边缘融合技术在多媒体系统中的设计和实现

刘玉梅

摘要：介绍多媒体系统概述及特点，并通过工程实例对多媒体投影播控系统运用的边缘融合技术，与投影机、融合机、幕布、环境控制这四个要素的相互关联作用，以及设备参数的合理匹配进行分析、计算并总结。

关键词：多媒体系统；边缘融合技术；设备参数分析与计算

中图分类号：TN873 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0152-03

1 引言

传统的展陈设计通常是通过单一的图片或文字等手段来实现的，由于这些单一的手段显得相对固化和生硬，无法很好地引起观众的兴趣和共鸣。随着科技进步和发展，传统的静态展陈方式已不能满足观众对展陈方式多样化需求，运用多媒体技术拓宽博物馆展陈模式已势在必行。

通过综合运用生、光、电、图文、影像等媒介信息的多媒体技术，丰富了展览内容，提升了博物馆展览的生动性和参观体验性，强化了博物馆宣传教育功能。在展览设计中，在大胆应用各种前沿科学技术的最新成果的同时，还需要要考虑到展览中所要表现的历史文化内容，整体的展览环境形式与所运用的多媒体技术和设备之间是否恰当和匹配[1]。对博物馆多媒体展陈建设来说，这期间既需要解决多媒体技术与博物馆工作的融合问题，同时，需要解决系统和设备之间的互联和互操作性，以及各类设备间及系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等问题。这意味着创新开发设计的多媒体技术不仅要具有先进性、可靠性、稳定性的技术要求，同时对各类设备的技术参数及性能要进行谨慎选用、合理配置。

2 多媒体技术概述及特点

多媒体技术是利用计算机对数字化的文字、图形、图片、动画、声音以及视频等媒体信息进行处理分析、传输、以及交互应用的技术[2]。多媒体技术是交叉学科，内容丰富，涉及领域多，发展迅速。根据多媒体技术所展现出来的特点，对应用多媒体技术、网络技术、自动控制技术等构件开发设计的多媒体展示系统，应采用当前流行且成熟并有较多成功案例的技术装备，要有一套成熟的基础理论和先进的技术方法，以及相关的技术标准作为应用开发的技术支撑。整个系统的开发设计应在稳定性、可靠性、先进性要求高的基础上，对系统的开发应采用动态开放架构，与多变的展览需求协同一致，使得多媒体技术的应用既能满足观展需要，还能具有方便日后优化性能和升级换代的功能。同时，要考虑到多媒体系统和设备之间的合理匹配和融合问题，确保选用的设备指标参数、产品功能、操作简易性等方面均要体现系统的实用性、前瞻性和高性价比。目前，博物馆中可应用的多媒体技术有很多种，例如多媒体投影播控系统、电子导览讲解系统、触摸屏技术、三维动态成像技术等等。这些数字多媒体技术在博物馆的展览中发挥着不可小觑的作用。本文就多媒体投影播控系统的开发和设计，进行技术分析和总结。

3 投影播控系统设计原理：典型两通道投影融合

3.1 系统结构图（如图1所示）

设备组成：（1）投影机2台；（2）2通道拼接融合器1台；（3）视频播放器1台；（4）音响设备1套；（5）投影吊架2套。

3.2 整体设计

为两通道投影拼接融合技术实现，选用一台拼接融合播放器（支持两通道的输出）。从工作原理上可以分为两个部分，即显示系统和播放系统，其具体工作方式如下：

显示系统：通过拼接融合机对输出的画面做拼接和边缘融合，通过投影显示出一个完整的画面，单台投影的分辨率为1024*768；拼接融合带像素为256个，融合后画面显示的分辨率为1792*768。

播放系统：播放系统为拼接融合机连接投影机， 片源放置在播放器中，音箱通过功放连接到投影机上，实现声音的输出。

控制系统：投影机、融合机、播放器通过各自RJ45接口接入TCP-IP网络，由中控系统实现统一管理。

边缘融合技术：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，画面的效果就象是一台投影机投射的画面，其投影融合示意图如图2所示。

对于构建整个无缝多通道边缘融合系统，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。

融合控制系统需提供开放的控制协议、技术文档与技术支持，方便融合系统与其它子系统的整体集成控制。与此同时，需集成市面上常见的矩阵控制协议，可以实现设备的多级控制与集成，为用户控制带来方便。设备需提供 IP 网络与串口控制，用户可以任意选用合适的方式进行控制，同时提供iOS控制端，实现设备的无线控制。

