大屏幕邊緣融合投影系統(tǒng)原理及工程應(yīng)用

文｜上海金橋信息股份有限公司 易學(xué)軍

追求亮麗的超大畫面、純真的色彩、高分辨率的顯示效果，歷來是人們對視覺感受的一種潛在要求。大到指揮監(jiān)控中心、網(wǎng)管中心的建立，小到視頻會議、學(xué)術(shù)報告、技術(shù)講座和多功能會議的進行，對大畫面、多色彩、高亮度、高分辨率顯示效果的渴望越來越強烈，而傳統(tǒng)的電視墻、投影硬拼接屏和箱體拼接墻等很難滿足人們在這方面的要求。最近迅速崛起的邊緣融合技術(shù)是近年來興起的一個新的無縫拼接技術(shù)，它更好的改善了拼接圖像的視覺效果，正在逐步成為適應(yīng)這一需求的有效途徑。

1 邊緣融合技術(shù)的由來

邊緣融合技術(shù)就是將一組投影機投射出的畫面進行邊緣重疊，并通過融合技術(shù)顯示出一個沒有縫隙，更加明亮、超大、高分辨率的整幅畫面，畫面的效果就好象是一臺投影機投射的畫質(zhì)。

當(dāng)多臺投影機組合投射一幅畫面時，會有一部分影像燈光重疊，邊緣融合的最主要功能就是把多臺投影機重疊部分圖像亮度逐漸調(diào)低，使整幅畫面的亮度一致。

邊緣融合投影技術(shù)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。

（1）硬邊拼接（又稱簡單拼接）：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處理，該接縫顯示為黑色，如果投影儀邊緣做了亮度增強處理，該接縫顯示為白色。如圖1所示。

圖1 硬邊拼接（簡單拼接）

（2）簡單重疊：即多臺投影儀的畫面有部分重疊，但沒有做融合處理，因此重疊部分的亮度為整幅其余部分的2倍，在顯示效果上表現(xiàn)為重疊部分為一亮條。如圖2所示。

圖2 簡單重疊

（3）邊緣融合：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。如圖3所示。

圖3 邊緣融合

2 邊緣融合技術(shù)特點

邊緣融合的應(yīng)用來源于模擬仿真系統(tǒng)，是適應(yīng)人們追求亮麗的超大畫面、純真的色彩、高分辨率的顯示效果的需求而產(chǎn)生的，它在增大畫面，提高亮度、分辨率等方面有著十分明顯的優(yōu)勢。

2.1 增加圖像尺寸與畫面的完整性

多臺投影機拼接投射出來的畫面一定比單臺投影機投射出來的畫面尺寸更大，鮮艷靚麗的畫面能帶來不同凡響的視覺沖擊。另外，采用無縫邊緣融合技術(shù)拼接而成的畫面，在很大程度上保證了畫面的完美性和色彩的一致性。

2.2 增加分辨率

每臺投影機投射整幅圖像的一部分，這樣展現(xiàn)出的圖像分辨率被提高了。比如，一臺投影機的物理分辨率是1400×1050，三臺投影機融合25%后，圖像的分辨率就變成了3500×1050。

2.3 超高分辨率

利用帶有多通道高分辨率輸出的圖像處理器，可以產(chǎn)生每通道為1600×1200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4000×1200分辨率圖像。目前，國內(nèi)外市場上還沒有可在如此高的分辨率下操作的獨立顯示器。其解決辦法為使用投影機矩陣，每個投影機都以其最大分辨率運行，合成后的分辨率是減去交疊區(qū)域像素后的總和。

2.4 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（4000×3000mm）的屏幕，如果要求沒有物理和光學(xué)拼縫，將只能采用一臺投影機，投影距離=鏡頭焦距×屏幕寬度，采用廣角鏡頭1.2∶1，投影距離也要是4.8m?，F(xiàn)在采用了融邊技術(shù)，同樣畫面沒有各種縫痕，距離只需要2.4m。

2.5 特殊形狀的屏幕上投射成像

比如，在圓柱或球形的屏幕上投射畫面，單臺投影機就需要較遠(yuǎn)投影距離才可以覆蓋整個屏幕，而多臺投影機的組合不僅可以使投射畫面變大、投影距離縮短，而且可使弧弦距縮短到盡量小，對圖像分辨率、明亮度和聚集效果來說是一個更好的選擇。

