多通道边缘融合

1、多通道边缘融合1.多通道边缘融合技术简介多通道投影技术的应用已经有十年以上的历史，最早这一高端技术被应用 于虚拟仿真领域，早期的多通道投影采用CRT投影机，整个系统庞大复杂， 背后的计算需要大型服务器整列支撑，这一技术的出现解决了无法显示超大画 面的问题，突破了单个屏幕的技术极限，这一技术优势一直保持到现在的多通 道边缘融合投影技术的应用中，可以说获得超大幅面的整体画面是多通道边缘 融合投影技术的首要目的和优势。随着现代投影技术的发展，单台投影机的投 射幅面也在不断增大，常常会有疑问，为什么不能用一台大幅面投影机代替多 通道投影？答案往往是否定的，原因在于以下几个因素：（1）单台大幅面投影机的

2、总分辨率再高也不能适用于总分辨率高于4K以上 的场合（2）单台大幅面投影机即使是最高端的也无法投射出超宽幅图像的同时保持 亮度（3）单台大幅面投影机要保证宽幅亮度其价格高出整个边缘融合系统更多（4）单台大幅面投影机只有一个投射位无法实现灵活的投射图一：单台投影机无法实现的宽幕效果而如果应用多通道无缝边缘技术来实现宽幅画面具有以下优点：1、增加图像尺寸，增加画面亮度多台投影机拼接投射出来的画面远远比单台投影机投射出来的画面尺寸大，同 时使用相同价位的投影机可以获得更高的总体亮度，由于投影机的价格在亮度 超过一定范围后呈指数增长，因此采用多台中两度的投影机加上融合设备的成 本反而远低于单台超高亮度

3、的投影机的系统成本，同时鲜艳靓丽的超宽幅画面， 能带给人们不同凡响的视觉冲击，通过采用无缝边缘融合技术拼接而成的画面， 要很大程度上保证了画面的完美性和色彩的一致性。2、增加整体显示分辨率每台投影机投射整幅图像的一部分，这样展现出的图像分辨率被提高了， 这种超高分辨率对于要显示大规模地图或者超高清宣传视频是必须的。比如， 一台投影机的物理分辨率是1024 x768，三台投影机融合25%后，图像的分辨 率就变成了 2560 x768 o3、缩短投影距离随着无缝拼接的出现，投影距离的缩短变成必然。比如，原来200英寸(4000 x3000mm)的屏幕，如果要求没有物理和光学拼缝，我们将只能采用 一

4、台投影机，投影距离 =镜头焦距x屏幕宽度，采用光角镜头1.2:1，我们的投 影距离也要4.8米，现在，我们采用了融边技术，同样画面没有各种缝痕，我 们的距离只需要2.4米，对于有限空间而言，投射距离减少意味着施工灵活度 和空间成本的减少。4、灵活的投射布置选择单台投影机在投射大画面时即使投影机的性能再好也无法规避物理空间上可 能存在的遮挡和实际工程环境的复杂因素，而采用多台投影机融合，通过多台 投影机的灵活配合，可以适应不同的展示环境需求，极大丰富应用。5、构建特殊的投射面效果有些应用场合需要使用穹顶式，柱面式，甚至是任意曲面形状的投射面， 单台投影机就需要较远投影距离才可以覆盖整个屏幕，这使

5、得亮度急剧下降， 同时特殊形状在分块处理时才容易做到，单台是很难达到构图灵活性的，而多 台投影机的组合不仅可以使投射画面变大投影距离缩短，而且可使弧弦距缩短 到尽量小，对图像分辨率、明亮度和聚集效果来说是一个更好的选择。6、增加画面层次感由于采用了边缘融合技术，画面的分辨率、亮度得到增强，环绕沉浸体验 也是单台投影无法比拟的，同时配合高质量的投影屏幕和环境光线，可使得整 个显示系统的画面层次感、临场感和表现力明显增强。图二：典型的多通道边缘融合系统因此综合性能，灵活性和成本因素多通道无缝投影一直是大规模显示领域的首 选方案，并且随着投影技术和多通道融合技术的发展其应用领域也从单纯的仿 真领域向

