朱繼鳴

（武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢430015）

1 概述

隨著顯示技術(shù)與控制技術(shù)的不斷融合和發(fā)展，在高端的工程領(lǐng)域，通過拼接而成的大屏幕顯示圖像得到了廣泛的應(yīng)用，它所帶來的超大畫面、多屏顯示以及清晰、逼真的顯示效果使得模擬仿真、安防、會議、監(jiān)控等領(lǐng)域的工作效率得到大幅改善，同時也促進(jìn)了這些行業(yè)的技術(shù)水平快速進(jìn)步。

但是傳統(tǒng)的電視墻、投影硬拼接屏和箱體拼接墻等大屏幕拼接技術(shù)存在畫面有物理縫隙、色調(diào)不統(tǒng)一等問題，很難滿足人們對亮麗的超大畫面、完整畫面、純真的色彩及高分辨率顯示效果追求的要求。而如今迅速崛起的邊緣融合技術(shù)能有效解決大屏幕無縫拼接問題，它更好的改善了拼接圖像的視覺效果。本文將對邊緣融合大屏幕無縫拼接技術(shù)的概念和發(fā)展、技術(shù)特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方式、系統(tǒng)組成和設(shè)備選型、設(shè)計(jì)和應(yīng)用維護(hù)等方面作全面介紹。

2 無縫拼接技術(shù)概念及發(fā)展

無縫拼接技術(shù)是一種最新的大屏幕拼接技術(shù)，主要是指整幅投影畫面由不同的投影機(jī)投射畫面拼接組成，每個單獨(dú)的投影畫面拼接中有著投影光線和畫面內(nèi)容的重疊部分，通過軟硬件的結(jié)合處理，消除光線重合部分的多余亮度，從而確保整幅畫面上面沒有任何接縫，亮度均勻一致，給觀眾完美的視覺沖擊。通常情況下，采用無縫拼接技術(shù)處理的大屏幕拼接系統(tǒng)中首先確保屏幕是整張無縫的，整幅投影畫面沒有光學(xué)拼縫和物理拼縫。

無縫拼接技術(shù)的發(fā)展共經(jīng)歷了純硬件融合技術(shù)、純軟件融合技術(shù)和軟硬件融合技術(shù)三個階段。純硬件融合技術(shù)是通過光學(xué)的遮光處理來融合圖像，純軟件融合技術(shù)是通過電子線路的處理來完成圖像的融合，軟硬件融合技術(shù)是指既有光學(xué)遮光融合處理，又有電子融合處理。由于硬件融合能較好地處理融合圖像的黑平衡，而軟件融合能較好處理圖像的白平衡，這兩者相結(jié)合的軟硬件融合技術(shù)就能夠比較完美地實(shí)現(xiàn)融合部分色彩圖像的真實(shí)再現(xiàn)。

從拼接效果上來說，無縫拼接技術(shù)也經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：硬邊拼接、重疊拼接和邊緣融合拼接。

2.1 硬邊拼接：即兩臺投影儀的邊沿對齊，無重疊部分。顯示效果上表現(xiàn)為整幅畫面被一道縫分割開。如果投影儀邊緣未做亮度增強(qiáng)處理，該接縫顯示為黑色；如果投影儀邊緣做了亮度增強(qiáng)處理，該接縫顯示為白色。硬邊拼接有明顯分割線(即物理拼縫)，無法實(shí)現(xiàn)全景的一體化顯示。

2.2 重疊拼接：即兩臺投影儀的畫面有部分重疊，但沒有作淡進(jìn)淡出處理，因此重疊部分的亮度為整幅畫面其余部分的2倍，在顯示效果上表現(xiàn)為重疊部分為一亮條，即兩臺投影機(jī)投出的圖像在拼合處以疊加的方式重疊。這種拼接顯然存在著拼合處由于亮度疊加而出現(xiàn)過亮區(qū)域的弊病，影響到無縫效果的實(shí)現(xiàn)。

2.3 邊緣融合拼接：與簡單重疊方法相比，左投影儀的右邊重疊部分的亮度線性衰減，右投影儀的左邊重疊部分的亮度線性增加。在顯示效果上表現(xiàn)為整幅畫面亮度完全一致。通過邊緣融合技術(shù)的處理，既實(shí)現(xiàn)了兩邊的完全融合，又消除了重疊拼接引起的過亮區(qū)域，并且邊緣融合拼接可以適應(yīng)平面、柱面、球面等各種曲面形狀的拼接，具有更加廣泛的適用性。