4 工程实例

以弧形投影播控系统为例，采用的是四台投影机拼接而成的弧形投影屏幕，其弧度弦长为15米，高度3米。采用的是边缘融合技术，达到无缝拼接完美画质效果。根据国家有关设计标准，并结合多媒体前沿技术的特点，本次多媒体设计采用基于可编程FPGA硬件融合机的四通道弧形融合技术，通过对投影机焦距及光亮度、融合机带宽和接口、环境控制的照度、以及幕布增益的参数计算，合理匹配相应设备，并通过TCP-IP协议的中控 接入大楼骨干网络中多媒体vlan段，达到弧形投影播控系统完美效果。

4.1 视频设计依据

《画面中心与边缘的宽度比》 ISD-9241-3

《画面显示的全屏色度差》 ISD-9241-8

《显示屏幕直照度的标准》 ISD-FDISI3406-3

《亮度不均匀性》 GB/9313

《画面显示的几何失真》 GB/9313

《电影院视听环境技术要求》 GB/T3557-94

《LED显示屏通用规范》 SJ/T11141-2003

《LED顯示屏测试方法》 SJ/T11281-2007

4.2 工程设计：四通道弧形曲面融合拓扑图（如图3所示）

4.3 边缘融合机参数（带宽）计算

边缘融合机是无缝多通道边缘融合系统的核心设备，分为软融合和硬融合。目前计算机显卡的性能和带宽已经远远超过了普通高清1920x1080P的带宽要求，融合机输入的分辨率必须要能接受这类超高清信号才能保证多通道融合的效果，考虑到本系统稳定性、灵活性，以及处理带宽的要求，故本项目采用的是可编程FPGA方案的硬件边缘融合机。

已知4个投影机，分辨率为1024x768，刷新频率120Hz，融合带3个，则融合带水平像素为3x256像素（融合带约为水平分辨率1024的20%）。

（1）融合后水平有效像素计算应为：

计算公式：Hact=x*n-z*（n-1）=1024*4-256*3=3328像素

（X为投影机水平有效像素；N为融合投影机个数；Z为融合带水平有效像素；Hact为是融合后水平有效像素）

（2）融合机带宽计算应为：

计算公式：F = Hact *Vact * Vr=3328*768*120=306.71MHz

（其中 Hact是水平有效像素；Vact是垂直有效行数；Vr是刷新频率）

根据上述计算，融合机带宽必须≥306.71MH才能支持融合后分辨率为3328*768，刷新频率为120HZ的投影融合图像。

最后选择的融合机的参数为：型号：MPG20X，输入板卡Dual Link DVI/Displayport 1.1a，最高330Mhz输入频率，支持DVI和DP同时输入输出板卡 DVI-I（DVI和VGA同时输出）最高165Mhz输出频率，支持每通道监控通道同步输出，支持1024x768@120Hz主动立体信号输出。

4.4 融合投影机参数的设计

已知单台投影机投影影像大小约4米*3米的4：3规格，屏前照度为200lux，通过计算，选择的投影机流明应为：

屏幕的显像照度计算：SL= AL * CR =200×2=400lux

《SL代表屏幕的显像照度；AL代表环境照度；CR对比度系数， （一般可取2--10之间，数值越大则图像亮度与环境亮度的对比度越高）》。

（1）投影机光通亮计算：

计算公式：Φ=SL*S/CU/K=400*12/0.9/0.8=6667lm

（Φ投影机光通量单位lm（流明）；S投影面积单位平方米；CU空間传损系数是指从投影机放射出来的光束有百分之多少到达屏幕，与投影机安装高度、安装距离和屏幕反射率直接相关，系数CU可取0.6--1之间；K维护系数是指由于房间灰尘的积累，致使空间反射效率降低，致使照度降低而乘上的系数。一般较清洁的场所，如阅读室、医院、艺术馆、博物馆等维护系数K取0.8）。

由此计算得出，每台投影机的光通亮为6667lm，故此合理选用光亮度为标准7000lm的投影仪为最佳性价比。

（2）融合投影机镜头焦距计算：

根据现场环境实际面积是67.5平方米（15m长*4.5m宽），如果单台投影机投影画面宽度为4米，按4：3屏幕计算，则单台投影机需要200英寸幕布，现受环境宽度限制，四台投影机最远安装位置距离屏幕为3.7米。工程投影机常规 DLP芯片尺寸为0.65英寸。

