嵌入式图形拼接控制系统在黑龙江省地震应急视频系统的应用

方 瑶，郝永梅，王建勋，张美玲，周 琳

（1.黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090；2.五大连池地震火山监测站，黑龙江 五大连池 164155）



嵌入式图形拼接控制系统在黑龙江省地震应急视频系统的应用

方 瑶1，郝永梅1，王建勋1，张美玲2，周 琳1

（1.黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090；2.五大连池地震火山监测站，黑龙江 五大连池 164155）

摘要：通过对嵌入式图形拼接控制器技术特点的介绍，结合目前黑龙江省地震应急视频系统的现状，提出了其在黑龙江省应急视频系统中的应用方案，并对嵌入式图形拼接控制器与原有的拓展式图形控制器进行对比分析。希望能够为今后相关研究与应用的开展提供一定的参考与帮助。

关键词：图形拼接控制器;大屏幕;视频系统

0　引言

近年来，大屏幕展示系统广泛应用于会议、监控、大堂、教育、娱乐等多种场合，随着大屏幕显示系统的广泛应用和嵌入式处理器技术的发展，大屏幕的控制模式也从最初的工业控制机模式发展为嵌入式图形拼接控制模式。

黑龙江省地震应急视频会议系统建设于“十五”时期，运行已近十年，设备老化、故障增多的问题凸显，其中不少是由于视频控制矩阵接口接触不良及串口控制线松动引起的线路故障。因此希望能够找到一种解决方案可以减少设备和线路连接数量，方便管理和故障排查。

黑龙江省地震应急视频会议系统原有拓展式图形控制器为XP操作系统，由于XP系统自身特点，随着系统运行时间的增长，系统反应变慢，高清视频播放出现卡顿的情况增多。因此希望能够找到一种解决方案可以实现图像整齐、播放流畅。

在近期的黑龙江省地震应急视频会议系统改造升级中，采用了基于FPGA的嵌入式图形拼接控制器代替了原有的拓展式图形控制器，减少了RGB和video矩阵等中间连接设备。通过基于可编程逻辑阵列的Nios控制和图像处理，实现播放高速动态视频时，画面整齐、图像流畅。

1　“十五”时期地震应急视频系统架构

黑龙江省地震应急视频系统包括视频接入、连接与控制、信息展示三部分，视频接入部分包括高清视频会议终端、pc机终端、笔记本接入终端、指挥大厅摄像头、DVD、VCD播放器等。信息展示设备为6块DLP大屏幕和等离子电视。连接与控制设备为拓展式图形控制器、控制用pc机、RGB控制矩阵、video控制矩阵组成（图 1）。

高清视频会议终端与4路pc机终端、3路笔记本终端通过VGA连接线接入RGB控制矩阵。指挥大厅摄像头、DVD、VCD接口为BNC格式，连接video控制矩阵。拓展式图形控制器采用C/S架构，控制用pc机通过局域网络访问服务器进行大屏幕，进行开启，关闭，信号投影，信号切换等控制操作。

RGB控制矩阵共有8个输出信道，2路信号输出到拓展式图形控制器，5路信号以直连方式连接大屏幕的5块DLP屏幕，1路信号连接等离子电视。

video控制矩阵共有8个输出信道，4路信号输出到拓展式图形控制器，4路信号以直连方式连大屏幕的4块DLP屏幕。

拓展式图形控制器通过显卡将视频信号输出到6块DLP大屏幕。拓展式图形控制器与2个矩阵间通过串口控制线进行控制操作。

2　嵌入式图形拼接控制器的技术特点

2.1架构上采用FPGA并行处理技术

并行处理是计算机系统中能同时执行两个或更多个处理的一种计算方法。并行处理的主要目的是节省大型和复杂问题的解决时间。常用的图像并行处理可分为流水线连接与并行阵列连接模。流水线的连接模式是按数据处理先后的顺序将处理单元串联在一起,即前一个处理单元的输出和后一个处理单元的输入相连的连接模式。此种模式是根据任务独立性将一个任务分解成一些复杂性大致相同，且彼此间可以独立完成的子任务,多个子任务在流水线的各级上同时执行。并行阵列连接模式是通过多个具有相同处理功能的单元组成一个并行阵列,每一个处理单元都可以独立执行任务,通过海量处理单元的并行处理以获得高处理速度[1，2]。

嵌入式图形拼接控制器根据视频图像处理的特点，将流水线结构和并行阵列结构结合使用。对于如图像采集与校准、系统显存管理及显存、信号输出部分，利用其数据处理相同性，采用并行阵列结构设计。对于如图像叠加与图像剪裁，亮度调节与色度调节,预处理、缩放、滤镜，空间变换颜色校准等逻辑上具有在先后顺序的功能模块采用流水线结构设计。

