嵌入式圖形拼接控制系統在黑龍江省地震應急視頻系統的應用

方 瑤，郝永梅，王建勛，張美玲，周 琳

（1.黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；2.五大連池地震火山監測站，黑龍江 五大連池 164155）

?

嵌入式圖形拼接控制系統在黑龍江省地震應急視頻系統的應用

方 瑤1，郝永梅1，王建勛1，張美玲2，周 琳1

（1.黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；2.五大連池地震火山監測站，黑龍江 五大連池 164155）

摘要：通過對嵌入式圖形拼接控制器技術特點的介紹，結合目前黑龍江省地震應急視頻系統的現狀，提出了其在黑龍江省應急視頻系統中的應用方案，并對嵌入式圖形拼接控制器與原有的拓展式圖形控制器進行對比分析。希望能夠為今后相關研究與應用的開展提供一定的參考與幫助。

關鍵詞：圖形拼接控制器;大屏幕;視頻系統

0　引言

近年來，大屏幕展示系統廣泛應用于會議、監控、大堂、教育、娛樂等多種場合，隨著大屏幕顯示系統的廣泛應用和嵌入式處理器技術的發展，大屏幕的控制模式也從最初的工業控制機模式發展為嵌入式圖形拼接控制模式。

黑龍江省地震應急視頻會議系統建設于“十五”時期，運行已近十年，設備老化、故障增多的問題凸顯，其中不少是由于視頻控制矩陣接口接觸不良及串口控制線松動引起的線路故障。因此希望能夠找到一種解決方案可以減少設備和線路連接數量，方便管理和故障排查。

黑龍江省地震應急視頻會議系統原有拓展式圖形控制器為XP操作系統，由于XP系統自身特點，隨著系統運行時間的增長，系統反應變慢，高清視頻播放出現卡頓的情況增多。因此希望能夠找到一種解決方案可以實現圖像整齊、播放流暢。

在近期的黑龍江省地震應急視頻會議系統改造升級中，采用了基于FPGA的嵌入式圖形拼接控制器代替了原有的拓展式圖形控制器，減少了RGB和video矩陣等中間連接設備。通過基于可編程邏輯陣列的Nios控制和圖像處理，實現播放高速動態視頻時，畫面整齊、圖像流暢。

1　“十五”時期地震應急視頻系統架構

黑龍江省地震應急視頻系統包括視頻接入、連接與控制、信息展示三部分，視頻接入部分包括高清視頻會議終端、pc機終端、筆記本接入終端、指揮大廳攝像頭、DVD、VCD播放器等。信息展示設備為6塊DLP大屏幕和等離子電視。連接與控制設備為拓展式圖形控制器、控制用pc機、RGB控制矩陣、video控制矩陣組成（圖 1）。

高清視頻會議終端與4路pc機終端、3路筆記本終端通過VGA連接線接入RGB控制矩陣。指揮大廳攝像頭、DVD、VCD接口為BNC格式，連接video控制矩陣。拓展式圖形控制器采用C/S架構，控制用pc機通過局域網絡訪問服務器進行大屏幕，進行開啟，關閉，信號投影，信號切換等控制操作。

RGB控制矩陣共有8個輸出信道，2路信號輸出到拓展式圖形控制器，5路信號以直連方式連接大屏幕的5塊DLP屏幕，1路信號連接等離子電視。

video控制矩陣共有8個輸出信道，4路信號輸出到拓展式圖形控制器，4路信號以直連方式連大屏幕的4塊DLP屏幕。

拓展式圖形控制器通過顯卡將視頻信號輸出到6塊DLP大屏幕。拓展式圖形控制器與2個矩陣間通過串口控制線進行控制操作。

2　嵌入式圖形拼接控制器的技術特點

2.1架構上采用FPGA并行處理技術

并行處理是計算機系統中能同時執行兩個或更多個處理的一種計算方法。并行處理的主要目的是節省大型和復雜問題的解決時間。常用的圖像并行處理可分為流水線連接與并行陣列連接模。流水線的連接模式是按數據處理先后的順序將處理單元串聯在一起,即前一個處理單元的輸出和后一個處理單元的輸入相連的連接模式。此種模式是根據任務獨立性將一個任務分解成一些復雜性大致相同，且彼此間可以獨立完成的子任務,多個子任務在流水線的各級上同時執行。并行陣列連接模式是通過多個具有相同處理功能的單元組成一個并行陣列,每一個處理單元都可以獨立執行任務,通過海量處理單元的并行處理以獲得高處理速度[1，2]。

