一種基于網(wǎng)絡技術的LED大屏顯控系統(tǒng)

◆武 攀 趙振凱

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一種基于網(wǎng)絡技術的LED大屏顯控系統(tǒng)

◆武 攀 趙振凱

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 江蘇 210007)

本文針對會議場所、指揮控制中心的視頻顯控需求，設計了一種基于網(wǎng)絡技術的LED大屏顯控系統(tǒng)；并將此系統(tǒng)應用于工程建設中，為會議場所、指揮控制中心的大屏顯控系統(tǒng)的設計與建設提供參考。

IP化視頻傳輸；LED大屏；圖像處理

0 前言

在現(xiàn)代會議中心、指揮控制中心的信息系統(tǒng)建設中，音視頻系統(tǒng)已成為不可或缺的重要組成部分。大型項目中，音視頻系統(tǒng)的建設經(jīng)費常占據(jù)整個信息系統(tǒng)建設費用的40%~50%，甚至更高。大屏顯控系統(tǒng)因其傳遞直觀視覺信息，在音視頻系統(tǒng)中占據(jù)重中之重的地位。以往大屏顯示采用投影機拼接融合、液晶拼接等技術。近年來，由于小間距LED顯示技術的發(fā)展，LED顯示屏成為設計會議場所、指控中心顯示墻的一個選項。本文基于網(wǎng)絡化傳輸與控制技術，設計了一種LED大屏顯控系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)用于會議場所、指揮控制中心的工程建設中。

1 LED屏顯示原理

LED顯示技術原理：

我們常用的液晶顯示器的技術原理是：液晶本身不發(fā)光，光源來自于顯示器中的背光燈。液晶分子的排列在電場作用下發(fā)生變化，通電時排列有序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。液晶顯示器在顯示視頻時，先顯示第一行像素并保持狀態(tài)，接著顯示第二行像素，并保持前兩行像素的狀態(tài)，接著顯示第三行像素，保持前三行像素的狀態(tài)……直到顯示最后一行，一幀的畫面顯示完畢。

如圖1所示為液晶顯示器的組成方框圖。圖中，電源板將交流電輸入經(jīng)過AC-DC轉換，向驅動板、液晶屏、高壓板等電路提供工作所需的直流電壓。高壓板將直流電轉為交流高壓電，使背光燈工作。驅動板包括MCU和圖像處理電路：MCU根據(jù)鍵控板上傳送的信號，控制整個顯示器的開啟、關閉、亮度調節(jié)、對比度、色彩飽和度等；圖像處理器的作用是對圖像縮放處理，將從視頻接口接收的各種分辨率的視頻信號轉為驅動液晶屏顯示的信號，還可根據(jù)MCU的控制指令，改變視頻的顯示效果，如縮放、畫中畫、色彩調節(jié)等。液晶屏為顯示圖像的主體。

圖1 液晶顯示器組成方框圖

現(xiàn)在常見的LED液晶顯示器，這里的LED指的是液晶顯示器背光燈部分采用發(fā)光二極管（LED），而不是以前的冷陰極熒光燈管（CCFL）作為背光光源。所以，LED液晶顯示器并非像LED顯示屏那樣采用發(fā)光二極管作為像素單元。

不同于液晶顯示器，LED顯示屏屏體部分由許多發(fā)光二極管組成。首先將發(fā)光二極管集成像素，像素再集成模塊，模塊再組裝成大屏。顯示畫面時，LED模塊顯示一行發(fā)光二極管，接著點亮下一行LED……直到點亮最后一行LED。但是與液晶顯示器不同的是，LED屏顯示畫面時，上一行的發(fā)光二極管點亮的狀態(tài)不能持續(xù)保持，當點亮下一行發(fā)光二極管時，上一行的發(fā)光二極管就已經(jīng)“熄滅”，所以LED屏的刷新頻率非常高，通常為120Hz、240Hz等，才能使人眼感覺看到一幅完整的畫面。刷新頻率越高，圖像顯示越穩(wěn)定。

