融合拼接大屏显示系统可靠性研究及优化策略

2013-06-29张春林朱敬东余黄河

电视技术 2013年9期

张春林，朱敬东，余黄河

(北京航天飞行控制中心，北京 100094)

图像拼接技术是数字图像处理的重要环节，已成为国际学术界研究的一个热门方向［1］。它是将一系列相互间存在重叠部分的真实图像合成一个单一的、更大、更复杂的新图像，是表现真实世界的有效方法［2］。目前主流的投影显示多采用融合拼接方式(亦称边缘融合方式)。其具有拼接尺寸灵活、完全无缝拼接、投影机数量少、易于维护等特点，使其在特殊显示领域展现出很好的适用效果［3］。采用融合拼接技术还可以投影立体数字图像，能使观看者获得一种身临其境的仿真视觉感受。它比普通的环幕系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨力以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。融合拼接大屏幕显示以其独特的优势成为今后发展的重要方向。

融合拼接大屏幕显示系统的优势广受好评，但现阶段业界对该类系统可靠性问题还缺乏系统性研究。本文试图从该系统的组成结构和运行机理入手，对融合拼接与非融合拼接投影阵列大屏幕显示系统可靠性问题展开比较性研究，找出影响系统可靠度指标的关键环节，进而研究提出融合拼接大屏幕显示系统可靠性设计优化方案。

1 系统机理及特点

1.1 系统机理

融合拼接大屏幕显示系统组成结构如图1所示。系统主要由DVI，SDI，RGB，VIDEO等各种信号切换矩阵组成的切换矩阵集合、拼接融合器(亦称边缘融合器)、投影机阵列、无缝大屏幕和集中控制5部分组成。显示局域网、图形工作站以及视频源设备等可以看作是与大屏幕显示系统紧密相关的外围系统。其工作原理是，切换矩阵将各类显示信号馈送至拼接融合器;由拼接融合器完成各种信号源的选择，拼接画面的产生、分割、合成，并按照算法排列，分别输出给投影机阵列中的每台投影机，灵活实现多种类别的显示。

图1 融合拼接大屏幕显示系统结构图

1.2 技术特点

传统大屏幕拼接系统是由多台投影机投射单独画面，物理拼接组成整体大画面。每个投影画面之间没有内容的重叠部分，即使采用整张无缝的屏幕，在视觉上也会感觉到拼接缝的存在，如图2所示。

图2 物理拼接大屏幕显示效果

目前的边缘融合大屏幕拼接系统的特点是，整幅投影画面由不同的投影机投影画面拼接组成，每个单独的投影画面拼接中有投影光线和画面内容的重叠部分，通过拼接融合器按照一定算法，对图像几何失真进行校正，对重合部分的多余亮度进行羽化融合，并对色彩进行平衡，从而确保整幅显示画面没有任何接缝，而且亮度和色彩均匀一致，如图3所示。

图3 融合拼接大屏幕显示效果

边缘重叠、融合一体的大屏幕拼接技术，是现代计算机图形处理技术和各种显示技术的有机结合，实现了多路独立视频信号和计算机信号同时直通显示，画中画显示，高分辨力全屏显示，灵活缩放显示，大画面跨屏清晰显示，超高分辨力图像、视频、计算机、网络信号综合显示等［4］。这是融合拼接大屏幕显示系统的显著优势，也是其成为热点和重要发展方向的原因。

2 两类拼接系统可靠性分析与比较

融合拼接大屏幕显示系统的显示效果美轮美奂，其先进性、灵活性不容置疑，但其可靠性如何，需要全面分析研究。本文目的在于优化设计，进一步提高系统的可靠度，充分发挥先进系统的效能。

与非融合拼接系统相比较，融合拼接大屏幕显示系统增加了图像拼接融合器，如图4所示。

图4 融合拼接与非融合拼接系统区分原理图

需要指出的是，这只是一个原理性区分框图，为了化繁为简，直观方便，略去了显示局域网、计算机图形工作站、视频设备、集中控制和投影屏幕等两类系统共有的部分。图中的虚线框部分拼接融合器则是融合拼接大屏幕显示系统独有的设备。

2.1 拼接融合器对系统可靠性的影响

2.1.1 条件假设

1)除了有无拼接融合器，两类系统采用完全相同的设备，使用条件、失效判定标准都相同;

2)为了简化推导，假定系统中矩阵、融合器、投影机阵列等单元可靠度指标R都相等;

3)投影机数量为常用的3台，水平排列。

2.1.2 指标符号标注约定

由于可靠性一系列指标有统一规定的符号，为了在以下可靠性分析推导中，分清融合拼接与非融合拼接两种方式，指标的符号标注需作如下约定:1)融合拼接总可靠度下标添加“(R)”;2)非融合拼接总可靠度下标添加“(F)”。

2.1.3 融合器对系统可靠度指标影响的推导

两种拼接方式均为串联系统，只是融合拼接系统多串了一级，可靠性结构模型如图5所示。

图5 融合拼接与非融合拼接系统可靠性结构模型

假定串联系统中m个单元是相互独立的，只要其中任何一个失效，则整个设备系统就失效［5］。若每个单元的可靠度为Ri，则系统的总可靠度为

因为设定各单元可靠度均为R，且0＜R＜1，所以，串联系统总可靠度为

因此，融合拼接系统总可靠度指标为

非融合拼接系统总可靠度指标为

比较融合与非融合系统总可靠度指标大小，得出

由式(5)可知，融合拼接大屏幕显示系统总可靠度比非融合拼接系统总可靠度低。如果全部显示信号都经由拼接融合器，此设备一旦故障会形成“卡脖子”效应。

2.2 投影机故障对两类拼接系统可靠性的影响

投影机阵列一般由相同机型构成，首先设各投影机可靠度指标R相等。本文以3台投影机拼接投影一幅超大图像、分别投影3幅图像这两种情况为例，将投影机故障对两类拼接系统可靠性的影响进行分析、比较。

