摘要

　　目前，實(shí)現(xiàn)大屏的方案主要有兩種，一種是拼接，另一種則為融合。大屏幕融合是一種拼接、幾何校正、圖像邊緣融合一體化的處理方式，支持融合帶的寬度調(diào)整、及多邊形顯示、不規(guī)則投影顯示。投影機(jī)無(wú)縫拼接(邊緣融合)技術(shù)將一組投影機(jī)投射出的畫面進(jìn)行邊緣重疊、幾何校正、亮度消隱過后產(chǎn)生一個(gè)沒有縫隙、色彩均勻，超高亮度、超大尺寸、超大分辨率，在視覺感官上就像是一臺(tái)投影機(jī)投射出的畫面。廣泛適用于展覽展示、大型會(huì)議廳、監(jiān)控系統(tǒng)等需要大視覺效果的場(chǎng)合。

　　大屏技術(shù)簡(jiǎn)介

　　科學(xué)發(fā)展日新月異，技術(shù)更迭風(fēng)云變幻。人們對(duì)顯示性能的追求日益提高，選擇也越來(lái)越多元化，如:更大的顯示屏幕、更高的分辨率、更亮麗的色彩等等。在大型場(chǎng)館展覽、交通指揮調(diào)度、公共安全管理、能源資源監(jiān)控、廣播電視通訊、航行模擬訓(xùn)練等領(lǐng)域，人們對(duì)大屏幕顯示的需求尤其顯著。例如在用大尺寸的屏幕同時(shí)顯示更大的全局畫面和多個(gè)子畫面窗口，或是用圍繞觀眾的弧形大屏幕來(lái)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的畫面沉浸感以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí);這些都對(duì)顯示屏幕的尺寸和圖像分辨率提出了更高的要求。

　　大屏的實(shí)現(xiàn)目前主要有兩種，一種是拼接，基本用的是小間距LED拼接屏如圖1-1或LCD液晶拼接屏如圖1-2來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中LCD液晶顯示屏最明顯的缺點(diǎn)就是拼縫明顯，液晶面板會(huì)有老化問題;而小間距LED完全無(wú)拼縫，高亮不懼陽(yáng)光，但不足的是價(jià)格過于昂貴。另一種則為投影融合如圖1-3所示，通過投影機(jī)和硬件融合器實(shí)現(xiàn)大屏方案，既滿足了無(wú)拼縫的需求，又兼具實(shí)惠可應(yīng)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。多投影融合系統(tǒng)出色的畫質(zhì)展現(xiàn)能力與靈活的適應(yīng)性，在大屏幕顯示領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，逐漸成為了主流的解決方案。

圖1-1 LCD小間距LED拼接大屏

圖1-2 LCD拼接大屏

圖1-3 投影融合拼接大屏

　　幾種大屏技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1.1所示

　　表1.1 大屏技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

　　大屏投影融合系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理

　　在大屏幕多投影融合系統(tǒng)中，投影機(jī)投影的方式可以分為正投和背投兩種，正投是指投影機(jī)從屏幕的正前面向屏幕投影，其中正投又包含了普通正投和吊裝正投。背投是指投影機(jī)從屏幕的后面向屏幕投影，同樣也包含了普通的背投和吊裝背投。這兩種投影方式在多投影無(wú)縫拼接系統(tǒng)中的工作原理類似，本文中只考慮正投方式。以下介紹了五種常見的大屏投影融合實(shí)現(xiàn)方案

　　方案一：DHN純純硬件融合器大屏融合解決方案

　　方案二：軟融大屏融合解決方案

　　方案三：DHN投影內(nèi)置融合+畫面切割器實(shí)現(xiàn)大屏融合解決方案

　　方案四：DHN投影內(nèi)置融合+顯卡實(shí)現(xiàn)大屏融合解決方案

　　方案五：DHN純激光投影大屏融合解決方案

　　多投影大屏融合系統(tǒng)所用的大屏幕比較靈活，大尺寸的平面幕布、粗糙的墻面、弧面、柱面等非平面幕均可適用。大屏幕擺放好后，固定各個(gè)投影機(jī)的位置尤為重要。為了能在大屏幕上實(shí)現(xiàn)畫面的拼接顯示，各個(gè)投影機(jī)在大屏幕上投影畫面的并集能完整覆蓋大屏幕上的目標(biāo)顯示區(qū)域，且各投影機(jī)相鄰?fù)队爱嬅孢吘墤?yīng)有部分重疊區(qū)。視頻圖像處理設(shè)備將視頻源的若干路視頻信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)大屏幕和各投影機(jī)的相對(duì)位置輸出若干路子視頻信號(hào)，分別發(fā)送至相應(yīng)的投影機(jī)進(jìn)行投影。通常，將視頻圖像處理設(shè)備所輸出的子視頻信號(hào)數(shù)量成為該設(shè)備的輸出通道數(shù)，簡(jiǎn)稱“通道數(shù)”。由于每個(gè)子視頻信號(hào)都是輸出給一臺(tái)相應(yīng)的投影機(jī)，因此系統(tǒng)中視頻圖像處理設(shè)備所用的通道數(shù)與系統(tǒng)中投影機(jī)數(shù)量相等。