如圖2所示為LED拼接大屏的組成方框圖，主要包括供電單元、控制終端、圖像處理單元和LED屏體。供電單元類似于液晶顯示器中的電源板和高壓板，為LED屏體提供工作所需的電能。LED屏的耗電與面積成正比，一般作為顯示墻的LED拼接屏的面積打幾十平方米。功耗在千瓦級，因此在設計時通常配置專用的配電箱向LED屏體供電?？刂平K端類似于液晶顯示器中驅動板上的MCU，向用戶提供人機界面，根據(jù)操作輸入控制LED屏的開關、顯示等。圖像處理單元通常包括圖像拼接處理器、視頻轉換器等設備，類似于液晶顯示器驅動板上的圖像處理電路，接收各類視頻源的信號，并根據(jù)控制終端的指令，實現(xiàn)圖像的拼接、開窗、縮放等處理，轉為驅動LED屏顯示的信號。作為顯示墻的LED屏，顯示面積較大，展示的信息內容豐富，方式多樣，所以在圖像處理單元需用高性能圖像拼接處理器實現(xiàn)。類似于液晶顯示器中的液晶屏，LED屏體為顯示圖像的主體。

圖2 LED拼接大屏組成方框圖

對比液晶拼接屏、投影機等顯示設備，LED屏具有亮度高、對比度高、色彩艷麗、響應速度快、壽命長等優(yōu)點。和液晶拼接屏相比，LED拼接屏的拼縫較小，亮度高、色彩一致性好。和投影融合拼接屏相比，雖然投影融合能實現(xiàn)無縫拼接，但是亮度和色彩逼真度不如LED拼接屏，而且融合帶的調試過程較繁瑣，在使用過程中，需要定期更換燈泡、調整融合帶。即使使用激光投影機，壽命也遠小于LED屏。在戶外，因為亮度高、可靠性高，常采用LED屏作為信息板、廣告牌、告示牌。作為信息顯示手段，LED屏在金融證券、體育、交通、商業(yè)、廣告宣傳、郵電電信、國防軍事等許多領域得到廣泛應用。隨著小間距LED技術的發(fā)展，在會議中心和指控中心的建設中，也越來越多地采用LED拼接大屏作為主要顯示設備。

2 系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)整體設計

基于網(wǎng)絡技術，設計一種適合室內大型會議場所、指揮控制中心使用的LED大屏顯控系統(tǒng)。采用分布式傳輸視頻信號和網(wǎng)絡化控制的方式，設計的LED大屏顯控系統(tǒng)包括以下部分：網(wǎng)絡、LED屏體、圖像處理單元、供電單元、網(wǎng)絡視頻傳輸子系統(tǒng)、控制終端。如圖3所示為系統(tǒng)組成框圖。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

圖3中，控制終端、供電單元、圖像處理單元、網(wǎng)絡視頻傳輸子系統(tǒng)都接入網(wǎng)絡，網(wǎng)絡是各部分交互信息的基礎環(huán)境。控制終端通過網(wǎng)絡控制供電單元，從而控制LED屏的開啟與關閉；通過網(wǎng)絡控制圖像處理單元，從而控制LED屏顯示畫面的樣式，如多屏顯示、全屏顯示、開窗顯示等；網(wǎng)絡視頻傳輸子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡向圖像處理單元傳輸各類視頻信號，同時也通過網(wǎng)絡和控制終端通信，接受控制終端的控制，實現(xiàn)視頻的調度切換。圖3和圖2相比，在圖3中控制終端、供電單元、圖像處理單元通過通網(wǎng)絡交互信息，而不是像圖2中那樣直連，這是考慮到會議場所、指控中心的場地較大，采用網(wǎng)絡化控制的方式可不受距離的限制；圖2中的視頻源改為圖3中的網(wǎng)絡視頻傳輸子系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡化分布式技術使視頻系統(tǒng)的擴展和接入更加方便。

2.2 LED大屏和供電設計

LED拼接大屏由若干箱體拼接而成，箱體的寬高比常見有16:9和4:3兩種。選擇和設計LED大屏時，需綜合考慮場地尺寸、用戶需求、經(jīng)費等因素，在多個選項之間折衷。LED大屏的造價與屏體的規(guī)格和大屏的整體面積直接相關。屏體的規(guī)格主要是由像素的間距決定。像素間距越小，價格越高。LED大屏的整體面積越大，造價越高。由觀看者與屏面的距離，決定了LED屏的規(guī)格和面積。當觀看者距屏面一定距離時，由人眼的分辨力，像素間距需小于某一數(shù)值，才可使觀看者不能察覺到屏面的顆粒感。一般計算時，設人眼極限分辨力為1弧分，由觀看者距屏面的距離，求出LED屏像素的間距。觀看者距屏面的距離在屏高的2.5倍至4倍之間較佳，由此可確定屏的高度。

