◆武 攀 趙振凱

?

一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的LED大屏顯控系統(tǒng)

◆武 攀 趙振凱

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇 210007)

本文針對(duì)會(huì)議場(chǎng)所、指揮控制中心的視頻顯控需求，設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的LED大屏顯控系統(tǒng)；并將此系統(tǒng)應(yīng)用于工程建設(shè)中，為會(huì)議場(chǎng)所、指揮控制中心的大屏顯控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考。

IP化視頻傳輸；LED大屏；圖像處理

0 前言

在現(xiàn)代會(huì)議中心、指揮控制中心的信息系統(tǒng)建設(shè)中，音視頻系統(tǒng)已成為不可或缺的重要組成部分。大型項(xiàng)目中，音視頻系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)費(fèi)常占據(jù)整個(gè)信息系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用的40%~50%，甚至更高。大屏顯控系統(tǒng)因其傳遞直觀視覺(jué)信息，在音視頻系統(tǒng)中占據(jù)重中之重的地位。以往大屏顯示采用投影機(jī)拼接融合、液晶拼接等技術(shù)。近年來(lái)，由于小間距LED顯示技術(shù)的發(fā)展，LED顯示屏成為設(shè)計(jì)會(huì)議場(chǎng)所、指控中心顯示墻的一個(gè)選項(xiàng)。本文基于網(wǎng)絡(luò)化傳輸與控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種LED大屏顯控系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)用于會(huì)議場(chǎng)所、指揮控制中心的工程建設(shè)中。

1 LED屏顯示原理

LED顯示技術(shù)原理：

我們常用的液晶顯示器的技術(shù)原理是：液晶本身不發(fā)光，光源來(lái)自于顯示器中的背光燈。液晶分子的排列在電場(chǎng)作用下發(fā)生變化，通電時(shí)排列有序，使光線容易通過(guò)；不通電時(shí)排列混亂，阻止光線通過(guò)。液晶顯示器在顯示視頻時(shí)，先顯示第一行像素并保持狀態(tài)，接著顯示第二行像素，并保持前兩行像素的狀態(tài)，接著顯示第三行像素，保持前三行像素的狀態(tài)……直到顯示最后一行，一幀的畫(huà)面顯示完畢。

如圖1所示為液晶顯示器的組成方框圖。圖中，電源板將交流電輸入經(jīng)過(guò)AC-DC轉(zhuǎn)換，向驅(qū)動(dòng)板、液晶屏、高壓板等電路提供工作所需的直流電壓。高壓板將直流電轉(zhuǎn)為交流高壓電，使背光燈工作。驅(qū)動(dòng)板包括MCU和圖像處理電路：MCU根據(jù)鍵控板上傳送的信號(hào)，控制整個(gè)顯示器的開(kāi)啟、關(guān)閉、亮度調(diào)節(jié)、對(duì)比度、色彩飽和度等；圖像處理器的作用是對(duì)圖像縮放處理，將從視頻接口接收的各種分辨率的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)為驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示的信號(hào)，還可根據(jù)MCU的控制指令，改變視頻的顯示效果，如縮放、畫(huà)中畫(huà)、色彩調(diào)節(jié)等。液晶屏為顯示圖像的主體。

圖1 液晶顯示器組成方框圖

現(xiàn)在常見(jiàn)的LED液晶顯示器，這里的LED指的是液晶顯示器背光燈部分采用發(fā)光二極管（LED），而不是以前的冷陰極熒光燈管（CCFL）作為背光光源。所以，LED液晶顯示器并非像LED顯示屏那樣采用發(fā)光二極管作為像素單元。