6、展览展示、指挥中心、教育应用、虚拟现实甚至是高端家用娱乐扩展， 而随着3D技术的发展，多通道3D沉浸式无缝投影更成为应用热点，因此随 着技术的进步，多通道无缝投影技术会越来越多的走人更多的应用场合。计算机显卡DHI输出图像（输入到融合机）1920768Mviewtech筋:凡到投影机的图像硬件融合机扩展分割过渡带生成，融合处理融合带图三：双通道边缘融合的原理示意多通道无缝投影技术有如上优点的前提是多通道无缝投影融合机的保证，通过 融合机的画面处理能力，多台投影机被连成一个整体，而构成一个整体画面的 技术本质就是边缘融合，多个投影面要连接在一起构成整体可以选择两种方式， 一种是直接对准，也就是业

7、内称为的硬拼方式，这种方式下会存在光学缝隙， 大大影响了画面的可观赏性和整体感，同时在应用于交通指挥、地图显示和仿 真领域更可能造成画面的信息误判。另一种方式即边缘融合无缝拼接就克服了 硬拼方式的缺陷，其消除光学缝隙的原理在于采用了叠加带生成，边缘羽化融 合和色度校正的综合图像处理技术。实现边缘融合的第一步是公共像素叠加带的生成，融合机需要为相互准备融合 的左右两边投影机分别生成一个相同的融合带，即所谓的公共像素部分，这个 公共像素部分最终是两台投影机叠加投影的地方，公共像素带的选择主要取决 于画面幅面要求和融合效果，一般来说公共像素带宽度增加可以优化融合效果， 但是增加公共像素带宽度会减少总

8、有效显示像素，因此一般折中考虑，工程上 大多选择单台投影机像素数的15%-30%左右大小的公共带，优秀的多通道边 缘融合机应该可以做到公共带从0到单画面像素的30%的总范围内连续可调， 才可以适应不同的工程需求灵活应对。叠加带的生成从技术实现角度上分为两大类，一类是通过拉伸覆盖，一类通过 源区块选择，前者的叠加是通过把画面扩展到低价带实现，存在画面的缩放， 对画面质量有影响，常常在按融合和基于ASIC的硬件融合机中使用，其优点 是实现容易，但是效果不好，对画面有损伤。后者通过对画面的直接重新组合， 对画面质量没有影响，其缺点是对画面处理要求高，但是有点是对画面的真实 再现，效果优秀。边缘羽化融

9、合是在相融合的两台投影机的公共像素带部分做两边相反的过渡 处理，使得实际光照叠加后平滑过渡，其基本原理是采用S曲线进行基于位 置的亮度衰减，在图像处理领域对亮度过渡有很多算法，但工程应用中要适应 不同的投影机、幕布和环境光线，任何固定的公式都无法覆盖所有的应用环境， 因此融合曲线必须是完全可调的，最优秀的融合过渡曲线条件是完全可编程的 并且是实时可调的，因为再复杂的算法预计算都比不上工程现场所见即所得的 实时调节，因此好的边缘融合机应该具备完全可调的架构，调节速度必须非常 迅速同时调节方式要易于使用，边缘融合的最终目标是最终多台投影机就像使 用一台一样便利。图四-1 :边缘直接叠加亮带图四-2

