邊緣融合技術(shù)在多媒體系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

劉玉梅

摘要：介紹多媒體系統(tǒng)概述及特點(diǎn)，并通過(guò)工程實(shí)例對(duì)多媒體投影播控系統(tǒng)運(yùn)用的邊緣融合技術(shù)，與投影機(jī)、融合機(jī)、幕布、環(huán)境控制這四個(gè)要素的相互關(guān)聯(lián)作用，以及設(shè)備參數(shù)的合理匹配進(jìn)行分析、計(jì)算并總結(jié)。

關(guān)鍵詞：多媒體系統(tǒng)；邊緣融合技術(shù)；設(shè)備參數(shù)分析與計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TN873 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）04-0152-03

1 引言

傳統(tǒng)的展陳設(shè)計(jì)通常是通過(guò)單一的圖片或文字等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于這些單一的手段顯得相對(duì)固化和生硬，無(wú)法很好地引起觀眾的興趣和共鳴。隨著科技進(jìn)步和發(fā)展，傳統(tǒng)的靜態(tài)展陳方式已不能滿(mǎn)足觀眾對(duì)展陳方式多樣化需求，運(yùn)用多媒體技術(shù)拓寬博物館展陳模式已勢(shì)在必行。

通過(guò)綜合運(yùn)用生、光、電、圖文、影像等媒介信息的多媒體技術(shù)，豐富了展覽內(nèi)容，提升了博物館展覽的生動(dòng)性和參觀體驗(yàn)性，強(qiáng)化了博物館宣傳教育功能。在展覽設(shè)計(jì)中，在大膽應(yīng)用各種前沿科學(xué)技術(shù)的最新成果的同時(shí)，還需要要考慮到展覽中所要表現(xiàn)的歷史文化內(nèi)容，整體的展覽環(huán)境形式與所運(yùn)用的多媒體技術(shù)和設(shè)備之間是否恰當(dāng)和匹配[1]。對(duì)博物館多媒體展陳建設(shè)來(lái)說(shuō)，這期間既需要解決多媒體技術(shù)與博物館工作的融合問(wèn)題，同時(shí)，需要解決系統(tǒng)和設(shè)備之間的互聯(lián)和互操作性，以及各類(lèi)設(shè)備間及系統(tǒng)間的接口、協(xié)議、系統(tǒng)平臺(tái)、應(yīng)用軟件等問(wèn)題。這意味著創(chuàng)新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的多媒體技術(shù)不僅要具有先進(jìn)性、可靠性、穩(wěn)定性的技術(shù)要求，同時(shí)對(duì)各類(lèi)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)及性能要進(jìn)行謹(jǐn)慎選用、合理配置。

2 多媒體技術(shù)概述及特點(diǎn)

多媒體技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化的文字、圖形、圖片、動(dòng)畫(huà)、聲音以及視頻等媒體信息進(jìn)行處理分析、傳輸、以及交互應(yīng)用的技術(shù)[2]。多媒體技術(shù)是交叉學(xué)科，內(nèi)容豐富，涉及領(lǐng)域多，發(fā)展迅速。根據(jù)多媒體技術(shù)所展現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)用多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等構(gòu)件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的多媒體展示系統(tǒng)，應(yīng)采用當(dāng)前流行且成熟并有較多成功案例的技術(shù)裝備，要有一套成熟的基礎(chǔ)理論和先進(jìn)的技術(shù)方法，以及相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為應(yīng)用開(kāi)發(fā)的技術(shù)支撐。整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)在穩(wěn)定性、可靠性、先進(jìn)性要求高的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)開(kāi)放架構(gòu)，與多變的展覽需求協(xié)同一致，使得多媒體技術(shù)的應(yīng)用既能滿(mǎn)足觀展需要，還能具有方便日后優(yōu)化性能和升級(jí)換代的功能。同時(shí)，要考慮到多媒體系統(tǒng)和設(shè)備之間的合理匹配和融合問(wèn)題，確保選用的設(shè)備指標(biāo)參數(shù)、產(chǎn)品功能、操作簡(jiǎn)易性等方面均要體現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)用性、前瞻性和高性?xún)r(jià)比。目前，博物館中可應(yīng)用的多媒體技術(shù)有很多種，例如多媒體投影播控系統(tǒng)、電子導(dǎo)覽講解系統(tǒng)、觸摸屏技術(shù)、三維動(dòng)態(tài)成像技術(shù)等等。這些數(shù)字多媒體技術(shù)在博物館的展覽中發(fā)揮著不可小覷的作用。本文就多媒體投影播控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，進(jìn)行技術(shù)分析和總結(jié)。

