融合拼接大屏顯示系統可靠性研究及優化策略

張春林，朱敬東，余黃河

(北京航天飛行控制中心，北京 100094)

圖像拼接技術是數字圖像處理的重要環節，已成為國際學術界研究的一個熱門方向［1］。它是將一系列相互間存在重疊部分的真實圖像合成一個單一的、更大、更復雜的新圖像，是表現真實世界的有效方法［2］。目前主流的投影顯示多采用融合拼接方式(亦稱邊緣融合方式)。其具有拼接尺寸靈活、完全無縫拼接、投影機數量少、易于維護等特點，使其在特殊顯示領域展現出很好的適用效果［3］。采用融合拼接技術還可以投影立體數字圖像，能使觀看者獲得一種身臨其境的仿真視覺感受。它比普通的環幕系統具備更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內容、更高的顯示分辨力以及更具沖擊力和沉浸感的視覺效果。融合拼接大屏幕顯示以其獨特的優勢成為今后發展的重要方向。

融合拼接大屏幕顯示系統的優勢廣受好評，但現階段業界對該類系統可靠性問題還缺乏系統性研究。本文試圖從該系統的組成結構和運行機理入手，對融合拼接與非融合拼接投影陣列大屏幕顯示系統可靠性問題展開比較性研究，找出影響系統可靠度指標的關鍵環節，進而研究提出融合拼接大屏幕顯示系統可靠性設計優化方案。

1 系統機理及特點

1.1 系統機理

融合拼接大屏幕顯示系統組成結構如圖1所示。系統主要由DVI，SDI，RGB，VIDEO等各種信號切換矩陣組成的切換矩陣集合、拼接融合器(亦稱邊緣融合器)、投影機陣列、無縫大屏幕和集中控制5部分組成。顯示局域網、圖形工作站以及視頻源設備等可以看作是與大屏幕顯示系統緊密相關的外圍系統。其工作原理是，切換矩陣將各類顯示信號饋送至拼接融合器;由拼接融合器完成各種信號源的選擇，拼接畫面的產生、分割、合成，并按照算法排列，分別輸出給投影機陣列中的每臺投影機，靈活實現多種類別的顯示。

圖1 融合拼接大屏幕顯示系統結構圖

1.2 技術特點

傳統大屏幕拼接系統是由多臺投影機投射單獨畫面，物理拼接組成整體大畫面。每個投影畫面之間沒有內容的重疊部分，即使采用整張無縫的屏幕，在視覺上也會感覺到拼接縫的存在，如圖2所示。

圖2 物理拼接大屏幕顯示效果

目前的邊緣融合大屏幕拼接系統的特點是，整幅投影畫面由不同的投影機投影畫面拼接組成，每個單獨的投影畫面拼接中有投影光線和畫面內容的重疊部分，通過拼接融合器按照一定算法，對圖像幾何失真進行校正，對重合部分的多余亮度進行羽化融合，并對色彩進行平衡，從而確保整幅顯示畫面沒有任何接縫，而且亮度和色彩均勻一致，如圖3所示。

圖3 融合拼接大屏幕顯示效果

邊緣重疊、融合一體的大屏幕拼接技術，是現代計算機圖形處理技術和各種顯示技術的有機結合，實現了多路獨立視頻信號和計算機信號同時直通顯示，畫中畫顯示，高分辨力全屏顯示，靈活縮放顯示，大畫面跨屏清晰顯示，超高分辨力圖像、視頻、計算機、網絡信號綜合顯示等［4］。這是融合拼接大屏幕顯示系統的顯著優勢，也是其成為熱點和重要發展方向的原因。

2 兩類拼接系統可靠性分析與比較

融合拼接大屏幕顯示系統的顯示效果美輪美奐，其先進性、靈活性不容置疑，但其可靠性如何，需要全面分析研究。本文目的在于優化設計，進一步提高系統的可靠度，充分發揮先進系統的效能。

與非融合拼接系統相比較，融合拼接大屏幕顯示系統增加了圖像拼接融合器，如圖4所示。

圖4 融合拼接與非融合拼接系統區分原理圖

需要指出的是，這只是一個原理性區分框圖，為了化繁為簡，直觀方便，略去了顯示局域網、計算機圖形工作站、視頻設備、集中控制和投影屏幕等兩類系統共有的部分。圖中的虛線框部分拼接融合器則是融合拼接大屏幕顯示系統獨有的設備。

2.1 拼接融合器對系統可靠性的影響

2.1.1 條件假設

1)除了有無拼接融合器，兩類系統采用完全相同的設備，使用條件、失效判定標準都相同;