10、：羽化过渡融合后自然过渡色度校正主要用于对多台投影机间参数的调节和一致性校正，在运用多通道无 缝投影系统时一般采用同一批次同一使用时间的投影机，随着投影机技术的完 善其一致性和投影机本身的可调性也日趋完善，一般不建议对投影机未融合部 分做过多的画面处理，这样容易损坏画面本身的真实内容，这也是国内多通道 无缝投影领域的一个常见误区，以为对全画面处理是设备高性能的表现，而事 实上采用全画面处理往往是部分低质量边缘融合机为了掩盖融合带处理能力 不完善而采取的降低画面质量的补救，目前技术发展的趋势是充分应用投影机 本身的调节能力，因为投影机本身的调节是投影机厂家在电子和光学领域针对 该款投影机充分验证

11、过的，是最大限度不损伤画面的调节为前提的，因此色度 校正的目标是以最小的画面处理获得一致性。通过多通道边缘融合机的图像处理，多台投影机的输出图像通过适当的过 渡叠加最终实现了多个通道共同无缝构成一个超大画面，实现超高分辨率超宽 显示效果。多通道边缘融合技术性能指标对比多通道边缘融合系统随着对超高清和超宽幕的需求的日益增长，处于蓬勃 发展之中，但是面对市面上不同的多通道投影边缘融合系统，无论是最终用户 还是工程用户都存在对设备性能的客观评价问题，本文旨在从软硬件内部架构 的角度深度解析不同产品的性能和指标，避免一些多通道边缘融合机选择上的 误区。谈到多通道边缘融合系统，常常被粗略分为两大类，一大

12、类是采用软件 融合的方案，即业内简称软融合的方案，另一类是采用外置硬融合的硬融合方 案。由于直观认识上的误区，很多用户往往认为只是跑一个软件的方案就是软 融合，有一个外置设备的就是硬融合，实际上市面很多声称外置硬融合机的本 质也是软件融合，其实现方式是采用计算机采集卡采集输入图像，再内部软件 运算处理后再通过这台中间计算机输出，这种方式根本上还是基于计算机软件 运算的多通道边缘融合方式，其相对于纯软件方案的优点是可以避开纯软件融 合方案对显示内容的兼容性问题，但是这种方案的成本和硬件解决方案已经无 异，却没有完全解决软件融合的缺点。图一：边缘融合处理机的简单分类对于软件融合，并不能一概说软件融

13、合技术本身相较硬件方案性能差，从 全息成像技术原理上，软件融合是可以做到良好的效果和非常高的灵活度的， 但是软件融合要达到这样的高度的前提是融合软件有着极高的质量且其运行 的平台也有着极高的稳定性。就目前来看，由于多通道边缘融合软件本身有一 定的复杂性，同时其商业化开发还远没有达到软件成熟度模型的基本水平，因 此目前市面的多通道融合软件方案普遍存在着运行不稳定，CPU占用率高， 融合效果不好，灵活度差的问题，即使是宣称采用GPU计算等先进技术的软 件也同样受其软件本身质量的限制，应该说不经过大投入的软件研发和完善的 软件测试是不可能设计出高性能高可靠性的多通道边缘融合专用软件的。同时， 即使假

14、设融合软件本身的质量没有问题，但是因为运行的计算机平台本身也存 在一定的可靠性失败概率，因为任何基于民用操作系统的系统都会因为操作系 统本身的稳定性和受病毒等的干扰而出现问题。软件复杂度，质量和系统平台 的不确定性使得无论是本机运行融合软件的纯软件融合方案还是基于外置计 算机采集再融合的方案都具有很大的局限性，都无法胜任高可靠性要求的活动 演出场合。就硬件融合来说，是否硬件多通道融合方案都是具备宣称的高性能呢？答 案也是否定的，就目前市面的多通道硬件边缘融合产品来看主要可以分为两大 类（这里不把上述基于计算机加融合软件的外置方案作为硬融合）：基于商业 图形ASIC的方案和基于FPGA的实现方案