2.2.1 拼接显示一幅超大图像两类系统比较

这种情况下，无论是采取无缝融合拼接，还是传统的物理拼接，要求3台投影机均正常工作，大屏幕系统才能显示完整的图像。两种拼接投影阵列均为串联系统，其可靠性结构模型如图6所示。

图6 两类系统拼接显示一幅超大图像投影机阵列可靠性结构模型

投影机故障对两类拼接系统总可靠度影响是相同的，即3台投影机阵列总可靠度为

2.2.2 分别投影显示图像两类系统比较

当3台投影机分别投影不同图像时，如果某台投影机发生故障不能投影，此种情况下，投影机故障对于不同拼接方式的大屏幕显示系统可靠度的影响程度是不同的。

1)非融合拼接大屏幕显示系统受影响分析

只要备份信号充足，切换灵活方便，此时可以用2幅完好的大屏幕图像将重点、核心的内容正确显示出来。实时监控或指挥显示工作可以继续进行，系统依然有效。非融合拼接投影机阵列可以看作表决系统(m，n系统)，此处为3∶2系统，即总共3台投影机，只要2台工作正常，投影机阵列就整体有效，其可靠性结构模型如图7所示。

图7 3∶2表决系统可靠性结构模型

投影机阵列总可靠度为

2)融合拼接大屏幕显示系统受影响分析

由于3台投影机的投影屏幕已经融合为一个逻辑大屏幕，即使是侧边某台投影机突发故障不能投影，与其相邻的中间投影图像的融合区域亮度也会逐渐暗淡，并在黑屏区域留下残留边带图像，在大屏另一侧只剩下一幅正常显示的图像。其原理如图8所示。

图8 融合拼接重叠区域亮度羽化融合示意图

为了实现亮度羽化融合，在融合区域图像信号必须交错地渐强渐弱，所以每台投影机投出的图像宽度都要延伸到相邻图像区域，形成重叠部分［6］。如果是中间一台投影机故障不能显示，则剩下两侧的图像都不正常，剩余两幅图像靠近中间一端的边侧亮度渐暗，中间黑屏两侧都会拖出残留边带图像。

所以，对于融合拼接系统，即使各投影机分别投影不同的图像，其可靠性结构模型也近似于串联系统，即3台投影机只要有1台不能投影，最佳状况也只剩下边侧1幅正常图像，大屏幕显示系统基本失效。按照串联结构模型，投影阵列总可靠度指标为

3)比较两类拼接系统投影机分别投影的总可靠度

如上所述，1台投影机故障时，非融合与融合拼接系统中投影机阵列总可靠度大小是不同的，即

显然，非融合拼接投影阵列总可靠度大于融合拼接投影阵列总可靠度，从而使非融合拼接大屏幕显示系统整体可靠度也高于后者。后者发生系统失效机率更大。

上述可靠性分析说明:1)融合拼接器插入后，大屏幕显示系统可靠度有所降低;2)与非融合拼接系统相比，在融合拼接系统中，单台投影机突发故障不能投影时对大屏幕显示系统整体可靠性影响更大，带来的风险更高。因此，融合拼接大屏幕显示系统结构应当予以优化。

3 融合拼接系统可靠性设计优化策略

提高融合拼接大屏幕显示系统可靠性，首先应从优化设计这一基础开始。

3.1 优化结构，建立系统显示信号应急备份通道

为了应对融合拼接器突发故障，切断至投影机的显示信号通路，可在切换矩阵集合与投影机阵列之间建立应急直达通道，确保系统正常工作，系统结构如图9所示。

图9 融合拼接系统建立显示信号应急备份通道结构图

对于应急直达通道，要做到每一路比较重要的显示信号都能馈送至所有投影机接口。为此，在系统设计时需要从以下4个环节具体实现优化结构:

1)投影机的信号接口种类要丰富，数字图形图像信号、模拟视频信号都应有应急备份接口;

2)切换矩阵类型根据需要配置齐全，输入、输出路数在满足主用和应急直通备路基础上再留冗余;

3)显示局域网、图形工作站和视频源3个部分作相应规模的统筹规划和设计，在融合器或某投影机突发故障情况下，达到要源有源，要路有路的应急显示状态，确保系统有效工作;

4)应急备用通道投影，不配置融合拼接器，以增强应急灵活性和时效性。

3.2 应急通道与双投影机阵列特殊配置

在民航、铁路、军事、大型文体活动以及航天试验等某些特殊应用环境下，不允许大屏幕实时显示有任何瑕疵或短暂中断。在这种特殊情况下，除了建立显示信号应急备份通道，有必要配置一套投影机阵列热备份供应急切换。紧急时刻作备用，平时可以按照需求大小、规格高低，分类启用主、备用投影机阵列，系统结构如图10所示。

图10 融合拼接大屏幕应急通道与双投影机阵列特殊配置结构图

兼顾经济性，新投影机作主用，更新前的旧机型可用作备用投影机阵列。

3.3 完善备份结构与通用优化策略并重

在优化融合拼接系统可靠性设计，完善系统应急备份结构的基础上，对行之有效的通用优化策略必须坚持执行，不可偏废。本文不赘述，列出要点如下:1)优选品牌服务商和设备机型;2)各类重要设备和备件按照比例备份齐全;3)加强人员培训，使其技术熟练，并按章操作;4)熟悉应急预案，常备不懈;5)定期维护保养，使系统随时处于良好状态。