不同于液晶顯示器，LED顯示屏屏體部分由許多發(fā)光二極管組成。首先將發(fā)光二極管集成像素，像素再集成模塊，模塊再組裝成大屏。顯示畫(huà)面時(shí)，LED模塊顯示一行發(fā)光二極管，接著點(diǎn)亮下一行LED……直到點(diǎn)亮最后一行LED。但是與液晶顯示器不同的是，LED屏顯示畫(huà)面時(shí)，上一行的發(fā)光二極管點(diǎn)亮的狀態(tài)不能持續(xù)保持，當(dāng)點(diǎn)亮下一行發(fā)光二極管時(shí)，上一行的發(fā)光二極管就已經(jīng)“熄滅”，所以LED屏的刷新頻率非常高，通常為120Hz、240Hz等，才能使人眼感覺(jué)看到一幅完整的畫(huà)面。刷新頻率越高，圖像顯示越穩(wěn)定。

如圖2所示為L(zhǎng)ED拼接大屏的組成方框圖，主要包括供電單元、控制終端、圖像處理單元和LED屏體。供電單元類似于液晶顯示器中的電源板和高壓板，為L(zhǎng)ED屏體提供工作所需的電能。LED屏的耗電與面積成正比，一般作為顯示墻的LED拼接屏的面積打幾十平方米。功耗在千瓦級(jí)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)通常配置專用的配電箱向LED屏體供電?？刂平K端類似于液晶顯示器中驅(qū)動(dòng)板上的MCU，向用戶提供人機(jī)界面，根據(jù)操作輸入控制LED屏的開(kāi)關(guān)、顯示等。圖像處理單元通常包括圖像拼接處理器、視頻轉(zhuǎn)換器等設(shè)備，類似于液晶顯示器驅(qū)動(dòng)板上的圖像處理電路，接收各類視頻源的信號(hào)，并根據(jù)控制終端的指令，實(shí)現(xiàn)圖像的拼接、開(kāi)窗、縮放等處理，轉(zhuǎn)為驅(qū)動(dòng)LED屏顯示的信號(hào)。作為顯示墻的LED屏，顯示面積較大，展示的信息內(nèi)容豐富，方式多樣，所以在圖像處理單元需用高性能圖像拼接處理器實(shí)現(xiàn)。類似于液晶顯示器中的液晶屏，LED屏體為顯示圖像的主體。

圖2 LED拼接大屏組成方框圖

對(duì)比液晶拼接屏、投影機(jī)等顯示設(shè)備，LED屏具有亮度高、對(duì)比度高、色彩艷麗、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。和液晶拼接屏相比，LED拼接屏的拼縫較小，亮度高、色彩一致性好。和投影融合拼接屏相比，雖然投影融合能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接，但是亮度和色彩逼真度不如LED拼接屏，而且融合帶的調(diào)試過(guò)程較繁瑣，在使用過(guò)程中，需要定期更換燈泡、調(diào)整融合帶。即使使用激光投影機(jī)，壽命也遠(yuǎn)小于LED屏。在戶外，因?yàn)榱炼雀?、可靠性高，常采用LED屏作為信息板、廣告牌、告示牌。作為信息顯示手段，LED屏在金融證券、體育、交通、商業(yè)、廣告宣傳、郵電電信、國(guó)防軍事等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著小間距LED技術(shù)的發(fā)展，在會(huì)議中心和指控中心的建設(shè)中，也越來(lái)越多地采用LED拼接大屏作為主要顯示設(shè)備。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種適合室內(nèi)大型會(huì)議場(chǎng)所、指揮控制中心使用的LED大屏顯控系統(tǒng)。采用分布式傳輸視頻信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)化控制的方式，設(shè)計(jì)的LED大屏顯控系統(tǒng)包括以下部分：網(wǎng)絡(luò)、LED屏體、圖像處理單元、供電單元、網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸子系統(tǒng)、控制終端。如圖3所示為系統(tǒng)組成框圖。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