15、。商业图形ASIC具有成本低的优 点，其用于边缘融合可以完成一些基本的功能，但是其最大的问题在于任何商 业ASIC方案都是针对单个现实器或者投影机的，其设计之初就没有考虑用于 多通道投影的应用，这就导致使用商业ASIC方案的产品在应用于多通道边缘 融合这一特殊场合时不能灵活适应，在融合过渡带的处理上，采用商业ASIC 方案的多通道边缘融合系统仅能通过芯片提供的图像层的叠加功能模拟近似 边缘融合的过渡带，但是这种近似毕竟不是真实的边缘融合，对边缘融合的实 际像素存在损伤，且灵活度受限于商业ASIC的能力比较差，调节也不便利， 同时商业图形图像ASIC因为从设计成本考虑，其芯片本身的处理带宽不会超

16、 过单个显示设备的带宽，一般最高1920 x1200分辨率，这使得基于商业ASIC 方案的多通道硬件边缘融合机的内部带宽受到很大限制，在最终实现融合机时 往往采用对输入图像进行缩放的方式减低内部带宽压力来处理，这也是以牺牲 图像质量为代价。因此从实际显示和融合效果来看可以发现这类基于商业 ASIC方案的硬件多通道边缘融合机一是对图像质量有损伤，二是融合过渡带 效果不好，这样的硬件融合方案与多通道投影所追求的高分辨率，无缝平滑的 要求是相背离的。基于FPGA实现方案的硬件多通道边缘融合，由于采用内部的编程架构，在 技术上可以实现非常灵活的处理算法，同时也可以拥有很高的处理带宽，在全 息影像技术起

17、点上远高于采用商业ASIC方案的硬件多通道边缘融合机，但并 不能说平台优秀就性能优秀，基于FPGA实现方案的硬件多通道边缘融合机 要发挥出优势的前提是硬件设计上的深厚功力和逻辑算法的先进设计，对于用 户来说无法检验其内部结构的技术，但是对于采用FPGA实现方案的硬件多 通道边缘融合机可以从其产品的性能检验其硬件设计的灵活性和算法的先进 性，其最主要判决标准是两点：（1）多通道边缘融合机输入的视频最高无损分辨率大小，且是否可以点对点 无损输出（2）融合带的完全可调节能力对于多通道边缘融合投影系统而言，决定最终的整体图像质量的也是如上 两点。目前市场上几乎所有的多通道边缘融合机都表明输出总分辨率和

18、通道数， 但是这并不能真实的反应硬件多通道边缘融合机的实际性能，因为很多多通道 边缘融合机采用内部缩放方法对图像拉伸到更大的分辨率，而其实际有效像素 并不高，也不随通道数增加。任何图像放大处理后的画面质量都低于采用点对 点方式直接显示的质量，原因是放大处理的本质是插值，而插入的任何值不管 使用多么先进的算法都是通过估值的方法“无中生有”的，这就是为什么一个 普通VCD画面放到高清电视上不管处理多么先进也无法达到真正的高清效果， 而对于多通道边缘融合这样的超宽幅视频系统而言，只是简单的高清分辨率被 拉伸到整画面也是不可接受的，对于多通道边缘融合显示优秀的效果是能够全 带宽处理输入输出点对点的超高

19、清信号，一般可以支持输入双通道DVI且具 备点对点输出处理能力，同时支持双通道DVI还需要支持最大达到330Mhz 满带宽视频处理能力，在数值指标上比如在256均匀像素融合带条件下实现点 对点输入支持（两通道 1080P）,3328x76860Hz （四通道 1024x768）,5248X1080P 50HZ（三通道 1920 x1080）,3680 x105060Hz（三通道 1400 x1050）, 4864x76860Hz（六通道1024x768）等分辨率。基于FPGA实现方案的硬件多 通道边缘融合机只有具备这样的内部和外部处理能力就说明其硬件设计的先 进性，也使其具备超越ASIC硬件融