嵌入式圖形拼接控制器根據視頻圖像處理的特點，將流水線結構和并行陣列結構結合使用。對于如圖像采集與校準、系統顯存管理及顯存、信號輸出部分，利用其數據處理相同性，采用并行陣列結構設計。對于如圖像疊加與圖像剪裁，亮度調節與色度調節,預處理、縮放、濾鏡，空間變換顏色校準等邏輯上具有在先后順序的功能模塊采用流水線結構設計。

根據流水線結構的特點，任何一個處理單元出現的故障將直接破壞整個流水線的正常工作，并且整個任務的速度取決于執行時間最長的子任務的執行時間[1]，故需要對流水線部分處理模塊進行監控和管理。根據并行陣列結構的特點，在數字化圖像的并行存儲存取 、并行顯示、并行傳輸等方面需要對數據進行同步控制，需要有控制管理器。嵌入式圖形拼接控制器采用嵌入式操作系統可編程邏輯陣列作為控制核心，完成對內部各個模塊的狀態控制和管理，并為外部控制設備提供接口（圖 2）。

嵌入式圖形拼接控制器利用FPGA芯片的集成度高，靈活性強，具有強大數據處理功能，實現基于神經元算法的數據信號并行處理計算。根據神經元算法的特點，神經網絡整個流程中存在隱層矩陣各行與輸入向量點乘累加過程,適合用并行陣列來實現[2]。FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，為一種半定制電路。定制電路具有芯片面積小，集成度高，運算速度快的特點。但其具有制造周期長、成本高，制成后不易修改，FPGA作為半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了可編程器件門電路數有限的缺點，具有應用靈活、集成度高、功能強大、性能穩定、成本低廉等優點[2]。嵌入式圖形拼接控制器通過基于FPGA的并行處理技術，實現了圖形信號的高速處理。

2.2采用基于LVDS高速數字信號交換體系

嵌入式圖形拼接控制器將所有接入信號轉換為LVDS信號，以適應內部高速的圖形信號處理。在內部圖形處理計算完成后再將LVDS信號轉化為相應的輸出信號。LVDS 技術的核心是采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數據，具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特點。LVDS接口工作電壓低，在保證功耗和電磁干擾最小的同時又做到高速數據傳遞[3，4]（圖3）。

2.3豐富的接口配置和模塊化結構

以往拓展式圖形控制器接口受到主板顯卡個數限制，需要依托于各類矩陣進行多通道輸入輸出。嵌入式圖形拼接控制器本身就提供了VGA、DVI、HDMI、BNC、SDI、Ypbpr、HDBaseT等輸入輸出接口，不需再額外連接設備。嵌入式圖形拼接控制器是基于模塊化設計，支持對板卡任意的混合接入，能滿足多種信號接口的需求，并可以根據用戶需要定制接口，具有更高的靈活性。基于模塊化設計，使嵌入式圖形拼接控制器支持各種子模塊的任意插拔、更換，便于對系統故障的快速檢測、維護。

2.4直接對信號源的狀態監控和強大的圖像處理功能

拓展式圖形控制器通過視頻矩陣連接視頻源。經過矩陣設備轉換，視頻源的電信號狀態已經改變。無論視頻源的是否真有信號輸入，在控制端均顯示有視頻信號輸入。嵌入式圖形拼接控制器與視頻源設備直連，一旦視頻源信號中斷，在控制端狀態則隨之改變，方便操作人員狀態監控。