3 投影播控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理：典型兩通道投影融合

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（如圖1所示）

設(shè)備組成：（1）投影機(jī)2臺(tái)；（2）2通道拼接融合器1臺(tái)；（3）視頻播放器1臺(tái)；（4）音響設(shè)備1套；（5）投影吊架2套。

3.2 整體設(shè)計(jì)

為兩通道投影拼接融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)，選用一臺(tái)拼接融合播放器（支持兩通道的輸出）。從工作原理上可以分為兩個(gè)部分，即顯示系統(tǒng)和播放系統(tǒng)，其具體工作方式如下：

顯示系統(tǒng)：通過(guò)拼接融合機(jī)對(duì)輸出的畫(huà)面做拼接和邊緣融合，通過(guò)投影顯示出一個(gè)完整的畫(huà)面，單臺(tái)投影的分辨率為1024*768；拼接融合帶像素為256個(gè)，融合后畫(huà)面顯示的分辨率為1792*768。

播放系統(tǒng)：播放系統(tǒng)為拼接融合機(jī)連接投影機(jī)， 片源放置在播放器中，音箱通過(guò)功放連接到投影機(jī)上，實(shí)現(xiàn)聲音的輸出。

控制系統(tǒng)：投影機(jī)、融合機(jī)、播放器通過(guò)各自RJ45接口接入TCP-IP網(wǎng)絡(luò)，由中控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

邊緣融合技術(shù)：邊緣融合技術(shù)就是將一組投影機(jī)投射出的畫(huà)面進(jìn)行邊緣重疊，并通過(guò)融合技術(shù)顯示出一個(gè)沒(méi)有縫隙更加明亮、超大、高分辨率的整幅畫(huà)面，畫(huà)面的效果就象是一臺(tái)投影機(jī)投射的畫(huà)面，其投影融合示意圖如圖2所示。

對(duì)于構(gòu)建整個(gè)無(wú)縫多通道邊緣融合系統(tǒng)，主要有四大主要因素：（1）投影機(jī)；（2）邊緣融合機(jī)；（3）幕布系統(tǒng)；（4）環(huán)境控制，只有這四個(gè)因素相互配合才能構(gòu)成完美的多通道融合效果。

融合控制系統(tǒng)需提供開(kāi)放的控制協(xié)議、技術(shù)文檔與技術(shù)支持，方便融合系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)的整體集成控制。與此同時(shí)，需集成市面上常見(jiàn)的矩陣控制協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的多級(jí)控制與集成，為用戶(hù)控制帶來(lái)方便。設(shè)備需提供 IP 網(wǎng)絡(luò)與串口控制，用戶(hù)可以任意選用合適的方式進(jìn)行控制，同時(shí)提供iOS控制端，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)控制。