不同像素間距的LED屏，功耗不同。像素間距越小，單位面積上的發(fā)光二極管數(shù)目越多，因此單位面積的LED屏耗電越高。比如，像素間距1.6毫米的LED屏每平方米耗電800瓦，乘以屏的面積可得耗電估計值。一般，30平方米的LED拼接屏功耗為20~30千瓦，通常為LED屏單獨配置一個配電箱供電。通過網(wǎng)絡控制LED屏的開關，則需將配電箱接入交換機?？稍谂潆娤渲性O計安裝網(wǎng)絡模塊，網(wǎng)絡模塊上具有網(wǎng)絡接口，根據(jù)從網(wǎng)口接收的開關機命令，控制配電箱的斷路器的閉合與斷開，從而實現(xiàn)LED屏的開啟與關閉。

2.3圖像處理單元的設計

作為會議中心、指控中心的主顯示墻，LED大屏上需實現(xiàn)多屏顯示、開窗顯示等效果。LED大屏顯示系統(tǒng)中的圖像處理單元用來輔助實現(xiàn)大屏上的多畫面顯示，通常包括高性能圖像拼接處理器和視頻格式轉換設備：圖像拼接處理器接收各種分辨率、各種接口的視頻信號，經(jīng)過多種處理、計算步驟，輸出固定分辨率的信號，并由視頻格式轉換設備將視頻信號轉為可以驅動LED箱體顯示的信號。

圖像拼接處理器和視頻格式轉換設備具有網(wǎng)口，可通過網(wǎng)絡接收控制命令，從而實現(xiàn)多屏、開窗顯示等模式的調用。

2.4網(wǎng)絡視頻傳輸子系統(tǒng)設計

網(wǎng)絡視頻傳輸子系統(tǒng)采用分布式的網(wǎng)絡化視頻傳輸設備，將不同分辨率、不同接口的視頻源信號壓縮編碼，構成數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡上傳輸。該子系統(tǒng)包括服務器、視頻編碼器和視頻解碼器。視頻編碼器將各類視頻源信號壓縮編碼數(shù)據(jù)包，受服務器的控制，傳輸至視頻解碼器。視頻解碼器將收到的數(shù)據(jù)包解碼成視頻信號傳輸至圖像處理單元，作為圖像處理單元的視頻信號源。

2.5控制終端設計

在控制終端上安裝LED屏系統(tǒng)顯控軟件，提供良好的人機交互界面，方便操作人員通過網(wǎng)絡實現(xiàn)對LED大屏系統(tǒng)的集中控制。LED屏系統(tǒng)顯控軟件包括對供電單元、圖像處理單元和網(wǎng)絡視頻傳輸部分的控制軟件，分別實現(xiàn)LED大屏的開關控制、LED屏顯示畫面的模式控制和顯示畫面的調度切換控制。

2.6系統(tǒng)連接圖

由上所述，將圖3的系統(tǒng)組成框圖細化，得到如圖4所示的系統(tǒng)連接圖。

圖4系統(tǒng)連接圖

圖4中，由多臺交換機構成的局域網(wǎng)對應圖3中的網(wǎng)絡部分，是網(wǎng)絡化LED大屏顯控系統(tǒng)信息交互的基礎環(huán)境。

LED屏體部分由24列×8行的箱體構成，箱體的寬高比為4:3，每個箱體的視頻輸入信號為LVDS信號。

圖像處理單元由一臺視頻控制器、若干臺DVI分配器和LED控制器構成。視頻控制器為一臺高性能圖像拼接處理器，安裝在機房中，根據(jù)需要可配置DVI輸入板卡、SDI輸入板卡、HDMI輸入板卡、VGA輸入板卡等，接收各種分辨率和接口的視頻信號，并經(jīng)過圖像拼接處理、計算，輸出DVI信號。DVI分配器和LED控制器安裝在屏體附近，將視頻控制器輸出的DVI信號轉為LED屏箱體可接收的LVDS信號。考慮到視頻控制器和屏體的距離較遠，在視頻控制器和DVI分配器之間設置DVI光端機，以光纖為介質長距離傳輸DVI信號。視頻控制器上配有網(wǎng)口，通過網(wǎng)絡接收控制命令，實現(xiàn)開窗顯示、多屏顯示、整屏顯示等模式調用。LED控制器也接入網(wǎng)絡中，向控制終端反饋LED屏箱體的狀態(tài)信息，并接受控制命令調節(jié)LED屏顯示亮度。