　　對(duì)于每臺(tái)投影機(jī)在大屏幕上的投影畫面，其幾何形狀會(huì)受投影角度、屏幕彎曲情況、投影機(jī)鏡頭輻射狀扭曲情況等因素所影響，僅通過手工調(diào)整投影機(jī)相對(duì)位置和投影角度的方法難以使投影畫面精確投影至大屏幕上的對(duì)應(yīng)區(qū)域。為了解決這個(gè)問題，迪恒投影內(nèi)置的17×17幾何校正技術(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)絕大多數(shù)情況下的投影畫面調(diào)整。

　　為了在大屏幕上將各個(gè)投影機(jī)所投影出來(lái)的畫面無(wú)縫拼接起來(lái)，普遍采用的做法是使得各個(gè)相鄰?fù)队爱嬅嬷g兩兩相交部分重疊，以實(shí)現(xiàn)各畫面內(nèi)容的無(wú)縫銜接。然而對(duì)于重疊區(qū)而言，相鄰的投影機(jī)投影畫面在此區(qū)域內(nèi)重疊，其畫面亮度將明顯高于非重疊區(qū)域，需要進(jìn)行邊緣融合處理。迪恒投影內(nèi)置了獨(dú)特的邊緣融合技術(shù)，可以輕松處理重疊區(qū)的亮度問題。

　　邊緣融合技術(shù)中的基礎(chǔ)做法通常是將各個(gè)投影畫面上的全部像素點(diǎn)賦予一個(gè)0-1之間的亮度權(quán)值，表示將像素點(diǎn)的亮度按照權(quán)值進(jìn)行相應(yīng)的衰減處理，權(quán)值數(shù)字越大表示亮度衰減程度越大，1.0代表不衰減，0表示衰減至黑色。非重疊區(qū)的亮度權(quán)值均為1.0，重疊區(qū)的每個(gè)像素亮度權(quán)值都小于1.0，但是同一位置的各個(gè)相鄰畫面像素點(diǎn)亮度權(quán)值之和為1.0，這樣便可以使得重疊區(qū)和非重疊區(qū)的亮度一致。

　　此外，由于各個(gè)投影機(jī)間顏色的亮度反應(yīng)曲線有差異，即使是同一型號(hào)的投影機(jī)，其投影出來(lái)的顏色亮度也不一定相同，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)效果更好的大屏融合方案就得對(duì)各個(gè)投影機(jī)進(jìn)行顏色校正，通過分析投影機(jī)顏色響應(yīng)曲線，將輸入到投影機(jī)的圖像顏色進(jìn)行逆向變換，便可以改變屏幕上各投影畫面顏色的不一致性。

　　本文將幾何校正、邊緣融合、顏色校正等技術(shù)統(tǒng)稱為“拼接融合技術(shù)”，在大屏幕多投影融合系統(tǒng)中，它們都是通過視頻處理設(shè)備來(lái)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過這些處理后，大屏幕上的各個(gè)投影畫面便可以在屏幕預(yù)定顯示區(qū)域內(nèi)無(wú)縫拼接起來(lái)。

　　無(wú)縫大屏融合實(shí)現(xiàn)步驟

　　3.1幾何校正

　　在投影大屏融合系統(tǒng)中，投影機(jī)的投影角度和大屏幕的形狀等因素都可能給屏幕上的投影畫面帶來(lái)一定程度上的幾何扭曲。幾何校正就是通過對(duì)輸出至各個(gè)投影機(jī)的畫面提前進(jìn)行逆向幾何扭曲，來(lái)使得屏幕上顯示出來(lái)的投影畫面恢復(fù)至無(wú)扭曲的狀態(tài);幾何校正對(duì)畫面的扭曲處理實(shí)際上是對(duì)每幀畫面中不同位置的各個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行位置的變換處理。為了便于用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行量化處理，我們用平面坐標(biāo)來(lái)量化表示每幀畫面上各像素點(diǎn)的空間位置，將一幀畫面視為一個(gè)畫面坐標(biāo)空間，畫面上的每個(gè)像素都視為空間中的一個(gè)點(diǎn)。來(lái)自視頻源的原始視頻畫面稱為總畫面坐標(biāo)空間，按照各投影機(jī)和大屏幕的相對(duì)位置將原始視頻畫面分成若干個(gè)子畫面，隨后被融合器進(jìn)行處理。每個(gè)子畫面稱為子畫面坐標(biāo)空間，最終輸出至各個(gè)投影機(jī)的子畫面稱為投影機(jī)緩存畫面坐標(biāo)空間，最終在大屏幕上所投影顯示出來(lái)的畫面稱為屏幕畫面坐標(biāo)空間;給每一個(gè)坐標(biāo)空間建立平面直角坐標(biāo)系，畫面的左上角為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，從原點(diǎn)垂直向下為Y軸的方向，水平向右為X軸的方向，畫面中任意一個(gè)像素點(diǎn)的橫向和縱向序號(hào)就是該點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)。