4 工程實(shí)例

以弧形投影播控系統(tǒng)為例，采用的是四臺(tái)投影機(jī)拼接而成的弧形投影屏幕，其弧度弦長(zhǎng)為15米，高度3米。采用的是邊緣融合技術(shù)，達(dá)到無(wú)縫拼接完美畫(huà)質(zhì)效果。根據(jù)國(guó)家有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合多媒體前沿技術(shù)的特點(diǎn)，本次多媒體設(shè)計(jì)采用基于可編程FPGA硬件融合機(jī)的四通道弧形融合技術(shù)，通過(guò)對(duì)投影機(jī)焦距及光亮度、融合機(jī)帶寬和接口、環(huán)境控制的照度、以及幕布增益的參數(shù)計(jì)算，合理匹配相應(yīng)設(shè)備，并通過(guò)TCP-IP協(xié)議的中控 接入大樓骨干網(wǎng)絡(luò)中多媒體vlan段，達(dá)到弧形投影播控系統(tǒng)完美效果。

4.1 視頻設(shè)計(jì)依據(jù)

《畫(huà)面中心與邊緣的寬度比》 ISD-9241-3

《畫(huà)面顯示的全屏色度差》 ISD-9241-8

《顯示屏幕直照度的標(biāo)準(zhǔn)》 ISD-FDISI3406-3

《亮度不均勻性》 GB/9313

《畫(huà)面顯示的幾何失真》 GB/9313

《電影院視聽(tīng)環(huán)境技術(shù)要求》 GB/T3557-94

《LED顯示屏通用規(guī)范》 SJ/T11141-2003

《LED顯示屏測(cè)試方法》 SJ/T11281-2007

4.2 工程設(shè)計(jì)：四通道弧形曲面融合拓?fù)鋱D（如圖3所示）

4.3 邊緣融合機(jī)參數(shù)（帶寬）計(jì)算

邊緣融合機(jī)是無(wú)縫多通道邊緣融合系統(tǒng)的核心設(shè)備，分為軟融合和硬融合。目前計(jì)算機(jī)顯卡的性能和帶寬已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通高清1920x1080P的帶寬要求，融合機(jī)輸入的分辨率必須要能接受這類(lèi)超高清信號(hào)才能保證多通道融合的效果，考慮到本系統(tǒng)穩(wěn)定性、靈活性，以及處理帶寬的要求，故本項(xiàng)目采用的是可編程FPGA方案的硬件邊緣融合機(jī)。

已知4個(gè)投影機(jī)，分辨率為1024x768，刷新頻率120Hz，融合帶3個(gè)，則融合帶水平像素為3x256像素（融合帶約為水平分辨率1024的20%）。

（1）融合后水平有效像素計(jì)算應(yīng)為：

計(jì)算公式：Hact=x*n-z*（n-1）=1024*4-256*3=3328像素

（X為投影機(jī)水平有效像素；N為融合投影機(jī)個(gè)數(shù)；Z為融合帶水平有效像素；Hact為是融合后水平有效像素）

（2）融合機(jī)帶寬計(jì)算應(yīng)為：

計(jì)算公式：F = Hact *Vact * Vr=3328*768*120=306.71MHz

（其中 Hact是水平有效像素；Vact是垂直有效行數(shù)；Vr是刷新頻率）

根據(jù)上述計(jì)算，融合機(jī)帶寬必須≥306.71MH才能支持融合后分辨率為3328*768，刷新頻率為120HZ的投影融合圖像。

最后選擇的融合機(jī)的參數(shù)為：型號(hào)：MPG20X，輸入板卡Dual Link DVI/Displayport 1.1a，最高330Mhz輸入頻率，支持DVI和DP同時(shí)輸入輸出板卡 DVI-I（DVI和VGA同時(shí)輸出）最高165Mhz輸出頻率，支持每通道監(jiān)控通道同步輸出，支持1024x768@120Hz主動(dòng)立體信號(hào)輸出。

4.4 融合投影機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)

已知單臺(tái)投影機(jī)投影影像大小約4米*3米的4：3規(guī)格，屏前照度為200lux，通過(guò)計(jì)算，選擇的投影機(jī)流明應(yīng)為：