投影机焦距计算如下：

计算公式：F= V*D/W=3.7米*0.65英寸/200=12mm

（V投射距离（米；F焦距（米）；W画面尺寸（英寸）；D 投影机DLP芯片尺寸（英寸）

由此计算得出，投影机镜头最小焦距要≤12mm，才能投射出200英寸的画面。

以下为融合投影机需匹配的主要参数及说明汇总，见表1。

4.5 幕布选定

无缝多通道边缘融合系统的投影幕布也是实现完美画面的关键，用于多通道边缘融合投影的投影幕选用屏幕增益在1.2以下的产品，这样从不同角度观看画面都会觉得始终整体如一，效果更理想。

对于融合投影系统，金属幕布更容易固定，而且显得高档大气。在确定完屏幕的材质后，还要确定投影幕的尺寸。在边缘融合系统中最为关键的技术之一就是要做边缘融合带处理，相邻投影机的投影画面需要有部分重合，重合部分的宽度应不低于单台投影机投影的宽度的20%，因此，要根据屏幕的宽度、屏幕的高度、投影机数量、融合带宽度三者的关系来确定屏幕的尺寸，出现尺寸不匹配的情况将极大降低最终效果，这必须在多通道投影系统的设计之初仔细计算。

根据上述分析和计算，本项目幕布选型为Mond 型号，金属硬幕，定制屏幕尺寸为长15米，高度3米。

4.6 环境控制

无缝多通道边缘融合系统是运行在一定的场合，要获得完美的超宽画面效果，环境的配合也往往能够起到锦上添花的效果。对于超宽幅面的系统，相应的音响系统的布置要尽量使声音效果从屏幕后均匀输出，而环绕副音响也要按照空间位置合理安排，才能达到完美的沉浸效果。多通道边缘融合系统适宜周围环境不要过于明亮和黑暗，过于明亮会损伤投影机的亮度效果，过暗环境下融合带的处理更加有难度，且此时人眼对亮度的差异会更加敏感，因此，在多通道边缘融合系统，要考虑周围环境安排一定数量的微弱环境灯光是较好选择。

根据有关规定，大型场所的环境亮度在200lux以下，本系统现场融合设备环境照度控制在200lux以内，满足清晰显示要求。

4.7 注意事项

（1）目前计算机显卡的性能和带宽已经远远超过了普通高清1920x1080P的带宽要求，在计算机领域内，比1920x1080P更高的超高清分辨率已经可做到4Kx2K或更高，融合机输入的分辨率必须要能接受这类超高清信号才能保证多通道融合的效果，这样的投影融合才有实际意义。

（2）分布式架构，超大规模融合投影轻松实现。分布式的设计架构，相比集中式设备，系统扩展性更强——目前可以实现多输出通道的边缘融合系统，系统内部的高清视频信号传输采用无失真实时传输技术，可以保证画面的清晰度和整体的同步性，分布式的架构将系统负荷平均分散到各个处理终端，进一步提高了系统稳定性。

（3）系统扩展性强，融合系统拼接系统可无缝集成。融合系统集成了RRTA多分辨率实时兼容技术， 可以支持融合系统与拼接系统的无缝集成，特别适合融合系统和拼接系统同时存在且共用信号源的情况。集成后的系统可在一个集成化的软件中同时控制多组显示系统的画面内容，真正实现视讯系统的统一管理和控制，更加方便维护人员的高效工作。

5 结语

对于构建整个无缝多通道边缘融合系统而言，投影机、边缘融合机、幕布系统和环境控制，这四个因素只有相互配合才能构成完美的多通道融合效果。在应用边缘融合技术时，对快速的过渡带调节能力；融合带像素宽度完全可调；丰富的投影分辨率支持；超高的硬件实时性能；完全点对点对应的超高分辨率融合；以及采用分布式架构，实现超大规模融合投影技术性能等，这些技术要求对设计整个多媒体系统具有重要意义。

参考文献

[1]周进.我国博物馆陈列设计思想发展研究[[D].上海：上海复旦大学.2013.

[2]蒋树强，马思伟，张史梁，等.多媒体技术发展报告[M].北京：机械工业出版社，2009.