邊緣融合技術在多媒體系統中的設計和實現

劉玉梅

摘要：介紹多媒體系統概述及特點，并通過工程實例對多媒體投影播控系統運用的邊緣融合技術，與投影機、融合機、幕布、環境控制這四個要素的相互關聯作用，以及設備參數的合理匹配進行分析、計算并總結。

關鍵詞：多媒體系統；邊緣融合技術；設備參數分析與計算

中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0152-03

1 引言

傳統的展陳設計通常是通過單一的圖片或文字等手段來實現的，由于這些單一的手段顯得相對固化和生硬，無法很好地引起觀眾的興趣和共鳴。隨著科技進步和發展，傳統的靜態展陳方式已不能滿足觀眾對展陳方式多樣化需求，運用多媒體技術拓寬博物館展陳模式已勢在必行。

通過綜合運用生、光、電、圖文、影像等媒介信息的多媒體技術，豐富了展覽內容，提升了博物館展覽的生動性和參觀體驗性，強化了博物館宣傳教育功能。在展覽設計中，在大膽應用各種前沿科學技術的最新成果的同時，還需要要考慮到展覽中所要表現的歷史文化內容，整體的展覽環境形式與所運用的多媒體技術和設備之間是否恰當和匹配[1]。對博物館多媒體展陳建設來說，這期間既需要解決多媒體技術與博物館工作的融合問題，同時，需要解決系統和設備之間的互聯和互操作性，以及各類設備間及系統間的接口、協議、系統平臺、應用軟件等問題。這意味著創新開發設計的多媒體技術不僅要具有先進性、可靠性、穩定性的技術要求，同時對各類設備的技術參數及性能要進行謹慎選用、合理配置。

2 多媒體技術概述及特點

多媒體技術是利用計算機對數字化的文字、圖形、圖片、動畫、聲音以及視頻等媒體信息進行處理分析、傳輸、以及交互應用的技術[2]。多媒體技術是交叉學科，內容豐富，涉及領域多，發展迅速。根據多媒體技術所展現出來的特點，對應用多媒體技術、網絡技術、自動控制技術等構件開發設計的多媒體展示系統，應采用當前流行且成熟并有較多成功案例的技術裝備，要有一套成熟的基礎理論和先進的技術方法，以及相關的技術標準作為應用開發的技術支撐。整個系統的開發設計應在穩定性、可靠性、先進性要求高的基礎上，對系統的開發應采用動態開放架構，與多變的展覽需求協同一致，使得多媒體技術的應用既能滿足觀展需要，還能具有方便日后優化性能和升級換代的功能。同時，要考慮到多媒體系統和設備之間的合理匹配和融合問題，確保選用的設備指標參數、產品功能、操作簡易性等方面均要體現系統的實用性、前瞻性和高性價比。目前，博物館中可應用的多媒體技術有很多種，例如多媒體投影播控系統、電子導覽講解系統、觸摸屏技術、三維動態成像技術等等。這些數字多媒體技術在博物館的展覽中發揮著不可小覷的作用。本文就多媒體投影播控系統的開發和設計，進行技術分析和總結。

3 投影播控系統設計原理：典型兩通道投影融合

3.1 系統結構圖（如圖1所示）

設備組成：（1）投影機2臺；（2）2通道拼接融合器1臺；（3）視頻播放器1臺；（4）音響設備1套；（5）投影吊架2套。

3.2 整體設計

為兩通道投影拼接融合技術實現，選用一臺拼接融合播放器（支持兩通道的輸出）。從工作原理上可以分為兩個部分，即顯示系統和播放系統，其具體工作方式如下：

顯示系統：通過拼接融合機對輸出的畫面做拼接和邊緣融合，通過投影顯示出一個完整的畫面，單臺投影的分辨率為1024*768；拼接融合帶像素為256個，融合后畫面顯示的分辨率為1792*768。

播放系統：播放系統為拼接融合機連接投影機， 片源放置在播放器中，音箱通過功放連接到投影機上，實現聲音的輸出。

控制系統：投影機、融合機、播放器通過各自RJ45接口接入TCP-IP網絡，由中控系統實現統一管理。

邊緣融合技術：邊緣融合技術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，畫面的效果就象是一臺投影機投射的畫面，其投影融合示意圖如圖2所示。