3 邊緣融合技術(shù)的特點(diǎn)

3.1 顯示畫面大，畫面完整性強(qiáng)

多臺投影機(jī)拼接投射出來的畫面一定比單臺投影機(jī)投射出來的畫面尺寸更大，顯示區(qū)域更廣，實(shí)用性更強(qiáng)；鮮艷靚麗的畫面，能帶給人們不同凡響的視覺沖擊，采用無縫邊緣融合技術(shù)拼接而成的畫面，很大程度上保證了畫面的完美性和色彩的一致性。

3.2 提高畫面整體分辨率

每臺投影機(jī)投射整幅圖像的一部分，這樣展現(xiàn)出的圖像分辨率提高了。比如，一臺投影機(jī)的物理分辨率是800x600，三臺投影機(jī)融合25%后，圖像的分辨率就變成了2000x600。

3.3 超高分辨率

利用帶有多通道高分辨率輸出的圖像處理器、計(jì)算機(jī)及投影機(jī)矩陣，可以產(chǎn)生每通道為1600x1200像素的三個或更多通道的合成圖像。如果融合25%的像素，可以通過減去多余的交疊像素產(chǎn)生的4000x1200分辨率圖像。目前市場上還沒有可在如此高的分辨率下操作的獨(dú)立顯示器。

3.4 縮短投影距離

隨著無縫拼接的出現(xiàn)，投影距離的縮短變成必然。比如，原來200英寸（4000x3000mm）的屏幕，如果要求沒有物理和光學(xué)拼縫，我們將只能采用一臺投影機(jī)，投影距離=鏡頭焦距x屏幕寬度，采用光角鏡頭1.2:1，我們的投影距離也要4.8米，現(xiàn)在，我們采用了邊緣融合技術(shù)，同樣畫面沒有各種縫痕，我們的距離只需要2.4米。

4 邊緣融合系統(tǒng)與傳統(tǒng)拼接的差異

邊緣融合拼接系統(tǒng)和傳統(tǒng)拼接相比較，主要有以下差異：

4.1 在傳統(tǒng)拼接系統(tǒng)中，由于采用多塊單獨(dú)屏幕組成一個屏幕顯示體，各個屏幕之間雖然采用同一材料，但是由于制作時間、制作環(huán)境上的不同，使得不同屏幕的熱脹冷縮存在客觀差異，這就導(dǎo)致整個系統(tǒng)在使用一段時間后會出現(xiàn)一些小的物理變化，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和效果。而融合拼接由于采用了一整塊屏幕，制作時間、材料、工藝水平完全一致，從而消除了上述隱患。

4.2 在融合拼接中，由于采用整幅屏幕，所以消除了傳統(tǒng)拼接存在的屏幕間的物理縫隙，使得屏幕顯示圖像整幅保持完整，無人為分割。而采用融合處理技術(shù)后，更消除了光學(xué)縫隙，這樣和普通硬拼接系統(tǒng)相比，在技術(shù)水平和顯示效果上，就有了質(zhì)的差異和提高，從而使顯示的圖像完全一致，無任何物理或光學(xué)分割，保證了顯示圖像的完整性和美觀性。這在顯示地圖、圖紙等圖像信息時更為重要，因?yàn)樵趫D紙、地圖上存在大量的線條或路線等，而屏幕縫隙和光學(xué)縫隙就會造成圖像顯示污染，容易使觀察人員把顯示的圖像線條和拼接系統(tǒng)本身的線條誤為一體，導(dǎo)致決策和研究失誤。而通過融合處理，就可以避免出現(xiàn)這種情況。

4.3 在融合拼接系統(tǒng)中，所有圖像都經(jīng)過融合處理器進(jìn)行了校正和統(tǒng)一，這樣在大屏幕上進(jìn)行圖像顯示和切換時，無論切換什么格式的圖像，整個屏幕的亮度、色彩、鮮艷度、均勻度都比較一致，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)拼接系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的由于信號更換而導(dǎo)致系統(tǒng)顯示質(zhì)量的變化。

