大屏幕边缘融合投影系统原理及工程应用

2011-06-07上海金桥信息股份有限公司易学军

智能建筑与智慧城市 2011年8期

文｜上海金桥信息股份有限公司易学军

追求亮丽的超大画面、纯真的色彩、高分辨率的显示效果，历来是人们对视觉感受的一种潜在要求。大到指挥监控中心、网管中心的建立，小到视频会议、学术报告、技术讲座和多功能会议的进行，对大画面、多色彩、高亮度、高分辨率显示效果的渴望越来越强烈，而传统的电视墙、投影硬拼接屏和箱体拼接墙等很难满足人们在这方面的要求。最近迅速崛起的边缘融合技术是近年来兴起的一个新的无缝拼接技术，它更好的改善了拼接图像的视觉效果，正在逐步成为适应这一需求的有效途径。

1 边缘融合技术的由来

边缘融合技术就是将一组投影机投射出的画面进行边缘重叠，并通过融合技术显示出一个没有缝隙，更加明亮、超大、高分辨率的整幅画面，画面的效果就好象是一台投影机投射的画质。

当多台投影机组合投射一幅画面时，会有一部分影像灯光重叠，边缘融合的最主要功能就是把多台投影机重叠部分图像亮度逐渐调低，使整幅画面的亮度一致。

边缘融合投影技术经历了三个发展阶段：硬边拼接、重叠拼接和边缘融合拼接。

（1）硬边拼接（又称简单拼接）：即两台投影仪的边沿对齐，无重叠部分。显示效果上表现为整幅画面被一道缝分割开。如果投影仪边缘未做亮度增强处理，该接缝显示为黑色，如果投影仪边缘做了亮度增强处理，该接缝显示为白色。如图1所示。

图1 硬边拼接（简单拼接）

（2）简单重叠：即多台投影仪的画面有部分重叠，但没有做融合处理，因此重叠部分的亮度为整幅其余部分的2倍，在显示效果上表现为重叠部分为一亮条。如图2所示。

图2 简单重叠

（3）边缘融合：与简单重叠方法相比，左投影仪的右边重叠部分的亮度线性衰减，右投影仪的左边重叠部分的亮度线性增加。在显示效果上表现为整幅画面亮度完全一致。如图3所示。

图3 边缘融合

2 边缘融合技术特点

边缘融合的应用来源于模拟仿真系统，是适应人们追求亮丽的超大画面、纯真的色彩、高分辨率的显示效果的需求而产生的，它在增大画面，提高亮度、分辨率等方面有着十分明显的优势。

2.1 增加图像尺寸与画面的完整性

多台投影机拼接投射出来的画面一定比单台投影机投射出来的画面尺寸更大，鲜艳靓丽的画面能带来不同凡响的视觉冲击。另外，采用无缝边缘融合技术拼接而成的画面，在很大程度上保证了画面的完美性和色彩的一致性。

2.2 增加分辨率

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。比如，一台投影机的物理分辨率是1400×1050，三台投影机融合25%后，图像的分辨率就变成了3500×1050。

2.3 超高分辨率

利用带有多通道高分辨率输出的图像处理器，可以产生每通道为1600×1200像素的三个或更多通道的合成图像。如果融合25%的像素，可以通过减去多余的交叠像素产生4000×1200分辨率图像。目前，国内外市场上还没有可在如此高的分辨率下操作的独立显示器。其解决办法为使用投影机矩阵，每个投影机都以其最大分辨率运行，合成后的分辨率是减去交叠区域像素后的总和。

2.4 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（4000×3000mm）的屏幕，如果要求没有物理和光学拼缝，将只能采用一台投影机，投影距离=镜头焦距×屏幕宽度，采用广角镜头1.2∶1，投影距离也要是4.8m。现在采用了融边技术，同样画面没有各种缝痕，距离只需要2.4m。

2.5 特殊形状的屏幕上投射成像

比如，在圆柱或球形的屏幕上投射画面，单台投影机就需要较远投影距离才可以覆盖整个屏幕，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。

2.6 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，同时配合高质量的投影屏幕，就可使得整个显示系统的画面层次感和表现力明显增强。

3 边缘融合投影系统的实现方式

进行边缘融合无缝拼接的目的，一是增加投影屏幕尺寸使其达到数倍于单屏投影的最大尺寸；二是在这个尺寸上面显示更多、更精细的内容，并在这两个目的实现的基础上，将因拼接而产生的接缝（黑缝或重叠亮线）消除。

（1）实现边缘融合无缝拼接需要两个步骤：

第一步，边缘叠加（edge overlapping）；

第二步，边缘叠加部分的消隐（edge feathering）。

边缘融合技术就是将一组投影机投射出的画面进行边缘重叠，并通过融合技术显示出一个没有缝隙，更加明亮、超大、高分辨率的整幅画面，画面的效果就是一台投影机投射的画质。当两台或多台投影机组合投射一幅画面时，会有一部分影像重叠，边缘融合的最主要功能就是把两台投影机重叠部分的影像亮度逐渐调低，使整幅画面的亮度一致。多台投影机拼接投射出来的画面一定比单台投影机投射出来的画面尺寸更大；鲜艳靓丽的画面，能带给人们不同凡响的视觉冲击，采用无缝边缘融合技术拼接而成的画面，在很大程度上保证了画面的完美性和色彩的一致性，如图4所示。