2.6 增加畫面層次感

由于采用了邊緣融合技術(shù)，畫面的分辨率、亮度得到增強，同時配合高質(zhì)量的投影屏幕，就可使得整個顯示系統(tǒng)的畫面層次感和表現(xiàn)力明顯增強。

3 邊緣融合投影系統(tǒng)的實現(xiàn)方式

進行邊緣融合無縫拼接的目的，一是增加投影屏幕尺寸使其達(dá)到數(shù)倍于單屏投影的最大尺寸；二是在這個尺寸上面顯示更多、更精細(xì)的內(nèi)容，并在這兩個目的實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，將因拼接而產(chǎn)生的接縫（黑縫或重疊亮線）消除。

（1）實現(xiàn)邊緣融合無縫拼接需要兩個步驟：

第一步，邊緣疊加（edge overlapping）；

第二步，邊緣疊加部分的消隱（edge feathering）。

邊緣融合技術(shù)就是將一組投影機投射出的畫面進行邊緣重疊，并通過融合技術(shù)顯示出一個沒有縫隙，更加明亮、超大、高分辨率的整幅畫面，畫面的效果就是一臺投影機投射的畫質(zhì)。當(dāng)兩臺或多臺投影機組合投射一幅畫面時，會有一部分影像重疊，邊緣融合的最主要功能就是把兩臺投影機重疊部分的影像亮度逐漸調(diào)低，使整幅畫面的亮度一致。多臺投影機拼接投射出來的畫面一定比單臺投影機投射出來的畫面尺寸更大；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，在很大程度上保證了畫面的完美性和色彩的一致性，如圖4所示。

圖4 采用邊緣融合技術(shù)后顯示效果

（2）在實際應(yīng)用中的三種方式，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 寬視角的排列

圖6 多臺投影機垂直堆積產(chǎn)生縱向的顯示畫面

圖7 多臺投影機堆積出更高更寬幅的超大畫面

一般設(shè)計邊緣融合的步驟為先確定大概尺寸，確定投影機的數(shù)量，選擇投影機（確定投影機亮度、分辨率、鏡頭），選擇屏幕（考慮屏幕增益、均勻度、平整度），選擇融合處理器，預(yù)設(shè)軟邊融合的區(qū)域值，安裝及校準(zhǔn)屏幕和投影機，調(diào)試系統(tǒng)及測試。

（3）實際案例現(xiàn)場圖，如圖8、圖9所示。

4 FreeWindowTM邊緣融合控制處理器的功能

（1）FreeWindowTM多視窗無縫融合控制處理器的功能

圖8 全屏模式

圖9 多窗口模式

通常的多視窗顯示系統(tǒng)均常用有縫拼接的投影單元組成，而常用的無邊緣融合系統(tǒng)又無法支持多路信號的輸入。FreeWindowTM多視窗無縫顯示系統(tǒng)完美地集成了上述兩大功能，為需要無縫顯示多路視窗的用戶提供了一種全新的顯示手段。

FreeWindowTM內(nèi)置邊緣融合和幾何校正控制系統(tǒng)，可以將多路視頻、RGB或者來自網(wǎng)絡(luò)圖像的信號組成一個連續(xù)的無縫拼接的畫面。在這個連續(xù)的多通道畫面中，每路輸入信號都以獨立的窗口形式出現(xiàn)，用戶可以自由定義每個窗口的大小、尺寸、位置，以及相互間的疊合和透明關(guān)系。

FreeWindowTM不僅能夠輸入多路視頻、RGB或DVI信號，還可以通過網(wǎng)絡(luò)輸入多路計算機桌面信號，這樣遠(yuǎn)程的信號也就能被方便地顯示在大屏幕上，這進一步擴展了系統(tǒng)的應(yīng)用能力。