2)為了簡化推導，假定系統中矩陣、融合器、投影機陣列等單元可靠度指標R都相等;

3)投影機數量為常用的3臺，水平排列。

2.1.2 指標符號標注約定

由于可靠性一系列指標有統一規定的符號，為了在以下可靠性分析推導中，分清融合拼接與非融合拼接兩種方式，指標的符號標注需作如下約定:1)融合拼接總可靠度下標添加“(R)”;2)非融合拼接總可靠度下標添加“(F)”。

2.1.3 融合器對系統可靠度指標影響的推導

兩種拼接方式均為串聯系統，只是融合拼接系統多串了一級，可靠性結構模型如圖5所示。

圖5 融合拼接與非融合拼接系統可靠性結構模型

假定串聯系統中m個單元是相互獨立的，只要其中任何一個失效，則整個設備系統就失效［5］。若每個單元的可靠度為Ri，則系統的總可靠度為

因為設定各單元可靠度均為R，且0＜R＜1，所以，串聯系統總可靠度為

因此，融合拼接系統總可靠度指標為

非融合拼接系統總可靠度指標為

比較融合與非融合系統總可靠度指標大小，得出

由式(5)可知，融合拼接大屏幕顯示系統總可靠度比非融合拼接系統總可靠度低。如果全部顯示信號都經由拼接融合器，此設備一旦故障會形成“卡脖子”效應。

2.2 投影機故障對兩類拼接系統可靠性的影響

投影機陣列一般由相同機型構成，首先設各投影機可靠度指標R相等。本文以3臺投影機拼接投影一幅超大圖像、分別投影3幅圖像這兩種情況為例，將投影機故障對兩類拼接系統可靠性的影響進行分析、比較。

2.2.1 拼接顯示一幅超大圖像兩類系統比較

這種情況下，無論是采取無縫融合拼接，還是傳統的物理拼接，要求3臺投影機均正常工作，大屏幕系統才能顯示完整的圖像。兩種拼接投影陣列均為串聯系統，其可靠性結構模型如圖6所示。

圖6 兩類系統拼接顯示一幅超大圖像投影機陣列可靠性結構模型

投影機故障對兩類拼接系統總可靠度影響是相同的，即3臺投影機陣列總可靠度為

2.2.2 分別投影顯示圖像兩類系統比較

當3臺投影機分別投影不同圖像時，如果某臺投影機發生故障不能投影，此種情況下，投影機故障對于不同拼接方式的大屏幕顯示系統可靠度的影響程度是不同的。

1)非融合拼接大屏幕顯示系統受影響分析

只要備份信號充足，切換靈活方便，此時可以用2幅完好的大屏幕圖像將重點、核心的內容正確顯示出來。實時監控或指揮顯示工作可以繼續進行，系統依然有效。非融合拼接投影機陣列可以看作表決系統(m，n系統)，此處為3∶2系統，即總共3臺投影機，只要2臺工作正常，投影機陣列就整體有效，其可靠性結構模型如圖7所示。

圖7 3∶2表決系統可靠性結構模型

投影機陣列總可靠度為

2)融合拼接大屏幕顯示系統受影響分析

由于3臺投影機的投影屏幕已經融合為一個邏輯大屏幕，即使是側邊某臺投影機突發故障不能投影，與其相鄰的中間投影圖像的融合區域亮度也會逐漸暗淡，并在黑屏區域留下殘留邊帶圖像，在大屏另一側只剩下一幅正常顯示的圖像。其原理如圖8所示。

圖8 融合拼接重疊區域亮度羽化融合示意圖

為了實現亮度羽化融合，在融合區域圖像信號必須交錯地漸強漸弱，所以每臺投影機投出的圖像寬度都要延伸到相鄰圖像區域，形成重疊部分［6］。如果是中間一臺投影機故障不能顯示，則剩下兩側的圖像都不正常，剩余兩幅圖像靠近中間一端的邊側亮度漸暗，中間黑屏兩側都會拖出殘留邊帶圖像。

所以，對于融合拼接系統，即使各投影機分別投影不同的圖像，其可靠性結構模型也近似于串聯系統，即3臺投影機只要有1臺不能投影，最佳狀況也只剩下邊側1幅正常圖像，大屏幕顯示系統基本失效。按照串聯結構模型，投影陣列總可靠度指標為