供電單元由配電箱構成，配電箱中安裝具有網(wǎng)口的PLC模塊。PLC模塊通過網(wǎng)絡接收指令，控制配電箱里斷路器的閉合與斷開，從而實現(xiàn)開啟或關閉LED屏體的功能。

網(wǎng)絡視頻傳輸子系統(tǒng)由編碼器、DVI解碼器、視頻調度服務器組成，各設備均接入網(wǎng)絡中，構成網(wǎng)絡化的分布式視頻傳輸系統(tǒng)。編碼器可根據(jù)需要配置各種接口的高清、標清視頻編碼器，將各種視頻源信號轉為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡傳輸至解碼器。解碼器將數(shù)據(jù)包轉為DVI信號輸出接至視頻控制器。通過視頻調度服務器，將編碼器所接的視頻源信號送至解碼器，從而實現(xiàn)在LED大屏上視頻切換。

設置一套接入網(wǎng)絡的集中控制臺作為控制終端，實現(xiàn)LED大屏系統(tǒng)控制的網(wǎng)絡化。集中控制臺上安裝的軟件包括LED屏控制軟件、視頻控制器軟件和網(wǎng)絡視頻調度軟件。LED屏控制的軟件可以向配電箱中的PLC模塊發(fā)送指令，從而控制LED屏的開啟與關閉；通過向LED控制器發(fā)送命令，可調節(jié)LED屏顯示亮度、色彩、白平衡等參數(shù)，從LED控制器反饋的信息可查看LED箱體的狀態(tài)信息。通過可視化的視頻控制器軟件，在集中控制臺上可以實時監(jiān)控LED大屏顯示的效果，實現(xiàn)任意分辨率、任意視頻源的布局、拼接、拆分、疊加、開窗顯示、對顯示屏場景進行離線/在線編輯、場景預設、場景調用等操作。網(wǎng)絡視頻調度軟件與視頻調度服務器中安裝的軟件通信，控制編碼器與解碼器的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)視頻調度切換。在集中控制臺上的網(wǎng)絡視頻調度軟件采用可視化方式編輯大屏布局，用拖拽方式實現(xiàn)視頻切換、預監(jiān)輸入視頻信號、計劃導播、臨機導播等功能。此外，LED大屏系統(tǒng)控制軟件包括多用戶管理和日志管理：多用戶管理支持權限分級，不用用戶按級別賦予不同的權限，實現(xiàn)人員、崗位的管理；日志管理可記錄、查詢用戶操作，做到操作可追溯。由此保證網(wǎng)絡化LED大屏顯控系統(tǒng)的使用安全性和可靠性。

3 小結

構建網(wǎng)絡化大屏顯控系統(tǒng)時需注意，網(wǎng)絡化分布式視頻傳輸子系統(tǒng)對網(wǎng)絡的帶寬要求較高，對交換機的交換能力要求嚴格，需采用經(jīng)過嚴格測試篩選出來的型號。并且，分布式視頻傳輸系統(tǒng)運行的是專用的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，雖然使用的是標準的網(wǎng)絡交換機，但是不建議將其他通往網(wǎng)絡設備接入此交換機。因此，可將控制部分和視頻傳輸部分的分別接入不同的交換機。和HDbaseT技術、光纖傳輸?shù)燃夹g相比，網(wǎng)絡化分布式傳輸子系統(tǒng)傳輸?shù)囊曨l畫面經(jīng)過壓縮編碼、解壓縮解碼，畫質不如前兩者，但是將視頻IP化后，可作為一種數(shù)據(jù)資源使用，嵌入軟件中，使視頻的展現(xiàn)形式更加豐富。

本文基于網(wǎng)絡技術，結合LED大屏顯示系統(tǒng)，所構成的網(wǎng)絡化LED大屏顯控系統(tǒng)，已在工程實踐中已采用并將推廣，取得了一定的經(jīng)濟效益和社會效益，對會議場所、指控中心中音視頻大屏顯控系統(tǒng)的建設具有一定指導意義。

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