)大的圖像處理模塊可以實(shí)現(xiàn)圖像的任意組合拼接、移動(dòng)、縮放、疊加、跨屏展示等功能，并且可以對(duì)任意信道的信號(hào)進(jìn)行復(fù)制。

2.5支持串口二次開(kāi)發(fā)

嵌入式圖形拼接控制器為純硬件構(gòu)架，具有高速開(kāi)機(jī)，不易受到病毒攻擊、安全穩(wěn)定、不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)藍(lán)屏等不良顯示狀況等優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)，嵌入式圖形拼接控制器無(wú)CPU、硬盤(pán)、內(nèi)存等常規(guī)計(jì)算機(jī)配件，內(nèi)部也沒(méi)有操作系統(tǒng)，但這些因素都沒(méi)有影響到對(duì)設(shè)備二次開(kāi)發(fā)。嵌入式圖形拼接控制器作為采用高速處理芯片集成的圖像處理系統(tǒng)，支持通過(guò)串口控制方法進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。以黑龍江省應(yīng)急指揮中心改造中新更換的嵌入式圖形拼接控制器為例，使用RS -232端口，以16進(jìn)制ASCII進(jìn)行指令傳輸，使用波特率為9600/115200Bps，格式為1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。每條命令都以“回車鍵”0DH為結(jié)束符。下表為基本命令列表。

表1　基本指令表

3　嵌入式圖形拼接控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在黑龍江省地震應(yīng)急視頻會(huì)議系統(tǒng)改造升級(jí)中，根據(jù)我局視頻系統(tǒng)實(shí)際情況，采用了嵌入式圖形拼接控制器代替了原有的擴(kuò)展式圖形拼接控制器，減少了RGB和video矩陣等中間連接設(shè)備，簡(jiǎn)化原有視頻連接線路。

視頻輸入部分。根據(jù)嵌入式圖形拼接控制器豐富的接口配置的特點(diǎn)，將原有的8路RGB信號(hào)源和3路攝像頭輸入信號(hào)直接接入。因DVD、VCD設(shè)備目前已屬于淘汰設(shè)備，將原來(lái)用于DVD、VCD的線路作為備用線路，暫時(shí)不接入系統(tǒng)。

視頻輸出部分。DLP大屏幕具有DVI接口，使用DVI接口直接連接6塊DLP大屏幕。因目前等離子電視輸出端不支持DVI接口，使用DVI-VGA轉(zhuǎn)接頭，實(shí)現(xiàn)嵌入式圖形拼接控制器到等離子電視端的視頻輸出。

連接與控制部分。使用嵌入式圖形拼接控制器代替了原有的擴(kuò)展式圖形拼接控制器、RGB矩陣和video矩陣。

4　嵌入式圖形拼接控制器與原有的擴(kuò)展式圖形拼接控制器功能對(duì)比分析

4.1處理速度方面

嵌入式圖形拼接控制器用硬件圖形處理芯片，處理速度快。原有擴(kuò)展式圖形拼接控制器利用視頻處理軟件進(jìn)行圖形處理，處理速度依賴于宿主機(jī)的硬件設(shè)備。原有控制機(jī)為十五項(xiàng)目時(shí)期設(shè)備，本身也屬于落后設(shè)備，處理速度慢，在播放投影時(shí)延時(shí)較高。嵌入式圖形拼接控制器采用底板交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多鏈路的信號(hào)處理和交換，從架構(gòu)上保證了處理速度不受通道數(shù)量影響。原有擴(kuò)展式圖形拼接控制器在面對(duì)多通道輸入時(shí)，處理速度受到PCI/PCI-E接口和總線帶寬的限制，從而造成了多通道同時(shí)輸入時(shí)延時(shí)較高的問(wèn)題。嵌入式圖形拼接控制器采用高速處理芯片集成的圖像處理系統(tǒng)，內(nèi)部無(wú)任何操作系統(tǒng)，開(kāi)機(jī)時(shí)間小于5秒，可快速啟動(dòng)。原有擴(kuò)展式圖形拼接控制器需先啟動(dòng)自身操作系統(tǒng)，再啟動(dòng)圖控軟件，耗時(shí)較長(zhǎng)。相比之下，嵌入式圖形拼接控制器較原有擴(kuò)展式圖形拼接控制器有更快的反應(yīng)速度、更高的處理速度和更好輸入承載和能力。