圖3中，控制終端、供電單元、圖像處理單元、網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸子系統(tǒng)都接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)是各部分交互信息的基礎(chǔ)環(huán)境?？刂平K端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制供電單元，從而控制LED屏的開(kāi)啟與關(guān)閉；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制圖像處理單元，從而控制LED屏顯示畫(huà)面的樣式，如多屏顯示、全屏顯示、開(kāi)窗顯示等；網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸子系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向圖像處理單元傳輸各類視頻信號(hào)，同時(shí)也通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和控制終端通信，接受控制終端的控制，實(shí)現(xiàn)視頻的調(diào)度切換。圖3和圖2相比，在圖3中控制終端、供電單元、圖像處理單元通過(guò)通網(wǎng)絡(luò)交互信息，而不是像圖2中那樣直連，這是考慮到會(huì)議場(chǎng)所、指控中心的場(chǎng)地較大，采用網(wǎng)絡(luò)化控制的方式可不受距離的限制；圖2中的視頻源改為圖3中的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸子系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)化分布式技術(shù)使視頻系統(tǒng)的擴(kuò)展和接入更加方便。

2.2 LED大屏和供電設(shè)計(jì)

LED拼接大屏由若干箱體拼接而成，箱體的寬高比常見(jiàn)有16:9和4:3兩種。選擇和設(shè)計(jì)LED大屏?xí)r，需綜合考慮場(chǎng)地尺寸、用戶需求、經(jīng)費(fèi)等因素，在多個(gè)選項(xiàng)之間折衷。LED大屏的造價(jià)與屏體的規(guī)格和大屏的整體面積直接相關(guān)。屏體的規(guī)格主要是由像素的間距決定。像素間距越小，價(jià)格越高。LED大屏的整體面積越大，造價(jià)越高。由觀看者與屏面的距離，決定了LED屏的規(guī)格和面積。當(dāng)觀看者距屏面一定距離時(shí)，由人眼的分辨力，像素間距需小于某一數(shù)值，才可使觀看者不能察覺(jué)到屏面的顆粒感。一般計(jì)算時(shí)，設(shè)人眼極限分辨力為1弧分，由觀看者距屏面的距離，求出LED屏像素的間距。觀看者距屏面的距離在屏高的2.5倍至4倍之間較佳，由此可確定屏的高度。

不同像素間距的LED屏，功耗不同。像素間距越小，單位面積上的發(fā)光二極管數(shù)目越多，因此單位面積的LED屏耗電越高。比如，像素間距1.6毫米的LED屏每平方米耗電800瓦，乘以屏的面積可得耗電估計(jì)值。一般，30平方米的LED拼接屏功耗為20~30千瓦，通常為L(zhǎng)ED屏單獨(dú)配置一個(gè)配電箱供電。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制LED屏的開(kāi)關(guān)，則需將配電箱接入交換機(jī)。可在配電箱中設(shè)計(jì)安裝網(wǎng)絡(luò)模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊上具有網(wǎng)絡(luò)接口，根據(jù)從網(wǎng)口接收的開(kāi)關(guān)機(jī)命令，控制配電箱的斷路器的閉合與斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)LED屏的開(kāi)啟與關(guān)閉。

2.3圖像處理單元的設(shè)計(jì)

作為會(huì)議中心、指控中心的主顯示墻，LED大屏上需實(shí)現(xiàn)多屏顯示、開(kāi)窗顯示等效果。LED大屏顯示系統(tǒng)中的圖像處理單元用來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)大屏上的多畫(huà)面顯示，通常包括高性能圖像拼接處理器和視頻格式轉(zhuǎn)換設(shè)備：圖像拼接處理器接收各種分辨率、各種接口的視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)多種處理、計(jì)算步驟，輸出固定分辨率的信號(hào)，并由視頻格式轉(zhuǎn)換設(shè)備將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)為可以驅(qū)動(dòng)LED箱體顯示的信號(hào)。

圖像拼接處理器和視頻格式轉(zhuǎn)換設(shè)備具有網(wǎng)口，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收控制命令，從而實(shí)現(xiàn)多屏、開(kāi)窗顯示等模式的調(diào)用。