20、合方案的能力，如果是采用内部缩放能力的FPGA处理那其效果就会大打折扣甚至不如采用ASIC硬件融合方案。除了 输入分辨率的超高分辨率处理能力，采用可编程FPGA实现方案的硬件多通 道边缘融合还应具备输入分辨率灵活的调节能力，不是仅能支持有限的几种分 辨率，而是可以点对点支持多种甚至是可配置的分辨率，这就可以说明该产品 的硬件可编程实现的架构灵活，也就可以做到更高的效率和更高的可靠性。采用可编程FPGA实现方案的硬件多通道边缘融合另一点检验其设备性 能的方法是检验其调节融合区域融合带的灵活性和速度，实现优秀的可编程硬 件多通道边缘融合机其融合带不仅可以融合宽度在宽范围内连续可调，同时其 融合曲线

21、，过度趋势，黑位控制等都可以灵活调节，同时这些调节是可以实时 完成的，不需要复杂繁琐的设置，对于过渡带的过渡调节利用硬件可编程的能 力应该能够做到秒级调节，直观见效的方式，甚至是所见即所得的实时调节效 果，如果具备这样的能力说明该可编程硬件多通道边缘融合机在融合带处理方 面的设计完善，能够提供很好的融合效果。除了上述输入超高分辨率点对点能 力和融合带调节实时性能指标以外，硬件融合机的处理时延，融合机的启动时 间，融合机的功耗性能也都是重要的参考指标，优秀的硬件融合机具有无论任 何分辨率下可控的确定性时延，且时延性能为微妙级，而启动时间为妙级，功 耗单通道为十瓦以内。架何完蓉的基FPGA的硬件成

22、台机性能心图瑕ASIC的破怦融合机性能图二：两种架构硬件融合机性能的比较综合看来，能够通过上面的几项检验标准来判断硬件融合机的性能，对于 采用内部硬件可编程的硬件融合机，上述指标可以直接检验出产品内部架构的 先进性。总体上来看，多通道无缝边缘融合技术还处于不断发展之中，软件融 合必须解决软件的质量和平台可靠性问题才能真正有竞争力，而架构设计完善 的可编程多通道硬件融合机性能要远高于采用ASIC方案的硬件融合机，且具 备硬件可编程特性适应性和可升级性更好，因此建议用户采用硬件可编程方案 多通道硬件融合机，相信新型产品的涌现，更多的用户可以享受到可编程多通 道硬件融合机带来的性能优势，实现真正意义

23、上的无缝超高清显示。构建完美的多通道融合效果对于构建整个无缝多通道边缘融合系统而言，主要有四大主要因素（1） 投影机（2）边缘融合机（3）幕布系统（4）环境控制，只有这四个因素相互 配合才能构成完美的多通道融合效果，如果选择不当，哪怕是其中某个系统的 性能非常优秀也无法补救其他系统的缺陷，而过度追求其中某一项的性能也并 不能直接提高融合效果，下面分别分析四大因素的影响和选型建议。图一：完美多通道边缘融合系统四要素无缝多通道边缘融合系统的投影机选择是首要因素，可以说投影机的选择 是前提，选择了错误的投影机会使这个多通道投影系统的性能大大下降，因为 投影机本身的选型是很多综合因素的问题，也不是本文

24、可以覆盖的，这里只分 析多通道投影领域的关键选择指标，在多通道无缝边缘融合系统中，首先要结 合最终的画面大小和投射距离选择投影机的分辨率、亮度和通道数，因为这三 个指标是多通道投影中选择投影机的基本指标，当然这些选择还要根据系统预 算进行综合考虑，常用工程投影机的分辨率为1024x768分辨率，在该分辨率 上有很宽的亮度选择范围，如果想减少通道数达到同样的投影幅面可以采用宽 幅分辨率投影机例如1280 x800投影机，在有些场合需要画面纵向幅面较高的 场合投影可以选择1920 x1080或1400 x1050分辨率的投影机，一般不建议采用 纵向融合，主要原因是正投投影吊装会造成难度，同时纵向融