對于構建整個無縫多通道邊緣融合系統，主要有四大主要因素：（1）投影機；（2）邊緣融合機；（3）幕布系統；（4）環境控制，只有這四個因素相互配合才能構成完美的多通道融合效果。

融合控制系統需提供開放的控制協議、技術文檔與技術支持，方便融合系統與其它子系統的整體集成控制。與此同時，需集成市面上常見的矩陣控制協議，可以實現設備的多級控制與集成，為用戶控制帶來方便。設備需提供 IP 網絡與串口控制，用戶可以任意選用合適的方式進行控制，同時提供iOS控制端，實現設備的無線控制。

4 工程實例

以弧形投影播控系統為例，采用的是四臺投影機拼接而成的弧形投影屏幕，其弧度弦長為15米，高度3米。采用的是邊緣融合技術，達到無縫拼接完美畫質效果。根據國家有關設計標準，并結合多媒體前沿技術的特點，本次多媒體設計采用基于可編程FPGA硬件融合機的四通道弧形融合技術，通過對投影機焦距及光亮度、融合機帶寬和接口、環境控制的照度、以及幕布增益的參數計算，合理匹配相應設備，并通過TCP-IP協議的中控 接入大樓骨干網絡中多媒體vlan段，達到弧形投影播控系統完美效果。

4.1 視頻設計依據

《畫面中心與邊緣的寬度比》 ISD-9241-3

《畫面顯示的全屏色度差》 ISD-9241-8

《顯示屏幕直照度的標準》 ISD-FDISI3406-3

《亮度不均勻性》 GB/9313

《畫面顯示的幾何失真》 GB/9313

《電影院視聽環境技術要求》 GB/T3557-94

《LED顯示屏通用規范》 SJ/T11141-2003

《LED顯示屏測試方法》 SJ/T11281-2007

4.2 工程設計：四通道弧形曲面融合拓撲圖（如圖3所示）

4.3 邊緣融合機參數（帶寬）計算

邊緣融合機是無縫多通道邊緣融合系統的核心設備，分為軟融合和硬融合。目前計算機顯卡的性能和帶寬已經遠遠超過了普通高清1920x1080P的帶寬要求，融合機輸入的分辨率必須要能接受這類超高清信號才能保證多通道融合的效果，考慮到本系統穩定性、靈活性，以及處理帶寬的要求，故本項目采用的是可編程FPGA方案的硬件邊緣融合機。

已知4個投影機，分辨率為1024x768，刷新頻率120Hz，融合帶3個，則融合帶水平像素為3x256像素（融合帶約為水平分辨率1024的20%）。

（1）融合后水平有效像素計算應為：

計算公式：Hact=x*n-z*（n-1）=1024*4-256*3=3328像素

（X為投影機水平有效像素；N為融合投影機個數；Z為融合帶水平有效像素；Hact為是融合后水平有效像素）

（2）融合機帶寬計算應為：

計算公式：F = Hact *Vact * Vr=3328*768*120=306.71MHz

（其中 Hact是水平有效像素；Vact是垂直有效行數；Vr是刷新頻率）

根據上述計算，融合機帶寬必須≥306.71MH才能支持融合后分辨率為3328*768，刷新頻率為120HZ的投影融合圖像。

最后選擇的融合機的參數為：型號：MPG20X，輸入板卡Dual Link DVI/Displayport 1.1a，最高330Mhz輸入頻率，支持DVI和DP同時輸入輸出板卡 DVI-I（DVI和VGA同時輸出）最高165Mhz輸出頻率，支持每通道監控通道同步輸出，支持1024x768@120Hz主動立體信號輸出。