2.4網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸子系統(tǒng)采用分布式的網(wǎng)絡(luò)化視頻傳輸設(shè)備，將不同分辨率、不同接口的視頻源信號(hào)壓縮編碼，構(gòu)成數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。該子系統(tǒng)包括服務(wù)器、視頻編碼器和視頻解碼器。視頻編碼器將各類視頻源信號(hào)壓縮編碼數(shù)據(jù)包，受服務(wù)器的控制，傳輸至視頻解碼器。視頻解碼器將收到的數(shù)據(jù)包解碼成視頻信號(hào)傳輸至圖像處理單元，作為圖像處理單元的視頻信號(hào)源。

2.5控制終端設(shè)計(jì)

在控制終端上安裝LED屏系統(tǒng)顯控軟件，提供良好的人機(jī)交互界面，方便操作人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED大屏系統(tǒng)的集中控制。LED屏系統(tǒng)顯控軟件包括對(duì)供電單元、圖像處理單元和網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸部分的控制軟件，分別實(shí)現(xiàn)LED大屏的開(kāi)關(guān)控制、LED屏顯示畫(huà)面的模式控制和顯示畫(huà)面的調(diào)度切換控制。

2.6系統(tǒng)連接圖

由上所述，將圖3的系統(tǒng)組成框圖細(xì)化，得到如圖4所示的系統(tǒng)連接圖。

圖4系統(tǒng)連接圖

圖4中，由多臺(tái)交換機(jī)構(gòu)成的局域網(wǎng)對(duì)應(yīng)圖3中的網(wǎng)絡(luò)部分，是網(wǎng)絡(luò)化LED大屏顯控系統(tǒng)信息交互的基礎(chǔ)環(huán)境。

LED屏體部分由24列×8行的箱體構(gòu)成，箱體的寬高比為4:3，每個(gè)箱體的視頻輸入信號(hào)為L(zhǎng)VDS信號(hào)。

圖像處理單元由一臺(tái)視頻控制器、若干臺(tái)DVI分配器和LED控制器構(gòu)成。視頻控制器為一臺(tái)高性能圖像拼接處理器，安裝在機(jī)房中，根據(jù)需要可配置DVI輸入板卡、SDI輸入板卡、HDMI輸入板卡、VGA輸入板卡等，接收各種分辨率和接口的視頻信號(hào)，并經(jīng)過(guò)圖像拼接處理、計(jì)算，輸出DVI信號(hào)。DVI分配器和LED控制器安裝在屏體附近，將視頻控制器輸出的DVI信號(hào)轉(zhuǎn)為L(zhǎng)ED屏箱體可接收的LVDS信號(hào)?？紤]到視頻控制器和屏體的距離較遠(yuǎn)，在視頻控制器和DVI分配器之間設(shè)置DVI光端機(jī)，以光纖為介質(zhì)長(zhǎng)距離傳輸DVI信號(hào)。視頻控制器上配有網(wǎng)口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收控制命令，實(shí)現(xiàn)開(kāi)窗顯示、多屏顯示、整屏顯示等模式調(diào)用。LED控制器也接入網(wǎng)絡(luò)中，向控制終端反饋LED屏箱體的狀態(tài)信息，并接受控制命令調(diào)節(jié)LED屏顯示亮度。

供電單元由配電箱構(gòu)成，配電箱中安裝具有網(wǎng)口的PLC模塊。PLC模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收指令，控制配電箱里斷路器的閉合與斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟或關(guān)閉LED屏體的功能。

網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸子系統(tǒng)由編碼器、DVI解碼器、視頻調(diào)度服務(wù)器組成，各設(shè)備均接入網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的分布式視頻傳輸系統(tǒng)。編碼器可根據(jù)需要配置各種接口的高清、標(biāo)清視頻編碼器，將各種視頻源信號(hào)轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至解碼器。解碼器將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)為DVI信號(hào)輸出接至視頻控制器。通過(guò)視頻調(diào)度服務(wù)器，將編碼器所接的視頻源信號(hào)送至解碼器，從而實(shí)現(xiàn)在LED大屏上視頻切換。