根据流水线结构的特点，任何一个处理单元出现的故障将直接破坏整个流水线的正常工作，并且整个任务的速度取决于执行时间最长的子任务的执行时间[1]，故需要对流水线部分处理模块进行监控和管理。根据并行阵列结构的特点，在数字化图像的并行存储存取 、并行显示、并行传输等方面需要对数据进行同步控制，需要有控制管理器。嵌入式图形拼接控制器采用嵌入式操作系统可编程逻辑阵列作为控制核心，完成对内部各个模块的状态控制和管理，并为外部控制设备提供接口（图 2）。

嵌入式图形拼接控制器利用FPGA芯片的集成度高，灵活性强，具有强大数据处理功能，实现基于神经元算法的数据信号并行处理计算。根据神经元算法的特点，神经网络整个流程中存在隐层矩阵各行与输入向量点乘累加过程,适合用并行阵列来实现[2]。FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，为一种半定制电路。定制电路具有芯片面积小，集成度高，运算速度快的特点。但其具有制造周期长、成本高，制成后不易修改，FPGA作为半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了可编程器件门电路数有限的缺点，具有应用灵活、集成度高、功能强大、性能稳定、成本低廉等优点[2]。嵌入式图形拼接控制器通过基于FPGA的并行处理技术，实现了图形信号的高速处理。

2.2采用基于LVDS高速数字信号交换体系

嵌入式图形拼接控制器将所有接入信号转换为LVDS信号，以适应内部高速的图形信号处理。在内部图形处理计算完成后再将LVDS信号转化为相应的输出信号。LVDS 技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点。LVDS接口工作电压低，在保证功耗和电磁干扰最小的同时又做到高速数据传递[3，4]（图3）。

2.3丰富的接口配置和模块化结构

以往拓展式图形控制器接口受到主板显卡个数限制，需要依托于各类矩阵进行多通道输入输出。嵌入式图形拼接控制器本身就提供了VGA、DVI、HDMI、BNC、SDI、Ypbpr、HDBaseT等输入输出接口，不需再额外连接设备。嵌入式图形拼接控制器是基于模块化设计，支持对板卡任意的混合接入，能满足多种信号接口的需求，并可以根据用户需要定制接口，具有更高的灵活性。基于模块化设计，使嵌入式图形拼接控制器支持各种子模块的任意插拔、更换，便于对系统故障的快速检测、维护。

2.4直接对信号源的状态监控和强大的图像处理功能

拓展式图形控制器通过视频矩阵连接视频源。经过矩阵设备转换，视频源的电信号状态已经改变。无论视频源的是否真有信号输入，在控制端均显示有视频信号输入。嵌入式图形拼接控制器与视频源设备直连，一旦视频源信号中断，在控制端状态则随之改变，方便操作人员状态监控。

嵌入式图形拼接控制器作为专业的图像处理设备，具有强大的图像处理功能。依托纯硬件架构和强大的图像处理模块可以实现图像的任意组合拼接、移动、缩放、叠加、跨屏展示等功能，并且可以对任意信道的信号进行复制。

2.5支持串口二次开发

嵌入式图形拼接控制器为纯硬件构架，具有高速开机，不易受到病毒攻击、安全稳定、不会出现死机蓝屏等不良显示状况等优势。相对于传统意义上的计算机，嵌入式图形拼接控制器无CPU、硬盘、内存等常规计算机配件，内部也没有操作系统，但这些因素都没有影响到对设备二次开发。嵌入式图形拼接控制器作为采用高速处理芯片集成的图像处理系统，支持通过串口控制方法进行二次开发设计。以黑龙江省应急指挥中心改造中新更换的嵌入式图形拼接控制器为例，使用RS -232端口，以16进制ASCII进行指令传输，使用波特率为9600/115200Bps，格式为1个起始位，8位数据位，1个停止位。每条命令都以“回车键”0DH为结束符。下表为基本命令列表。

表1　基本指令表

3　嵌入式图形拼接控制器的设计与应用

在黑龙江省地震应急视频会议系统改造升级中，根据我局视频系统实际情况，采用了嵌入式图形拼接控制器代替了原有的扩展式图形拼接控制器，减少了RGB和video矩阵等中间连接设备，简化原有视频连接线路。

视频输入部分。根据嵌入式图形拼接控制器丰富的接口配置的特点，将原有的8路RGB信号源和3路摄像头输入信号直接接入。因DVD、VCD设备目前已属于淘汰设备，将原来用于DVD、VCD的线路作为备用线路，暂时不接入系统。

视频输出部分。DLP大屏幕具有DVI接口，使用DVI接口直接连接6块DLP大屏幕。因目前等离子电视输出端不支持DVI接口，使用DVI-VGA转接头，实现嵌入式图形拼接控制器到等离子电视端的视频输出。