4.4 在融合拼接系統(tǒng)中，由于在處理器中對投影顯示圖像進(jìn)行了處理，可以對不同投影信號間的色差、亮差、均勻度進(jìn)行調(diào)整，這也使得該系統(tǒng)顯示的圖像質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)拼接系統(tǒng)。

4.5 邊緣融合圖像處理器除了具有邊緣融合和圖像多畫面處理功能外，還具有圖像存儲和調(diào)用功能，可以把本身存儲的高分辨率圖像直接作為大屏幕系統(tǒng)的背景進(jìn)行顯示，這在實(shí)際使用中非常有實(shí)用價值。

邊緣融合拼接系統(tǒng)與傳統(tǒng)拼接畫面比較如下：

5 邊緣融合的實(shí)現(xiàn)方式

邊緣融合系統(tǒng)中主要是圖像部分必須有一定的重合，俗稱為融合帶，重合尺寸按照實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論值，一般為10%-20%。根據(jù)屏幕大小、屏幕質(zhì)量、投影機(jī)的分辨率、融邊器等參數(shù)，會有所不同。邊緣融合系統(tǒng)中的融合帶寬窄，直接影響了整幅畫面的亮度均勻性和色彩一致性，所以，選擇合適的融邊帶尺寸，非常重要。組成邊緣融合大屏幕無縫拼接系統(tǒng)中的每臺投影機(jī)都必須投射出融合帶的區(qū)域圖像部分，然后，經(jīng)過專業(yè)邊緣融合處理設(shè)備，再次進(jìn)行融合區(qū)域的光亮度、色彩等參數(shù)的調(diào)試，確保整幅圖像的一致性。

在實(shí)際應(yīng)用中通常會有以下三種方式：

5.1 寬視角的排列；

5.2 多臺投影機(jī)垂直堆積產(chǎn)生縱向的顯示畫面；

5.3 多臺投影機(jī)堆積出更高更寬幅的超大畫面。

6 邊緣融合大屏幕無縫拼接系統(tǒng)的組成和設(shè)備選型

邊緣融合系統(tǒng)大屏幕無縫拼接系統(tǒng)由屏幕、投影機(jī)、邊緣融合拼接處理器、信號處理設(shè)備、集中控制設(shè)備及周邊設(shè)備組成。屏幕選擇至關(guān)重要，首先確保屏幕整張無縫，才可以確保畫面的完美顯示。投影機(jī)的畫面質(zhì)量直接影響到大屏幕的顯示效果，盡可能采用3-DMD技術(shù)的投影機(jī)，確保良好的色彩還原性。邊緣融合圖像處理器主要決定大屏幕畫面顯示的內(nèi)容和速度，處理器的好壞，對于信號源的處理速度、畫面的清晰度、邊緣融合的質(zhì)量，都有著不可低估的作用。信號處理設(shè)備包括信號源類型的轉(zhuǎn)換，信號的切換，信號的放大與傳輸?shù)龋瑢τ诖笃聊划嬅娴娘@示非常重要。大屏幕拼接系統(tǒng)中設(shè)備種類繁多，投影機(jī)的數(shù)量、矩陣的數(shù)量、信號源的數(shù)量都比較多，集中控制設(shè)備可以快速處理信號選擇與切換，方便快捷的控制設(shè)備操作過程，快速提高工作效率和準(zhǔn)確度。周邊設(shè)備包括信號源桌面接入系統(tǒng)，線纜、接插件、機(jī)柜、電源部分等等。

下面從設(shè)備選型方面，進(jìn)行簡單論述。

6.1 屏幕

應(yīng)用到邊緣融合大屏幕顯示系統(tǒng)中的屏幕必須兼顧視角、增益、對比度等多項(xiàng)指標(biāo)，必須具備如下特點(diǎn)，才可以應(yīng)用到邊緣融合大屏幕系統(tǒng)中：