25、合对融合机的要 求较高，一但融合效果不好将适得其反，当然如果最终投影效果要求画面具有 很高的纵向分辨率就只能考虑使用纵向融合。在选择用于多通道投影的投影机 时对比度是一个非常重要的指标，一般建议用户使用2000:1以上对比度的投 影机，使用1000:1以下的投影机由于全黑的漏光在叠加时会很明显，任何数 字校正补偿都无法消除全黑状态下的漏光亮度叠加，这个时候只能用黑位补偿 或者用光学衰减法，但是前者会降低画面的动态范围，对总体显示效果有影响， 后者对设备固定的要求较高，在这种情况下只有光学衰减法结合数字动态补偿的边缘融合机才能够比较完美的解决投影机低对比度的问题，当然一般建议用 户直接选择高对比

26、度投影机就可以直接避免该问题，简化工程难度节省成本， 一般来说采用DLP投影机是获得高对比度的常用途径，因为即使是低端的 DLP投影机做到1500:1以上的对比度也很轻松，同时DLP投影机的色差一般 较小也有利于画面总体性能的提高。对于基于LCD技术的投影机，一些相对 老一些的产品对比度做的比较低，建议采用新一代LCD投影机，他们通过补 偿和LCD性能提升已经可以实现很高对比度了。在选择高对比度投影机时， 要注意对比度性能指标是ANSI对比度还是开关对比度，前者采用棋盘格图像 进行对比度测试，一般同样一台投影机的ANSI对比度要远低于开关对比度， 建议用户选择2000:1以上的对比度指的是开关

27、对比度，如果是ANSI对比度 就要低很多。图二：ANSI对比度的棋盘格测试图像无缝多通道边缘融合系统的边缘融合机是系统中的核心设备，一般硬件边 缘融合机主要有基于PC架构加采集卡结合边缘融合软件，基于图形ASIC方 案和基于可编程FPGA方案的，基于PC架构加采集卡结合边缘融合软件基本 上可以认为是软融合的一种变形，其性能和稳定性还无法做到高质量，主要是 因为国内的边缘融合软件没有经过大量的投入研发和完善的测试，都没有达到 真正的软件成熟度模型要求，同时基于PC加采集卡平台也天然决定了这类系 统的性能和可靠性不高，因此建议用户在性能和可靠性要求高的场合谨慎选用 这类设备。基于图形ASIC方案的

28、硬件边缘融合机稳定性有了提高，但是灵活 性不好，内部处理带宽有限，最大的问题是融合效果和图像质量不高，其实际 有效图像分辨率和融合效果是硬件融合机中最低的，基于可编程FPGA方案 的硬件融合机具有优秀的平台基础，如果架构设计合理可以获得极高性能，一 般如果基于可编程FPGA方案的硬件融合机能够具备超高分辨率（如双通道 DVI）且是点对点输出，融合带完全任意可调，调节迅速，图像延时极低的， 主被动投影都支持，这些特性，那该硬件融合机的可编程FPGA架构就是设 计合理的高性能产品，这种的硬件融合机是今后硬件融合机的主流，并且好架 构的硬件融合机成本也会因为简化冗余而下降，相信在近年内，新架构的硬件 融合机完全可以在性价比上完胜软件融合和其他硬件融合机，建议用户选用这 类先进架构的硬件融合机可以获得完美的效果，同时从工程角度考虑题，融合 带完全可调且调节速度快的设备也会极大缩短调试负担和专业人员需求也间 接节省了开支。无缝多通道边缘融合系统的投影幕布也是实现完美效果的不可忽视的环 节，建议用于多通道边缘融合投影的投影幕的增益一般小于1.2。不要使用高 增益幕布，那些增益很大的幕布在单投影时可以增强反射能力，但是在多通道 无缝投影当中却会适得其反，屏幕的增益越小，可视角度就越大；屏幕的增益 越大，可视角度就越小。如果从正面看，增益大的投影幕