幾何校正在大屏融合系統(tǒng)中，還有一個(gè)重要的作用即保證相鄰的投影畫面的像素點(diǎn)能夠?qū)R，如果像素點(diǎn)未對(duì)齊的話，最終會(huì)導(dǎo)致重疊區(qū)的畫面出現(xiàn)重影。往往更多的格點(diǎn)可以控制的話，對(duì)畫面的校正也會(huì)更精準(zhǔn)，最終對(duì)齊的畫面會(huì)如圖3-1所示

圖3-1 經(jīng)過幾何校正后重疊區(qū)完全對(duì)齊的效果圖

　　3.2融合區(qū)調(diào)整

圖3-2

圖3-3

　　融合區(qū)調(diào)整的作用通常是為了消除兩臺(tái)投影畫面重疊部分的亮度，使其與非重疊區(qū)亮度一致。通常是將各個(gè)投影畫面上的全部像素點(diǎn)賦予一個(gè)0-1之間的亮度權(quán)值，表示將像素點(diǎn)的亮度按照權(quán)值進(jìn)行相應(yīng)的衰減處理，權(quán)值數(shù)字越大表示亮度衰減程度越大，1.0代表不衰減，0表示衰減至黑色。非重疊區(qū)的亮度權(quán)值均為1.0，重疊區(qū)的每個(gè)像素亮度權(quán)值都小于1.0，但是同一位置的各個(gè)相鄰畫面像素點(diǎn)亮度權(quán)值之和為1.0，這樣便可以使得重疊區(qū)和非重疊區(qū)的亮度一致。如下圖3-2所示，可看到重疊的兩塊區(qū)域亮度明顯高于非重疊區(qū)域，經(jīng)過校正后的效果如圖3-3所示。

　　3.3畫面切割

圖3-4

　　當(dāng)完成幾何校正和邊緣融合后，其實(shí)畫面顯示的還是獨(dú)立的非完整畫面，這個(gè)時(shí)候需要對(duì)視頻信號(hào)源進(jìn)行處理，以便實(shí)現(xiàn)真正的大屏融合。畫面切割通常包含了，圖像放大，圖像取景和重疊區(qū)調(diào)整。目前現(xiàn)有的FPGA融合器能實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的15倍放大，即可以圖像水平或垂直放大15倍。實(shí)際應(yīng)用中往往根據(jù)具體的投影排列分布來(lái)進(jìn)行放大，比如水平3臺(tái)融合，水平放大3倍即可，垂直保持不變。若為3x3的9臺(tái)投影排列，則需要水平和垂直均放大3倍。當(dāng)對(duì)圖像進(jìn)行放大后，每臺(tái)投影機(jī)顯示的仍然為相同的畫面，這個(gè)時(shí)候需要對(duì)每臺(tái)投影指定顯示的內(nèi)容顯示，我們把這個(gè)設(shè)置叫做取景選擇，具體取景以3×3排列為例，可以參考如圖3-4規(guī)則：

　　當(dāng)對(duì)每臺(tái)投影的畫面進(jìn)行取景顯示后，這個(gè)時(shí)候離完美的大屏顯示還差最后一步那就是重疊區(qū)調(diào)整。以2臺(tái)融合為例，需要把原始訊號(hào)畫面水平放大兩倍，讓左邊一臺(tái)投影儀水平取景1.讓右邊投影儀水平取景2.通俗一點(diǎn)講就是讓左邊的投影機(jī)顯示左邊的畫面，右邊的投影機(jī)顯示右邊的畫面，但是重疊部分有時(shí)候畫面并不完全一樣，這樣哪怕幾何校正對(duì)齊后，看起來(lái)畫面仍然模糊。所以需要調(diào)節(jié)重疊區(qū)以便保證重疊區(qū)域的顯示畫面一模一樣，達(dá)到完全重疊。而重疊導(dǎo)致的亮度疊加則依靠融合調(diào)整消除。

　　實(shí)際應(yīng)用案例展示

　　本部分內(nèi)容將重點(diǎn)展示大屏融合系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用

徐州潘安湖濕地公園-18臺(tái)投影實(shí)現(xiàn)大屏融合

貴州花溪黨校-多臺(tái)打造沉浸式體驗(yàn)

湖州紡織里大潤(rùn)發(fā)超市

上海復(fù)興集團(tuán)大廈外墻投影-15臺(tái)投影大屏融合

天津海濱新區(qū)黨校-8臺(tái)投影實(shí)現(xiàn)U型大屏融合

　　展望

　　感官一切，大屏不只是大。

　　未來(lái)，隨著硬件水平的提高，純硬件的8k分辨率融合器問世將不再遙遠(yuǎn)。突破分辨率的新關(guān)卡后，大屏融合系統(tǒng)不僅能滿足用戶超高清的顯示需求，還會(huì)應(yīng)需產(chǎn)生更多有趣的玩法和應(yīng)用。