（2）FreeWindowTM S2多視窗無縫拼接系統(tǒng)主要功能

①內(nèi)置邊緣融合及幾何校正

內(nèi)置邊緣融合和幾何校正控制系統(tǒng)，可以將多路視頻、RGB或者來自網(wǎng)絡(luò)圖像信號，組成一個連續(xù)的無縫的拼接畫面，帶來完美的視覺效果。

②SameFrameTM多通道精確同步技術(shù)

多通道無縫拼接不僅僅需要融合和幾何校正，還需要讓多通道的內(nèi)容同步，這樣才不會出現(xiàn)畫面撕裂現(xiàn)象。SameFrame技術(shù)使得FreeWindow系列多通道顯示精準(zhǔn)的同步視覺效果。

③邊緣處理和信號播放同步處理

由于自帶邊緣融合和幾何糾正處理模塊，無需另外采購邊緣融合幾何糾正器，安裝簡單，節(jié)省成本。而且，由于兩個環(huán)節(jié)同步處理，信號播放無延遲。

④支持多畫面顯示

支持強大的多畫面圖像處理與顯示能力，支持多達(dá)4路視頻信號、2路RGB信號和背景圖像顯示。所有信號可以按照窗口方式任意大小、任意位置顯示?？勺杂梢苿?、任意縮放、任意疊加顯示。顯示模式可以保存，隨時調(diào)取。

⑤支持拼接的跨屏、快速拖動、疊加顯示、多種顯示

支持各種信號跨屏顯示、快速拖動、疊加顯示、融合區(qū)顯示正常，沒有拖尾和延遲的現(xiàn)象產(chǎn)生。支持背景圖像選擇，也可以將采集信號全屏作為背景，支持邊框色彩和寬度的調(diào)節(jié)，可以任意控制窗口的隱藏顯示。

5 采用多視窗無縫顯示系統(tǒng)實際案例現(xiàn)場圖

以深圳市規(guī)劃局城市交通仿真實驗室邊緣融合技術(shù)的大屏幕系統(tǒng)為例。該工程位于深圳市福田區(qū)紅荔西路8009號規(guī)劃大廈2樓東側(cè)，是深圳市交通仿真實驗室建設(shè)的重要組成部分。交通仿真大屏幕有效顯示面積：長×高=9m×2.25m。

交通仿真大屏幕顯示系統(tǒng)采用4x1正投無縫屏幕結(jié)合融合拼接處理，有效消除任何物理縫和光學(xué)接縫，使畫面成為一個真正的整體。除了背景圖像之外，還可同時在整個顯示墻區(qū)域上顯示不少于12個不同的信號源窗口，可將其中的一路信號以背景方式覆蓋到整個顯示墻上，其余的信號以窗口方式疊加在上面，可按照用戶的意愿任意改變窗口的位置（疊加、跨屏等）。

交通仿真投影機采用高亮度三片式DLP投影機、色彩階度匹配處理，以滿足多屏拼接系統(tǒng)色彩和亮度均勻一致性的需要。投影機亮度輸出可達(dá)到6000ANSI流明，對比度1600∶1，分辨率 1400×1050。投影機具有TCR真彩還原技術(shù)，色彩鮮艷、真實再現(xiàn)的清晰投影。投影機具有密封的DLP引擎，具有多種變焦鏡頭可選，滿足現(xiàn)場安裝環(huán)境；投影機具有智能雙燈技術(shù)，保證了穩(wěn)定性；投影機具有多路信號輸入，具有信號無縫切換功能，可以同時輸入、顯示3路以上視頻／VGA信號，投影機的鏡頭根據(jù)現(xiàn)場的平面布置計算選擇；噪音級小于43dB，最大功耗700W。軟邊拼接控制器支持多輸入、多輸出顯示，能提供靈活的數(shù)字/模擬輸入和輸出選項、強大的軟件功能，可在一個寬屏的、多通道之間邊緣融合的投影設(shè)置中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。

工程完工后效果，如圖10所示。

圖10

通過4臺Barco rlm r6+投影機的疊加投影，亮度色彩對比調(diào)整，拼接處理器計算融合像素區(qū)域，最終使4個獨立畫面成為整幅無縫拼接的畫面，畫面色彩艷麗，分辨率高，可以開多個窗口滿足多種應(yīng)用，帶來不同凡響的視覺沖擊。