嵌入式圖形拼接控制器作為專業的圖像處理設備，具有強大的圖像處理功能。依托純硬件架構和強大的圖像處理模塊可以實現圖像的任意組合拼接、移動、縮放、疊加、跨屏展示等功能，并且可以對任意信道的信號進行復制。

2.5支持串口二次開發

嵌入式圖形拼接控制器為純硬件構架，具有高速開機，不易受到病毒攻擊、安全穩定、不會出現死機藍屏等不良顯示狀況等優勢。相對于傳統意義上的計算機，嵌入式圖形拼接控制器無CPU、硬盤、內存等常規計算機配件，內部也沒有操作系統，但這些因素都沒有影響到對設備二次開發。嵌入式圖形拼接控制器作為采用高速處理芯片集成的圖像處理系統，支持通過串口控制方法進行二次開發設計。以黑龍江省應急指揮中心改造中新更換的嵌入式圖形拼接控制器為例，使用RS -232端口，以16進制ASCII進行指令傳輸，使用波特率為9600/115200Bps，格式為1個起始位，8位數據位，1個停止位。每條命令都以“回車鍵”0DH為結束符。下表為基本命令列表。

表1　基本指令表

3　嵌入式圖形拼接控制器的設計與應用

在黑龍江省地震應急視頻會議系統改造升級中，根據我局視頻系統實際情況，采用了嵌入式圖形拼接控制器代替了原有的擴展式圖形拼接控制器，減少了RGB和video矩陣等中間連接設備，簡化原有視頻連接線路。

視頻輸入部分。根據嵌入式圖形拼接控制器豐富的接口配置的特點，將原有的8路RGB信號源和3路攝像頭輸入信號直接接入。因DVD、VCD設備目前已屬于淘汰設備，將原來用于DVD、VCD的線路作為備用線路，暫時不接入系統。

視頻輸出部分。DLP大屏幕具有DVI接口，使用DVI接口直接連接6塊DLP大屏幕。因目前等離子電視輸出端不支持DVI接口，使用DVI-VGA轉接頭，實現嵌入式圖形拼接控制器到等離子電視端的視頻輸出。

連接與控制部分。使用嵌入式圖形拼接控制器代替了原有的擴展式圖形拼接控制器、RGB矩陣和video矩陣。

4　嵌入式圖形拼接控制器與原有的擴展式圖形拼接控制器功能對比分析

4.1處理速度方面

嵌入式圖形拼接控制器用硬件圖形處理芯片，處理速度快。原有擴展式圖形拼接控制器利用視頻處理軟件進行圖形處理，處理速度依賴于宿主機的硬件設備。原有控制機為十五項目時期設備，本身也屬于落后設備，處理速度慢，在播放投影時延時較高。嵌入式圖形拼接控制器采用底板交換技術，實現了多鏈路的信號處理和交換，從架構上保證了處理速度不受通道數量影響。原有擴展式圖形拼接控制器在面對多通道輸入時，處理速度受到PCI/PCI-E接口和總線帶寬的限制，從而造成了多通道同時輸入時延時較高的問題。嵌入式圖形拼接控制器采用高速處理芯片集成的圖像處理系統，內部無任何操作系統，開機時間小于5秒，可快速啟動。原有擴展式圖形拼接控制器需先啟動自身操作系統，再啟動圖控軟件，耗時較長。相比之下，嵌入式圖形拼接控制器較原有擴展式圖形拼接控制器有更快的反應速度、更高的處理速度和更好輸入承載和能力。

4.2穩定性方面

嵌入式圖形拼接控制器具有豐富的視頻輸入輸出接口，可以根據需要選擇相應接口與輸入輸出設備直接連接。原有擴展式圖形拼接控制器受視頻采集卡數量限制，采用通過2個視頻矩陣控制視頻信號的輸入輸出，經過中間設備連接，增加了系統和線路故障的可能性。嵌入式圖形拼接控制器是基于純硬件開發的，無操作系統，不會出現死機藍屏等不良顯示狀況。原有擴展式圖形拼接控制器基于XP系統開發的，容易受到操作系統不穩定而帶來的影響。相比之下，嵌入式圖形拼接控制器具有更高的穩定性。

