浅谈边缘融合大屏幕无缝拼接技术

朱继鸣

（武汉市国土资源和规划信息中心，湖北 武汉430015）

1 概述

随着显示技术与控制技术的不断融合和发展，在高端的工程领域，通过拼接而成的大屏幕显示图像得到了广泛的应用，它所带来的超大画面、多屏显示以及清晰、逼真的显示效果使得模拟仿真、安防、会议、监控等领域的工作效率得到大幅改善，同时也促进了这些行业的技术水平快速进步。

但是传统的电视墙、投影硬拼接屏和箱体拼接墙等大屏幕拼接技术存在画面有物理缝隙、色调不统一等问题，很难满足人们对亮丽的超大画面、完整画面、纯真的色彩及高分辨率显示效果追求的要求。而如今迅速崛起的边缘融合技术能有效解决大屏幕无缝拼接问题，它更好的改善了拼接图像的视觉效果。本文将对边缘融合大屏幕无缝拼接技术的概念和发展、技术特点、实现方式、系统组成和设备选型、设计和应用维护等方面作全面介绍。

2 无缝拼接技术概念及发展

无缝拼接技术是一种最新的大屏幕拼接技术，主要是指整幅投影画面由不同的投影机投射画面拼接组成，每个单独的投影画面拼接中有着投影光线和画面内容的重叠部分，通过软硬件的结合处理，消除光线重合部分的多余亮度，从而确保整幅画面上面没有任何接缝，亮度均匀一致，给观众完美的视觉冲击。通常情况下，采用无缝拼接技术处理的大屏幕拼接系统中首先确保屏幕是整张无缝的，整幅投影画面没有光学拼缝和物理拼缝。

无缝拼接技术的发展共经历了纯硬件融合技术、纯软件融合技术和软硬件融合技术三个阶段。纯硬件融合技术是通过光学的遮光处理来融合图像，纯软件融合技术是通过电子线路的处理来完成图像的融合，软硬件融合技术是指既有光学遮光融合处理，又有电子融合处理。由于硬件融合能较好地处理融合图像的黑平衡，而软件融合能较好处理图像的白平衡，这两者相结合的软硬件融合技术就能够比较完美地实现融合部分色彩图像的真实再现。

从拼接效果上来说，无缝拼接技术也经历了三个发展阶段：硬边拼接、重叠拼接和边缘融合拼接。

2.1 硬边拼接：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。硬边拼接有明显分割线(即物理拼缝)，无法实现全景的一体化显示。

2.2 重叠拼接：即两台投影仪的画面有部分重叠，但没有作淡进淡出处理，因此重叠部分的亮度为整幅画面其余部分的2倍，在显示效果上表现为重叠部分为一亮条，即两台投影机投出的图像在拼合处以叠加的方式重叠。这种拼接显然存在着拼合处由于亮度叠加而出现过亮区域的弊病，影响到无缝效果的实现。

2.3 边缘融合拼接：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。通过边缘融合技术的处理，既实现了两边的完全融合，又消除了重叠拼接引起的过亮区域，并且边缘融合拼接可以适应平面、柱面、球面等各种曲面形状的拼接，具有更加广泛的适用性。

3 边缘融合技术的特点

3.1 显示画面大，画面完整性强

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，显示区域更广，实用性更强；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，很大程度上保证了画面的完美性和色彩的一致性。

3.2 提高画面整体分辨率

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提高了。比如，一台投影机的物理分辨率是800x600，三台投影机融合25%后，图像的分辨率就变成了2000x600。

3.3 超高分辨率

利用带有多通道高分辨率输出的图像处理器、计算机及投影机矩阵，可以产生每通道为1600x1200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的4000x1200分辨率图像。目前市场上还没有可在如此高的分辨率下操作的独立显示器。

3.4 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（4000x3000mm）的屏幕，如果要求没有物理和光学拼缝，我们将只能采用一台投影机，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，我们采用了边缘融合技术，同样画面没有各种缝痕，我们的距离只需要2.4米。

4 边缘融合系统与传统拼接的差异

边缘融合拼接系统和传统拼接相比较，主要有以下差异：

4.1 在传统拼接系统中，由于采用多块单独屏幕组成一个屏幕显示体，各个屏幕之间虽然采用同一材料，但是由于制作时间、制作环境上的不同，使得不同屏幕的热胀冷缩存在客观差异，这就导致整个系统在使用一段时间后会出现一些小的物理变化，进而影响整个系统的稳定和效果。而融合拼接由于采用了一整块屏幕，制作时间、材料、工艺水平完全一致，从而消除了上述隐患。

4.2 在融合拼接中，由于采用整幅屏幕，所以消除了传统拼接存在的屏幕间的物理缝隙，使得屏幕显示图像整幅保持完整，无人为分割。而采用融合处理技术后，更消除了光学缝隙，这样和普通硬拼接系统相比，在技术水平和显示效果上，就有了质的差异和提高，从而使显示的图像完全一致，无任何物理或光学分割，保证了显示图像的完整性和美观性。这在显示地图、图纸等图像信息时更为重要，因为在图纸、地图上存在大量的线条或路线等，而屏幕缝隙和光学缝隙就会造成图像显示污染，容易使观察人员把显示的图像线条和拼接系统本身的线条误为一体，导致决策和研究失误。而通过融合处理，就可以避免出现这种情况。