连接与控制部分。使用嵌入式图形拼接控制器代替了原有的扩展式图形拼接控制器、RGB矩阵和video矩阵。

4　嵌入式图形拼接控制器与原有的扩展式图形拼接控制器功能对比分析

4.1处理速度方面

嵌入式图形拼接控制器用硬件图形处理芯片，处理速度快。原有扩展式图形拼接控制器利用视频处理软件进行图形处理，处理速度依赖于宿主机的硬件设备。原有控制机为十五项目时期设备，本身也属于落后设备，处理速度慢，在播放投影时延时较高。嵌入式图形拼接控制器采用底板交换技术，实现了多链路的信号处理和交换，从架构上保证了处理速度不受通道数量影响。原有扩展式图形拼接控制器在面对多通道输入时，处理速度受到PCI/PCI-E接口和总线带宽的限制，从而造成了多通道同时输入时延时较高的问题。嵌入式图形拼接控制器采用高速处理芯片集成的图像处理系统，内部无任何操作系统，开机时间小于5秒，可快速启动。原有扩展式图形拼接控制器需先启动自身操作系统，再启动图控软件，耗时较长。相比之下，嵌入式图形拼接控制器较原有扩展式图形拼接控制器有更快的反应速度、更高的处理速度和更好输入承载和能力。

4.2稳定性方面

嵌入式图形拼接控制器具有丰富的视频输入输出接口，可以根据需要选择相应接口与输入输出设备直接连接。原有扩展式图形拼接控制器受视频采集卡数量限制，采用通过2个视频矩阵控制视频信号的输入输出，经过中间设备连接，增加了系统和线路故障的可能性。嵌入式图形拼接控制器是基于纯硬件开发的，无操作系统，不会出现死机蓝屏等不良显示状况。原有扩展式图形拼接控制器基于XP系统开发的，容易受到操作系统不稳定而带来的影响。相比之下，嵌入式图形拼接控制器具有更高的稳定性。

4.3安全性方面

原有扩展式图形拼接控制器基于XP系统，采用C/S架构，通过局域网进行控制信号传输，容易受到病毒攻击。嵌入式图形拼接控制器是基于纯硬件开发的，无操作系统，利用串口线与控制pc机相连，基本不会受到病毒的攻击。相比之下，嵌入式图形拼接控制器具有更高的安全性。

4.4投影控制

原有扩展式图形拼接控制器是通过控制视频矩阵来控制显示信号的切换，经视频采集卡和视频矩阵连接到大屏幕。输出信号只能选择在一块或几块DPL屏幕上进行显示，一块DPL屏幕不能同时显示两路不同的信号源,且在大屏中一次最多只能分屏投放2路RGB信号源或者以直通形式显示5路RGB信号源，页面布局有很多限制。嵌入式图形拼接控制器可以多通道、多窗口任意显示功能，窗口摆放不受限制，避免单屏开四窗口的布局限制，并提供移动、缩放、叠加、通道复制等功能（图5左图为图像叠加多通道输入示意图，右图为设备使用后图像叠加、跨屏投影的照片）。相比之下，嵌入式图形拼接控制器提供更加灵活多样的视频输出展示。

5　结语及展望

在近几次局内演练和2016年1月2日牡丹江6.4级深源地震应急响应中均使用了大屏幕展示系统，在使用中嵌入式图形拼接控制器得到了检验。其在功能上完替代了原有的扩展式图形拼接控制器，并提供了更加灵活多样的视频输出展示。最后，希望通过嵌入式图形拼接控制器在黑龙江省地震应急视频系统的应用，为今后相关研究与应用的开展提供一定的参考与帮助。

参考文献:

[1]苏光大.图像并行处理技术[M].北京：清华大学出版社,2002.

[2]元静.基于车牌图像并行处理的研究与实现[D].大连：大连理工大学，2008.

[3]张海青.基于FPGA图像处理系统的关键算法研究及硬件实现[D].重庆：重庆大学，2010.

[4]卿启新.基于FPGA的LVDS视频信号转换系统设计实现[D].广州：华南理工大学，2011.

APPLICATION OF EMBEDDED GRAPHIC MOSAIC CONTROL SYSTEM USED IN EARTHQUAKE EMERGENCY VIDEO SYSTEM OF HEILONGJIANG PROVINCE

FANG Yao1，HAO Yong-mei1，WANG Jian-xun1，ZHANG Mei-ling2,ZHOU Lin1
（1．Earthquake Administration of Heilongjiang Province,Heilongjiang Harbin 150090，China；2.Wudalianchi Earthquake and Volcano Observatory Station,Heilongjiang Wudalianchi 164155，China）

Abstract:Through introducing the technical features of embedded graphic splicing controller,combining with the current situation of earthquake emergency video system in Heilongjiang province,the paper put forward the application profile of embedded graphic splicing controller in emergency command system.Meanwhile the paper contrasted and analyzed between embedded graphic splicing controller and extended graphics controller.The paper will provide certain reference and help for related research and application in the future.

Key words:graphic splicing controller ;large screen ;video system

作者简介：方瑶（1982-），女，黑龙江省哈尔滨市人，2005年毕业于哈尔滨理工大学，本科，工程师，现主要从事地震信息网络运维、应急指挥系统管理及维护工作。

收稿日期：2015-09-26

修订日期：2015-10-27

中图分类号：P315.69

文献标志码：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.014

文章编号：1674-8565（2016）01-0079-06