4.3安全性方面

原有擴展式圖形拼接控制器基于XP系統，采用C/S架構，通過局域網進行控制信號傳輸，容易受到病毒攻擊。嵌入式圖形拼接控制器是基于純硬件開發的，無操作系統，利用串口線與控制pc機相連，基本不會受到病毒的攻擊。相比之下，嵌入式圖形拼接控制器具有更高的安全性。

4.4投影控制

原有擴展式圖形拼接控制器是通過控制視頻矩陣來控制顯示信號的切換，經視頻采集卡和視頻矩陣連接到大屏幕。輸出信號只能選擇在一塊或幾塊DPL屏幕上進行顯示，一塊DPL屏幕不能同時顯示兩路不同的信號源,且在大屏中一次最多只能分屏投放2路RGB信號源或者以直通形式顯示5路RGB信號源，頁面布局有很多限制。嵌入式圖形拼接控制器可以多通道、多窗口任意顯示功能，窗口擺放不受限制，避免單屏開四窗口的布局限制，并提供移動、縮放、疊加、通道復制等功能（圖5左圖為圖像疊加多通道輸入示意圖，右圖為設備使用后圖像疊加、跨屏投影的照片）。相比之下，嵌入式圖形拼接控制器提供更加靈活多樣的視頻輸出展示。

5　結語及展望

在近幾次局內演練和2016年1月2日牡丹江6.4級深源地震應急響應中均使用了大屏幕展示系統，在使用中嵌入式圖形拼接控制器得到了檢驗。其在功能上完替代了原有的擴展式圖形拼接控制器，并提供了更加靈活多樣的視頻輸出展示。最后，希望通過嵌入式圖形拼接控制器在黑龍江省地震應急視頻系統的應用，為今后相關研究與應用的開展提供一定的參考與幫助。

參考文獻:

[1]蘇光大.圖像并行處理技術[M].北京：清華大學出版社,2002.

[2]元靜.基于車牌圖像并行處理的研究與實現[D].大連：大連理工大學，2008.

[3]張海青.基于FPGA圖像處理系統的關鍵算法研究及硬件實現[D].重慶：重慶大學，2010.

[4]卿啟新.基于FPGA的LVDS視頻信號轉換系統設計實現[D].廣州：華南理工大學，2011.

APPLICATION OF EMBEDDED GRAPHIC MOSAIC CONTROL SYSTEM USED IN EARTHQUAKE EMERGENCY VIDEO SYSTEM OF HEILONGJIANG PROVINCE

FANG Yao1，HAO Yong-mei1，WANG Jian-xun1，ZHANG Mei-ling2,ZHOU Lin1
（1．Earthquake Administration of Heilongjiang Province,Heilongjiang Harbin 150090，China；2.Wudalianchi Earthquake and Volcano Observatory Station,Heilongjiang Wudalianchi 164155，China）

Abstract:Through introducing the technical features of embedded graphic splicing controller,combining with the current situation of earthquake emergency video system in Heilongjiang province,the paper put forward the application profile of embedded graphic splicing controller in emergency command system.Meanwhile the paper contrasted and analyzed between embedded graphic splicing controller and extended graphics controller.The paper will provide certain reference and help for related research and application in the future.

Key words:graphic splicing controller ;large screen ;video system

作者簡介：方瑤（1982-），女，黑龍江省哈爾濱市人，2005年畢業于哈爾濱理工大學，本科，工程師，現主要從事地震信息網絡運維、應急指揮系統管理及維護工作。

收稿日期：2015-09-26

修訂日期：2015-10-27

中圖分類號：P315.69

文獻標志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.014

文章編號：1674-8565（2016）01-0079-06