4.3 在融合拼接系统中，所有图像都经过融合处理器进行了校正和统一，这样在大屏幕上进行图像显示和切换时，无论切换什么格式的图像，整个屏幕的亮度、色彩、鲜艳度、均匀度都比较一致，不会出现传统拼接系统中经常出现的由于信号更换而导致系统显示质量的变化。

4.4 在融合拼接系统中，由于在处理器中对投影显示图像进行了处理，可以对不同投影信号间的色差、亮差、均匀度进行调整，这也使得该系统显示的图像质量优于传统拼接系统。

4.5 边缘融合图像处理器除了具有边缘融合和图像多画面处理功能外，还具有图像存储和调用功能，可以把本身存储的高分辨率图像直接作为大屏幕系统的背景进行显示，这在实际使用中非常有实用价值。

边缘融合拼接系统与传统拼接画面比较如下：

5 边缘融合的实现方式

边缘融合系统中主要是图像部分必须有一定的重合，俗称为融合带，重合尺寸按照实践经验和理论值，一般为10%-20%。根据屏幕大小、屏幕质量、投影机的分辨率、融边器等参数，会有所不同。边缘融合系统中的融合带宽窄，直接影响了整幅画面的亮度均匀性和色彩一致性，所以，选择合适的融边带尺寸，非常重要。组成边缘融合大屏幕无缝拼接系统中的每台投影机都必须投射出融合带的区域图像部分，然后，经过专业边缘融合处理设备，再次进行融合区域的光亮度、色彩等参数的调试，确保整幅图像的一致性。

在实际应用中通常会有以下三种方式：

5.1 宽视角的排列；

5.2 多台投影机垂直堆积产生纵向的显示画面；

5.3 多台投影机堆积出更高更宽幅的超大画面。

6 边缘融合大屏幕无缝拼接系统的组成和设备选型

边缘融合系统大屏幕无缝拼接系统由屏幕、投影机、边缘融合拼接处理器、信号处理设备、集中控制设备及周边设备组成。屏幕选择至关重要，首先确保屏幕整张无缝，才可以确保画面的完美显示。投影机的画面质量直接影响到大屏幕的显示效果，尽可能采用3-DMD技术的投影机，确保良好的色彩还原性。边缘融合图像处理器主要决定大屏幕画面显示的内容和速度，处理器的好坏，对于信号源的处理速度、画面的清晰度、边缘融合的质量，都有着不可低估的作用。信号处理设备包括信号源类型的转换，信号的切换，信号的放大与传输等，对于大屏幕画面的显示非常重要。大屏幕拼接系统中设备种类繁多，投影机的数量、矩阵的数量、信号源的数量都比较多，集中控制设备可以快速处理信号选择与切换，方便快捷的控制设备操作过程，快速提高工作效率和准确度。周边设备包括信号源桌面接入系统，线缆、接插件、机柜、电源部分等等。

下面从设备选型方面，进行简单论述。

6.1 屏幕

应用到边缘融合大屏幕显示系统中的屏幕必须兼顾视角、增益、对比度等多项指标，必须具备如下特点，才可以应用到边缘融合大屏幕系统中：

*屏幕整张无缝：首先消除屏幕物理缝隙，不论选择硬幕还是软幕，只有确保屏幕整张无缝，才可以确保画面没有任何接缝。

*屏幕宽视角：边缘融合屏幕必须确保具有较宽的视角，一般要求视角高达180度，否则，在光学重合区的光学消影很难处理均匀。

*屏幕增益：边缘融合项目的屏幕增益，背投屏幕增益建议采用1.0或者更小增益，目前，应用最多的背投屏幕的增益已经下调到0.7，融合区域的效果，非常好。正投屏幕可以采用最高1.3的增益，不建议采用更高增益屏幕，否则，观看视角受到很大限制，中间重合带会很明显。

*屏幕的均匀性：屏幕的均匀性一定要好，否则，很难保证整幅画面的亮度、均匀性。

*屏幕的平整性：不论采用框架屏幕还是电动屏幕，作为软边融合项目，屏幕的平整性是画面一致性的基础，必须确保屏幕自身具有较好的平整性。

*屏幕的对比度：建议屏幕具有较好对比度，但是对比度不要求太高，如果对比度过高，重合部分的影像将很难调试。

6.2 投影机

根据系统组成的屏幕大小，我们可以选择投影机的型号和显示技术。为了保证多台投影机透射出的画面具有同一亮度、统一色彩，大屏幕拼接中投影机的选型非常重要，我们主要依据如下几点：

*投影机的亮度、对比度：投影机的亮度直接决定了屏幕的画面亮度，所以，根据通俗的算法，画面亮度每平方米在700ANSI流明，如果房间亮度比较高，而又选择正投，建议增加15%左右。该算法比较容易，用投影机的平均亮度除以投射面积，即可得出，一般可以满足安装现场的环境要求。