*屏幕整張無縫：首先消除屏幕物理縫隙，不論選擇硬幕還是軟幕，只有確保屏幕整張無縫，才可以確保畫面沒有任何接縫。

*屏幕寬視角：邊緣融合屏幕必須確保具有較寬的視角，一般要求視角高達(dá)180度，否則，在光學(xué)重合區(qū)的光學(xué)消影很難處理均勻。

*屏幕增益：邊緣融合項(xiàng)目的屏幕增益，背投屏幕增益建議采用1.0或者更小增益，目前，應(yīng)用最多的背投屏幕的增益已經(jīng)下調(diào)到0.7，融合區(qū)域的效果，非常好。正投屏幕可以采用最高1.3的增益，不建議采用更高增益屏幕，否則，觀看視角受到很大限制，中間重合帶會很明顯。

*屏幕的均勻性：屏幕的均勻性一定要好，否則，很難保證整幅畫面的亮度、均勻性。

*屏幕的平整性：不論采用框架屏幕還是電動屏幕，作為軟邊融合項(xiàng)目，屏幕的平整性是畫面一致性的基礎(chǔ)，必須確保屏幕自身具有較好的平整性。

*屏幕的對比度：建議屏幕具有較好對比度，但是對比度不要求太高，如果對比度過高，重合部分的影像將很難調(diào)試。

6.2 投影機(jī)

根據(jù)系統(tǒng)組成的屏幕大小，我們可以選擇投影機(jī)的型號和顯示技術(shù)。為了保證多臺投影機(jī)透射出的畫面具有同一亮度、統(tǒng)一色彩，大屏幕拼接中投影機(jī)的選型非常重要，我們主要依據(jù)如下幾點(diǎn)：

*投影機(jī)的亮度、對比度：投影機(jī)的亮度直接決定了屏幕的畫面亮度，所以，根據(jù)通俗的算法，畫面亮度每平方米在700ANSI流明，如果房間亮度比較高，而又選擇正投，建議增加15%左右。該算法比較容易，用投影機(jī)的平均亮度除以投射面積，即可得出，一般可以滿足安裝現(xiàn)場的環(huán)境要求。

*投影機(jī)的分辨率：投影機(jī)的分辨率可以根據(jù)信號源的分辨率進(jìn)行選擇，市場主流分辨率為XGA和SXGA+，都可以滿足投影需求。

*投影機(jī)的菜單調(diào)試項(xiàng)：作為邊緣融合大屏幕使用的投影機(jī)，一般采用專業(yè)的工程投影機(jī)，投影機(jī)中的調(diào)試菜單具有色彩、色溫、亮度、投影機(jī)光輸出、高低電平的灰度等級等多項(xiàng)參數(shù)可以單獨(dú)調(diào)試，只有這樣，才可調(diào)試出整幅色彩、亮度一致的投影機(jī)。

*鏡頭位移：工程投影機(jī)一般都會具有鏡頭位移可調(diào)項(xiàng)，每個型號的投影機(jī)可調(diào)范圍都不相同。在拼接中，鏡頭位移可調(diào)大大方便了投影機(jī)物理位置的調(diào)試。

在邊緣融合大屏幕無縫拼接系統(tǒng)中，投影機(jī)的調(diào)試比較復(fù)雜，首先確保調(diào)試好物理位置再調(diào)試光學(xué)項(xiàng)目。調(diào)試物理位置時，不建議使用投影機(jī)的電子梯形校正調(diào)試畫面的大小和方正?？傊?，投影機(jī)的選擇請根據(jù)客戶預(yù)算和功能進(jìn)行選擇。

6.3 邊緣融合拼接處理器

邊緣融合拼接處理器直接影響了畫面的質(zhì)量，拼接效果顯而易見，邊緣融合拼接處理器是一個支持多輸入、多顯示的控制設(shè)備，提供靈活的數(shù)字/模擬輸入和輸出選項(xiàng)、強(qiáng)大的軟件功能，可以窗口方式顯示一系列輸入信號源窗口，并且還能夠提供多種顯示效果，比如Alpha邊緣融合、色度鍵控和次序控制。每個控制器最多支持多個可完全定義的輸入或輸出，并且還支持標(biāo)準(zhǔn)的DVI A/D輸出，可直接尋址任何兼容DVI格式的數(shù)字投影機(jī)，每一輸出可建立直至UXGA(1600x1200像素)的高速連接。邊緣融合拼接處理器主要具備以下幾方面功能：