屏幕的顯像照度計(jì)算：SL= AL * CR =200×2=400lux

《SL代表屏幕的顯像照度；AL代表環(huán)境照度；CR對(duì)比度系數(shù)， （一般可取2--10之間，數(shù)值越大則圖像亮度與環(huán)境亮度的對(duì)比度越高）》。

（1）投影機(jī)光通亮計(jì)算：

計(jì)算公式：Φ=SL*S/CU/K=400*12/0.9/0.8=6667lm

（Φ投影機(jī)光通量單位lm（流明）；S投影面積單位平方米；CU空間傳損系數(shù)是指從投影機(jī)放射出來(lái)的光束有百分之多少到達(dá)屏幕，與投影機(jī)安裝高度、安裝距離和屏幕反射率直接相關(guān)，系數(shù)CU可取0.6--1之間；K維護(hù)系數(shù)是指由于房間灰塵的積累，致使空間反射效率降低，致使照度降低而乘上的系數(shù)。一般較清潔的場(chǎng)所，如閱讀室、醫(yī)院、藝術(shù)館、博物館等維護(hù)系數(shù)K取0.8）。

由此計(jì)算得出，每臺(tái)投影機(jī)的光通亮為6667lm，故此合理選用光亮度為標(biāo)準(zhǔn)7000lm的投影儀為最佳性?xún)r(jià)比。

（2）融合投影機(jī)鏡頭焦距計(jì)算：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)際面積是67.5平方米（15m長(zhǎng)*4.5m寬），如果單臺(tái)投影機(jī)投影畫(huà)面寬度為4米，按4：3屏幕計(jì)算，則單臺(tái)投影機(jī)需要200英寸幕布，現(xiàn)受環(huán)境寬度限制，四臺(tái)投影機(jī)最遠(yuǎn)安裝位置距離屏幕為3.7米。工程投影機(jī)常規(guī) DLP芯片尺寸為0.65英寸。

投影機(jī)焦距計(jì)算如下：

計(jì)算公式：F= V*D/W=3.7米*0.65英寸/200=12mm

（V投射距離（米；F焦距（米）；W畫(huà)面尺寸（英寸）；D 投影機(jī)DLP芯片尺寸（英寸）

由此計(jì)算得出，投影機(jī)鏡頭最小焦距要≤12mm，才能投射出200英寸的畫(huà)面。

以下為融合投影機(jī)需匹配的主要參數(shù)及說(shuō)明匯總，見(jiàn)表1。

4.5 幕布選定

無(wú)縫多通道邊緣融合系統(tǒng)的投影幕布也是實(shí)現(xiàn)完美畫(huà)面的關(guān)鍵，用于多通道邊緣融合投影的投影幕選用屏幕增益在1.2以下的產(chǎn)品，這樣從不同角度觀看畫(huà)面都會(huì)覺(jué)得始終整體如一，效果更理想。

對(duì)于融合投影系統(tǒng)，金屬幕布更容易固定，而且顯得高檔大氣。在確定完屏幕的材質(zhì)后，還要確定投影幕的尺寸。在邊緣融合系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一就是要做邊緣融合帶處理，相鄰?fù)队皺C(jī)的投影畫(huà)面需要有部分重合，重合部分的寬度應(yīng)不低于單臺(tái)投影機(jī)投影的寬度的20%，因此，要根據(jù)屏幕的寬度、屏幕的高度、投影機(jī)數(shù)量、融合帶寬度三者的關(guān)系來(lái)確定屏幕的尺寸，出現(xiàn)尺寸不匹配的情況將極大降低最終效果，這必須在多通道投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初仔細(xì)計(jì)算。