3)比較兩類拼接系統投影機分別投影的總可靠度

如上所述，1臺投影機故障時，非融合與融合拼接系統中投影機陣列總可靠度大小是不同的，即

顯然，非融合拼接投影陣列總可靠度大于融合拼接投影陣列總可靠度，從而使非融合拼接大屏幕顯示系統整體可靠度也高于后者。后者發生系統失效機率更大。

上述可靠性分析說明:1)融合拼接器插入后，大屏幕顯示系統可靠度有所降低;2)與非融合拼接系統相比，在融合拼接系統中，單臺投影機突發故障不能投影時對大屏幕顯示系統整體可靠性影響更大，帶來的風險更高。因此，融合拼接大屏幕顯示系統結構應當予以優化。

3 融合拼接系統可靠性設計優化策略

提高融合拼接大屏幕顯示系統可靠性，首先應從優化設計這一基礎開始。

3.1 優化結構，建立系統顯示信號應急備份通道

為了應對融合拼接器突發故障，切斷至投影機的顯示信號通路，可在切換矩陣集合與投影機陣列之間建立應急直達通道，確保系統正常工作，系統結構如圖9所示。

圖9 融合拼接系統建立顯示信號應急備份通道結構圖

對于應急直達通道，要做到每一路比較重要的顯示信號都能饋送至所有投影機接口。為此，在系統設計時需要從以下4個環節具體實現優化結構:

1)投影機的信號接口種類要豐富，數字圖形圖像信號、模擬視頻信號都應有應急備份接口;

2)切換矩陣類型根據需要配置齊全，輸入、輸出路數在滿足主用和應急直通備路基礎上再留冗余;

3)顯示局域網、圖形工作站和視頻源3個部分作相應規模的統籌規劃和設計，在融合器或某投影機突發故障情況下，達到要源有源，要路有路的應急顯示狀態，確保系統有效工作;

4)應急備用通道投影，不配置融合拼接器，以增強應急靈活性和時效性。

3.2 應急通道與雙投影機陣列特殊配置

在民航、鐵路、軍事、大型文體活動以及航天試驗等某些特殊應用環境下，不允許大屏幕實時顯示有任何瑕疵或短暫中斷。在這種特殊情況下，除了建立顯示信號應急備份通道，有必要配置一套投影機陣列熱備份供應急切換。緊急時刻作備用，平時可以按照需求大小、規格高低，分類啟用主、備用投影機陣列，系統結構如圖10所示。

圖10 融合拼接大屏幕應急通道與雙投影機陣列特殊配置結構圖

兼顧經濟性，新投影機作主用，更新前的舊機型可用作備用投影機陣列。

3.3 完善備份結構與通用優化策略并重

在優化融合拼接系統可靠性設計，完善系統應急備份結構的基礎上，對行之有效的通用優化策略必須堅持執行，不可偏廢。本文不贅述，列出要點如下:1)優選品牌服務商和設備機型;2)各類重要設備和備件按照比例備份齊全;3)加強人員培訓，使其技術熟練，并按章操作;4)熟悉應急預案，常備不懈;5)定期維護保養，使系統隨時處于良好狀態。

4 結論

本文在對融合拼接與非融合拼接兩類大屏幕顯示系統組成結構、工作機理分析基礎上，重點對兩類系統可靠性進行了比較性研究。針對一般和特殊應用環境及要求，分別提出了融合拼接大屏幕顯示系統優化策略。基于上述分析研究，得出如下結論:

1)融合拼接技術適應了數字圖像處理與顯示的發展潮流，該技術先進性決定其發展前景廣闊。

2)在各種相同條件下，融合拼接大屏幕顯示系統的可靠度低于非融合拼接系統。如不優化設計，完善結構，加強管理和維護，造成故障的風險相對較高。

3)通過建立投影顯示信號應急備用通道，能大幅提高融合拼接大屏幕顯示系統可靠度。特別是在此基礎上，對于可靠度要求極高的實時顯示系統，進一步配置備用投影機陣列，將顯著優化系統結構，使得該類系統在保持先進性、靈活性的同時，依然可以獲得很高的可靠度。

［1］宋海華，邵志一.基于改進型特征匹配的圖像拼接方案設計［J］.電視技術，2008，32(2):19－20.

［2］尚明姝.基于特征點約束關系的圖像拼接算法［J］.電視技術，2012，36(13):64－66.

［3］劉少輝，蘇峰.當今市場主流拼接大屏幕技術展望［J］.合作經濟與科技，2012，28(16):126－127.

［4］吳群鋒.網管監控中心拼接大屏幕選型研究［J］.電視技術，2011，35(16):40－42.

［5］盧昆祥.電子設備系統可靠性設計與試驗技術指南［M］.天津:天津大學出版社，2011.

［6］劉淑.多通道大屏幕圖像無縫拼接技術研究［D］.北京:北京交通大學，2011.