*具有圖像邊緣衍生功能：邊緣融合設(shè)備必須衍生出重疊部分的多余圖像，否則，畫面不具有重疊功能，則無法進(jìn)行融合調(diào)試。圖象重疊部分，一般融合不小于畫面的15%，或者在200個像素以上。

*具有伽瑪校正功能：重合區(qū)域的色彩伽瑪校正功能，確保圖像色彩一致。

*具有邊緣融合功能：允許對所選擇的信號輸入轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯寞B加。融合率可由用戶自己定義，一般為15%以上。具有色度羽化功能，淡變?nèi)诤喜糠值纳屎土炼取?/p>

*具有色度鍵控功能：可以調(diào)試重合部分的色溫、色度，確保全屏幕的色彩高度一致性。

*具有次序控制功能：可以對重合部分的邊緣進(jìn)行分次調(diào)整，具有次序控制功能。

*具有視窗功能：可以按像素精度定義視窗的位置和大小，由此來顯示窗口的輸入。水平和垂直尺寸均可單獨(dú)調(diào)整。

*直觀的軟件操作界面：邊緣融合拼接處理器具有很方便的軟件操作界面，便于用戶操作和維護(hù)。

*輸入輸出和直觀的效果控制功能：對于畫面的窗口控制和信號源控制，必須做到直觀的控制功能，提高操作效率。

6.4 軟邊融合大屏幕拼接系統(tǒng)的信號處理設(shè)備

大屏幕拼接系統(tǒng)中的信號處理設(shè)備，功能比較多，設(shè)備范圍比較廣，格式轉(zhuǎn)換也比較多。下面就介紹矩陣切換器和信號格式轉(zhuǎn)換設(shè)備、傳輸設(shè)備等。

*矩陣：主要完成大屏幕計(jì)算機(jī)和視音頻信號的選擇切換功能。大屏幕投影機(jī)的數(shù)量比較多，信號源也比較多，每路信號可以任意調(diào)用，切換，輸送。矩陣的選擇一般根據(jù)帶寬、格式、輸入輸出數(shù)量、切換通道記憶、是否易控等指標(biāo)進(jìn)行選擇。

*倍頻器和降頻器：主要完成復(fù)合視頻信號和VGA信號之間的相互轉(zhuǎn)化，利于傳輸和切換。

*信號傳輸設(shè)備：計(jì)算機(jī)信號可以通過雙絞線、光纖等遠(yuǎn)距離傳輸給投影機(jī)，當(dāng)然，需要相關(guān)設(shè)備。

*信號放大驅(qū)動設(shè)備：確保信號遠(yuǎn)距離傳輸，圖像顯示不失真、無虛影、不拖尾。

6.5 集中控制系統(tǒng)

主要控制投影機(jī)的開關(guān)、簡單調(diào)試，控制現(xiàn)場燈光調(diào)節(jié)，控制信號的切換和輸送，控制部分設(shè)備的操作如DVD等。集中控制設(shè)備目前技術(shù)比較成熟和完善，選擇時主要依據(jù)需要被控的產(chǎn)品數(shù)量和型號來選配合適的控制主機(jī)，控制界面可以選擇無線或者有線的觸摸屏，同時也可以選擇使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，方式方法都比較靈活。

6.6 周邊設(shè)備

周邊設(shè)備主要是指完成整套系統(tǒng)需要的其他外圍設(shè)備，如：線纜、接口件（BNC、VGA、RJ45等接口件），機(jī)柜、UPS。

結(jié)語

近幾年，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，邊緣融合無縫拼接技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了很成熟的階段，目前已廣泛應(yīng)用于指揮控制、虛擬仿真、工業(yè)制造設(shè)計(jì)、科學(xué)研究、復(fù)雜決策和視覺娛樂等領(lǐng)域，特別是在數(shù)字城市仿真領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。展望未來，邊緣融合無縫拼接技術(shù)將朝著產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、調(diào)試簡便化、操作人性化的方向發(fā)展，使越來越多的人能夠享受全新的視覺體驗(yàn)。

[1]俞凌云，王毅剛，王亢.大屏幕投影系統(tǒng)中基于軟件的無縫拼接技術(shù)[J].2009-05-15

[2]俞凌云，王毅剛，王亢.大屏幕無縫拼接系統(tǒng)的應(yīng)用軟件平臺開發(fā)[J].2008-09-01