根據(jù)上述分析和計(jì)算，本項(xiàng)目幕布選型為Mond 型號(hào)，金屬硬幕，定制屏幕尺寸為長(zhǎng)15米，高度3米。

4.6 環(huán)境控制

無(wú)縫多通道邊緣融合系統(tǒng)是運(yùn)行在一定的場(chǎng)合，要獲得完美的超寬畫(huà)面效果，環(huán)境的配合也往往能夠起到錦上添花的效果。對(duì)于超寬幅面的系統(tǒng)，相應(yīng)的音響系統(tǒng)的布置要盡量使聲音效果從屏幕后均勻輸出，而環(huán)繞副音響也要按照空間位置合理安排，才能達(dá)到完美的沉浸效果。多通道邊緣融合系統(tǒng)適宜周?chē)h(huán)境不要過(guò)于明亮和黑暗，過(guò)于明亮?xí)p傷投影機(jī)的亮度效果，過(guò)暗環(huán)境下融合帶的處理更加有難度，且此時(shí)人眼對(duì)亮度的差異會(huì)更加敏感，因此，在多通道邊緣融合系統(tǒng)，要考慮周?chē)h(huán)境安排一定數(shù)量的微弱環(huán)境燈光是較好選擇。

根據(jù)有關(guān)規(guī)定，大型場(chǎng)所的環(huán)境亮度在200lux以下，本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)融合設(shè)備環(huán)境照度控制在200lux以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足清晰顯示要求。

4.7 注意事項(xiàng)

（1）目前計(jì)算機(jī)顯卡的性能和帶寬已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通高清1920x1080P的帶寬要求，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，比1920x1080P更高的超高清分辨率已經(jīng)可做到4Kx2K或更高，融合機(jī)輸入的分辨率必須要能接受這類(lèi)超高清信號(hào)才能保證多通道融合的效果，這樣的投影融合才有實(shí)際意義。

（2）分布式架構(gòu)，超大規(guī)模融合投影輕松實(shí)現(xiàn)。分布式的設(shè)計(jì)架構(gòu)，相比集中式設(shè)備，系統(tǒng)擴(kuò)展性更強(qiáng)——目前可以實(shí)現(xiàn)多輸出通道的邊緣融合系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的高清視頻信號(hào)傳輸采用無(wú)失真實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，可以保證畫(huà)面的清晰度和整體的同步性，分布式的架構(gòu)將系統(tǒng)負(fù)荷平均分散到各個(gè)處理終端，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，融合系統(tǒng)拼接系統(tǒng)可無(wú)縫集成。融合系統(tǒng)集成了RRTA多分辨率實(shí)時(shí)兼容技術(shù)， 可以支持融合系統(tǒng)與拼接系統(tǒng)的無(wú)縫集成，特別適合融合系統(tǒng)和拼接系統(tǒng)同時(shí)存在且共用信號(hào)源的情況。集成后的系統(tǒng)可在一個(gè)集成化的軟件中同時(shí)控制多組顯示系統(tǒng)的畫(huà)面內(nèi)容，真正實(shí)現(xiàn)視訊系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和控制，更加方便維護(hù)人員的高效工作。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于構(gòu)建整個(gè)無(wú)縫多通道邊緣融合系統(tǒng)而言，投影機(jī)、邊緣融合機(jī)、幕布系統(tǒng)和環(huán)境控制，這四個(gè)因素只有相互配合才能構(gòu)成完美的多通道融合效果。在應(yīng)用邊緣融合技術(shù)時(shí)，對(duì)快速的過(guò)渡帶調(diào)節(jié)能力；融合帶像素寬度完全可調(diào)；豐富的投影分辨率支持；超高的硬件實(shí)時(shí)性能；完全點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的超高分辨率融合；以及采用分布式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模融合投影技術(shù)性能等，這些技術(shù)要求對(duì)設(shè)計(jì)整個(gè)多媒體系統(tǒng)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]周進(jìn).我國(guó)博物館陳列設(shè)計(jì)思想發(fā)展研究[[D].上海：上海復(fù)旦大學(xué).2013.

[2]蔣樹(shù)強(qiáng)，馬思偉，張史梁，等.多媒體技術(shù)發(fā)展報(bào)告[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.