設(shè)置一套接入網(wǎng)絡(luò)的集中控制臺(tái)作為控制終端，實(shí)現(xiàn)LED大屏系統(tǒng)控制的網(wǎng)絡(luò)化。集中控制臺(tái)上安裝的軟件包括LED屏控制軟件、視頻控制器軟件和網(wǎng)絡(luò)視頻調(diào)度軟件。LED屏控制的軟件可以向配電箱中的PLC模塊發(fā)送指令，從而控制LED屏的開(kāi)啟與關(guān)閉；通過(guò)向LED控制器發(fā)送命令，可調(diào)節(jié)LED屏顯示亮度、色彩、白平衡等參數(shù)，從LED控制器反饋的信息可查看LED箱體的狀態(tài)信息。通過(guò)可視化的視頻控制器軟件，在集中控制臺(tái)上可以實(shí)時(shí)監(jiān)控LED大屏顯示的效果，實(shí)現(xiàn)任意分辨率、任意視頻源的布局、拼接、拆分、疊加、開(kāi)窗顯示、對(duì)顯示屏場(chǎng)景進(jìn)行離線/在線編輯、場(chǎng)景預(yù)設(shè)、場(chǎng)景調(diào)用等操作。網(wǎng)絡(luò)視頻調(diào)度軟件與視頻調(diào)度服務(wù)器中安裝的軟件通信，控制編碼器與解碼器的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)視頻調(diào)度切換。在集中控制臺(tái)上的網(wǎng)絡(luò)視頻調(diào)度軟件采用可視化方式編輯大屏布局，用拖拽方式實(shí)現(xiàn)視頻切換、預(yù)監(jiān)輸入視頻信號(hào)、計(jì)劃導(dǎo)播、臨機(jī)導(dǎo)播等功能。此外，LED大屏系統(tǒng)控制軟件包括多用戶管理和日志管理：多用戶管理支持權(quán)限分級(jí)，不用用戶按級(jí)別賦予不同的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)人員、崗位的管理；日志管理可記錄、查詢用戶操作，做到操作可追溯。由此保證網(wǎng)絡(luò)化LED大屏顯控系統(tǒng)的使用安全性和可靠性。

3 小結(jié)

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化大屏顯控系統(tǒng)時(shí)需注意，網(wǎng)絡(luò)化分布式視頻傳輸子系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求較高，對(duì)交換機(jī)的交換能力要求嚴(yán)格，需采用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試篩選出來(lái)的型號(hào)。并且，分布式視頻傳輸系統(tǒng)運(yùn)行的是專用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，雖然使用的是標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，但是不建議將其他通往網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入此交換機(jī)。因此，可將控制部分和視頻傳輸部分的分別接入不同的交換機(jī)。和HDbaseT技術(shù)、光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)相比，網(wǎng)絡(luò)化分布式傳輸子系統(tǒng)傳輸?shù)囊曨l畫(huà)面經(jīng)過(guò)壓縮編碼、解壓縮解碼，畫(huà)質(zhì)不如前兩者，但是將視頻IP化后，可作為一種數(shù)據(jù)資源使用，嵌入軟件中，使視頻的展現(xiàn)形式更加豐富。

本文基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合LED大屏顯示系統(tǒng)，所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化LED大屏顯控系統(tǒng)，已在工程實(shí)踐中已采用并將推廣，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)會(huì)議場(chǎng)所、指控中心中音視頻大屏顯控系統(tǒng)的建設(shè)具有一定指導(dǎo)意義。

[1]梁華.音視頻會(huì)議系統(tǒng)與大屏幕顯示技術(shù)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]李傳波.液晶顯示器維修從入門(mén)到精通[M].科學(xué)出版社，2011.

[3]王志剛，許桂明，武攀.一種網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程安全共享顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2015.

[4]武攀，許桂明.一種大容量一體化音視頻系統(tǒng)的安全控制方法研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2015.

[5]趙亮，李光，武攀.一種基于HDBaseT和IP流技術(shù)的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2016.