*投影机的分辨率：投影机的分辨率可以根据信号源的分辨率进行选择，市场主流分辨率为XGA和SXGA+，都可以满足投影需求。

*投影机的菜单调试项：作为边缘融合大屏幕使用的投影机，一般采用专业的工程投影机，投影机中的调试菜单具有色彩、色温、亮度、投影机光输出、高低电平的灰度等级等多项参数可以单独调试，只有这样，才可调试出整幅色彩、亮度一致的投影机。

*镜头位移：工程投影机一般都会具有镜头位移可调项，每个型号的投影机可调范围都不相同。在拼接中，镜头位移可调大大方便了投影机物理位置的调试。

在边缘融合大屏幕无缝拼接系统中，投影机的调试比较复杂，首先确保调试好物理位置再调试光学项目。调试物理位置时，不建议使用投影机的电子梯形校正调试画面的大小和方正。总之，投影机的选择请根据客户预算和功能进行选择。

6.3 边缘融合拼接处理器

边缘融合拼接处理器直接影响了画面的质量，拼接效果显而易见，边缘融合拼接处理器是一个支持多输入、多显示的控制设备，提供灵活的数字/模拟输入和输出选项、强大的软件功能，可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，比如Alpha边缘融合、色度键控和次序控制。每个控制器最多支持多个可完全定义的输入或输出，并且还支持标准的DVI A/D输出，可直接寻址任何兼容DVI格式的数字投影机，每一输出可建立直至UXGA(1600x1200像素)的高速连接。边缘融合拼接处理器主要具备以下几方面功能：

*具有图像边缘衍生功能：边缘融合设备必须衍生出重叠部分的多余图像，否则，画面不具有重叠功能，则无法进行融合调试。图象重叠部分，一般融合不小于画面的15%，或者在200个像素以上。

*具有伽玛校正功能：重合区域的色彩伽玛校正功能，确保图像色彩一致。

*具有边缘融合功能：允许对所选择的信号输入转变为透明的叠加。融合率可由用户自己定义，一般为15%以上。具有色度羽化功能，淡变融合部分的色彩和亮度。

*具有色度键控功能：可以调试重合部分的色温、色度，确保全屏幕的色彩高度一致性。

*具有次序控制功能：可以对重合部分的边缘进行分次调整，具有次序控制功能。

*具有视窗功能：可以按像素精度定义视窗的位置和大小，由此来显示窗口的输入。水平和垂直尺寸均可单独调整。

*直观的软件操作界面：边缘融合拼接处理器具有很方便的软件操作界面，便于用户操作和维护。

*输入输出和直观的效果控制功能：对于画面的窗口控制和信号源控制，必须做到直观的控制功能，提高操作效率。

6.4 软边融合大屏幕拼接系统的信号处理设备

大屏幕拼接系统中的信号处理设备，功能比较多，设备范围比较广，格式转换也比较多。下面就介绍矩阵切换器和信号格式转换设备、传输设备等。

*矩阵：主要完成大屏幕计算机和视音频信号的选择切换功能。大屏幕投影机的数量比较多，信号源也比较多，每路信号可以任意调用，切换，输送。矩阵的选择一般根据带宽、格式、输入输出数量、切换通道记忆、是否易控等指标进行选择。

*倍频器和降频器：主要完成复合视频信号和VGA信号之间的相互转化，利于传输和切换。

*信号传输设备：计算机信号可以通过双绞线、光纤等远距离传输给投影机，当然，需要相关设备。

*信号放大驱动设备：确保信号远距离传输，图像显示不失真、无虚影、不拖尾。

6.5 集中控制系统

主要控制投影机的开关、简单调试，控制现场灯光调节，控制信号的切换和输送，控制部分设备的操作如DVD等。集中控制设备目前技术比较成熟和完善，选择时主要依据需要被控的产品数量和型号来选配合适的控制主机，控制界面可以选择无线或者有线的触摸屏，同时也可以选择使用计算机进行控制，方式方法都比较灵活。

6.6 周边设备

周边设备主要是指完成整套系统需要的其他外围设备，如：线缆、接口件（BNC、VGA、RJ45等接口件），机柜、UPS。

结语

近几年，随着计算机软硬件技术的发展，边缘融合无缝拼接技术已经进入了很成熟的阶段，目前已广泛应用于指挥控制、虚拟仿真、工业制造设计、科学研究、复杂决策和视觉娱乐等领域，特别是在数字城市仿真领域得到很好的应用。展望未来，边缘融合无缝拼接技术将朝着产品标准化、调试简便化、操作人性化的方向发展，使越来越多的人能够享受全新的视觉体验。

[1]俞凌云，王毅刚，王亢.大屏幕投影系统中基于软件的无缝拼接技术[J].2009-05-15

[2]俞凌云，王毅刚，王亢.大屏幕无缝拼接系统的应用软件平台开发[J].2008-09-01