4.2穩(wěn)定性方面

嵌入式圖形拼接控制器具有豐富的視頻輸入輸出接口，可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)接口與輸入輸出設(shè)備直接連接。原有擴(kuò)展式圖形拼接控制器受視頻采集卡數(shù)量限制，采用通過(guò)2個(gè)視頻矩陣控制視頻信號(hào)的輸入輸出，經(jīng)過(guò)中間設(shè)備連接，增加了系統(tǒng)和線路故障的可能性。嵌入式圖形拼接控制器是基于純硬件開(kāi)發(fā)的，無(wú)操作系統(tǒng)，不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)藍(lán)屏等不良顯示狀況。原有擴(kuò)展式圖形拼接控制器基于XP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，容易受到操作系統(tǒng)不穩(wěn)定而帶來(lái)的影響。相比之下，嵌入式圖形拼接控制器具有更高的穩(wěn)定性。

4.3安全性方面

原有擴(kuò)展式圖形拼接控制器基于XP系統(tǒng)，采用C/S架構(gòu)，通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行控制信號(hào)傳輸，容易受到病毒攻擊。嵌入式圖形拼接控制器是基于純硬件開(kāi)發(fā)的，無(wú)操作系統(tǒng)，利用串口線與控制pc機(jī)相連，基本不會(huì)受到病毒的攻擊。相比之下，嵌入式圖形拼接控制器具有更高的安全性。

4.4投影控制

原有擴(kuò)展式圖形拼接控制器是通過(guò)控制視頻矩陣來(lái)控制顯示信號(hào)的切換，經(jīng)視頻采集卡和視頻矩陣連接到大屏幕。輸出信號(hào)只能選擇在一塊或幾塊DPL屏幕上進(jìn)行顯示，一塊DPL屏幕不能同時(shí)顯示兩路不同的信號(hào)源,且在大屏中一次最多只能分屏投放2路RGB信號(hào)源或者以直通形式顯示5路RGB信號(hào)源，頁(yè)面布局有很多限制。嵌入式圖形拼接控制器可以多通道、多窗口任意顯示功能，窗口擺放不受限制，避免單屏開(kāi)四窗口的布局限制，并提供移動(dòng)、縮放、疊加、通道復(fù)制等功能（圖5左圖為圖像疊加多通道輸入示意圖，右圖為設(shè)備使用后圖像疊加、跨屏投影的照片）。相比之下，嵌入式圖形拼接控制器提供更加靈活多樣的視頻輸出展示。

5　結(jié)語(yǔ)及展望

在近幾次局內(nèi)演練和2016年1月2日牡丹江6.4級(jí)深源地震應(yīng)急響應(yīng)中均使用了大屏幕展示系統(tǒng)，在使用中嵌入式圖形拼接控制器得到了檢驗(yàn)。其在功能上完替代了原有的擴(kuò)展式圖形拼接控制器，并提供了更加靈活多樣的視頻輸出展示。最后，希望通過(guò)嵌入式圖形拼接控制器在黑龍江省地震應(yīng)急視頻系統(tǒng)的應(yīng)用，為今后相關(guān)研究與應(yīng)用的開(kāi)展提供一定的參考與幫助。

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APPLICATION OF EMBEDDED GRAPHIC MOSAIC CONTROL SYSTEM USED IN EARTHQUAKE EMERGENCY VIDEO SYSTEM OF HEILONGJIANG PROVINCE

FANG Yao1，HAO Yong-mei1，WANG Jian-xun1，ZHANG Mei-ling2,ZHOU Lin1
（1．Earthquake Administration of Heilongjiang Province,Heilongjiang Harbin 150090，China；2.Wudalianchi Earthquake and Volcano Observatory Station,Heilongjiang Wudalianchi 164155，China）

Abstract:Through introducing the technical features of embedded graphic splicing controller,combining with the current situation of earthquake emergency video system in Heilongjiang province,the paper put forward the application profile of embedded graphic splicing controller in emergency command system.Meanwhile the paper contrasted and analyzed between embedded graphic splicing controller and extended graphics controller.The paper will provide certain reference and help for related research and application in the future.

Key words:graphic splicing controller ;large screen ;video system

作者簡(jiǎn)介：方瑤（1982-），女，黑龍江省哈爾濱市人，2005年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)，本科，工程師，現(xiàn)主要從事地震信息網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維、應(yīng)急指揮系統(tǒng)管理及維護(hù)工作。

收稿日期：2015-09-26

修訂日期：2015-10-27

中圖分類號(hào)：P315.69

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.014

文章編號(hào)：1674-8565（2016）01-0079-06