图4 采用边缘融合技术后显示效果

（2）在实际应用中的三种方式，如图5、图6、图7所示。

图5 宽视角的排列

图6 多台投影机垂直堆积产生纵向的显示画面

图7 多台投影机堆积出更高更宽幅的超大画面

一般设计边缘融合的步骤为先确定大概尺寸，确定投影机的数量，选择投影机（确定投影机亮度、分辨率、镜头），选择屏幕（考虑屏幕增益、均匀度、平整度），选择融合处理器，预设软边融合的区域值，安装及校准屏幕和投影机，调试系统及测试。

（3）实际案例现场图，如图8、图9所示。

4 FreeWindowTM边缘融合控制处理器的功能

（1）FreeWindowTM多视窗无缝融合控制处理器的功能

图8 全屏模式

图9 多窗口模式

通常的多视窗显示系统均常用有缝拼接的投影单元组成，而常用的无边缘融合系统又无法支持多路信号的输入。FreeWindowTM多视窗无缝显示系统完美地集成了上述两大功能，为需要无缝显示多路视窗的用户提供了一种全新的显示手段。

FreeWindowTM内置边缘融合和几何校正控制系统，可以将多路视频、RGB或者来自网络图像的信号组成一个连续的无缝拼接的画面。在这个连续的多通道画面中，每路输入信号都以独立的窗口形式出现，用户可以自由定义每个窗口的大小、尺寸、位置，以及相互间的叠合和透明关系。

FreeWindowTM不仅能够输入多路视频、RGB或DVI信号，还可以通过网络输入多路计算机桌面信号，这样远程的信号也就能被方便地显示在大屏幕上，这进一步扩展了系统的应用能力。

（2）FreeWindowTM S2多视窗无缝拼接系统主要功能

①内置边缘融合及几何校正

内置边缘融合和几何校正控制系统，可以将多路视频、RGB或者来自网络图像信号，组成一个连续的无缝的拼接画面，带来完美的视觉效果。

②SameFrameTM多通道精确同步技术

多通道无缝拼接不仅仅需要融合和几何校正，还需要让多通道的内容同步，这样才不会出现画面撕裂现象。SameFrame技术使得FreeWindow系列多通道显示精准的同步视觉效果。

③边缘处理和信号播放同步处理

由于自带边缘融合和几何纠正处理模块，无需另外采购边缘融合几何纠正器，安装简单，节省成本。而且，由于两个环节同步处理，信号播放无延迟。

④支持多画面显示

支持强大的多画面图像处理与显示能力，支持多达4路视频信号、2路RGB信号和背景图像显示。所有信号可以按照窗口方式任意大小、任意位置显示。可自由移动、任意缩放、任意叠加显示。显示模式可以保存，随时调取。

⑤支持拼接的跨屏、快速拖动、叠加显示、多种显示

支持各种信号跨屏显示、快速拖动、叠加显示、融合区显示正常，没有拖尾和延迟的现象产生。支持背景图像选择，也可以将采集信号全屏作为背景，支持边框色彩和宽度的调节，可以任意控制窗口的隐藏显示。

5 采用多视窗无缝显示系统实际案例现场图

以深圳市规划局城市交通仿真实验室边缘融合技术的大屏幕系统为例。该工程位于深圳市福田区红荔西路8009号规划大厦2楼东侧，是深圳市交通仿真实验室建设的重要组成部分。交通仿真大屏幕有效显示面积：长×高=9m×2.25m。

交通仿真大屏幕显示系统采用4x1正投无缝屏幕结合融合拼接处理，有效消除任何物理缝和光学接缝，使画面成为一个真正的整体。除了背景图像之外，还可同时在整个显示墙区域上显示不少于12个不同的信号源窗口，可将其中的一路信号以背景方式覆盖到整个显示墙上，其余的信号以窗口方式叠加在上面，可按照用户的意愿任意改变窗口的位置（叠加、跨屏等）。

交通仿真投影机采用高亮度三片式DLP投影机、色彩阶度匹配处理，以满足多屏拼接系统色彩和亮度均匀一致性的需要。投影机亮度输出可达到6000ANSI流明，对比度1600∶1，分辨率 1400×1050。投影机具有TCR真彩还原技术，色彩鲜艳、真实再现的清晰投影。投影机具有密封的DLP引擎，具有多种变焦镜头可选，满足现场安装环境；投影机具有智能双灯技术，保证了稳定性；投影机具有多路信号输入，具有信号无缝切换功能，可以同时输入、显示3路以上视频／VGA信号，投影机的镜头根据现场的平面布置计算选择；噪音级小于43dB，最大功耗700W。软边拼接控制器支持多输入、多输出显示，能提供灵活的数字/模拟输入和输出选项、强大的软件功能，可在一个宽屏的、多通道之间边缘融合的投影设置中以窗口方式显示一系列输入信号源窗口，并且还能够提供多种显示效果。

工程完工后效果，如图10所示。