4.4 融合投影機參數的設計

已知單臺投影機投影影像大小約4米*3米的4：3規格，屏前照度為200lux，通過計算，選擇的投影機流明應為：

屏幕的顯像照度計算：SL= AL * CR =200×2=400lux

《SL代表屏幕的顯像照度；AL代表環境照度；CR對比度系數， （一般可取2--10之間，數值越大則圖像亮度與環境亮度的對比度越高）》。

（1）投影機光通亮計算：

計算公式：Φ=SL*S/CU/K=400*12/0.9/0.8=6667lm

（Φ投影機光通量單位lm（流明）；S投影面積單位平方米；CU空間傳損系數是指從投影機放射出來的光束有百分之多少到達屏幕，與投影機安裝高度、安裝距離和屏幕反射率直接相關，系數CU可取0.6--1之間；K維護系數是指由于房間灰塵的積累，致使空間反射效率降低，致使照度降低而乘上的系數。一般較清潔的場所，如閱讀室、醫院、藝術館、博物館等維護系數K取0.8）。

由此計算得出，每臺投影機的光通亮為6667lm，故此合理選用光亮度為標準7000lm的投影儀為最佳性價比。

（2）融合投影機鏡頭焦距計算：

根據現場環境實際面積是67.5平方米（15m長*4.5m寬），如果單臺投影機投影畫面寬度為4米，按4：3屏幕計算，則單臺投影機需要200英寸幕布，現受環境寬度限制，四臺投影機最遠安裝位置距離屏幕為3.7米。工程投影機常規 DLP芯片尺寸為0.65英寸。

投影機焦距計算如下：

計算公式：F= V*D/W=3.7米*0.65英寸/200=12mm

（V投射距離（米；F焦距（米）；W畫面尺寸（英寸）；D 投影機DLP芯片尺寸（英寸）

由此計算得出，投影機鏡頭最小焦距要≤12mm，才能投射出200英寸的畫面。

以下為融合投影機需匹配的主要參數及說明匯總，見表1。

4.5 幕布選定

無縫多通道邊緣融合系統的投影幕布也是實現完美畫面的關鍵，用于多通道邊緣融合投影的投影幕選用屏幕增益在1.2以下的產品，這樣從不同角度觀看畫面都會覺得始終整體如一，效果更理想。

對于融合投影系統，金屬幕布更容易固定，而且顯得高檔大氣。在確定完屏幕的材質后，還要確定投影幕的尺寸。在邊緣融合系統中最為關鍵的技術之一就是要做邊緣融合帶處理，相鄰投影機的投影畫面需要有部分重合，重合部分的寬度應不低于單臺投影機投影的寬度的20%，因此，要根據屏幕的寬度、屏幕的高度、投影機數量、融合帶寬度三者的關系來確定屏幕的尺寸，出現尺寸不匹配的情況將極大降低最終效果，這必須在多通道投影系統的設計之初仔細計算。

根據上述分析和計算，本項目幕布選型為Mond 型號，金屬硬幕，定制屏幕尺寸為長15米，高度3米。

4.6 環境控制

無縫多通道邊緣融合系統是運行在一定的場合，要獲得完美的超寬畫面效果，環境的配合也往往能夠起到錦上添花的效果。對于超寬幅面的系統，相應的音響系統的布置要盡量使聲音效果從屏幕后均勻輸出，而環繞副音響也要按照空間位置合理安排，才能達到完美的沉浸效果。多通道邊緣融合系統適宜周圍環境不要過于明亮和黑暗，過于明亮會損傷投影機的亮度效果，過暗環境下融合帶的處理更加有難度，且此時人眼對亮度的差異會更加敏感，因此，在多通道邊緣融合系統，要考慮周圍環境安排一定數量的微弱環境燈光是較好選擇。

根據有關規定，大型場所的環境亮度在200lux以下，本系統現場融合設備環境照度控制在200lux以內，滿足清晰顯示要求。

4.7 注意事項

（1）目前計算機顯卡的性能和帶寬已經遠遠超過了普通高清1920x1080P的帶寬要求，在計算機領域內，比1920x1080P更高的超高清分辨率已經可做到4Kx2K或更高，融合機輸入的分辨率必須要能接受這類超高清信號才能保證多通道融合的效果，這樣的投影融合才有實際意義。

（2）分布式架構，超大規模融合投影輕松實現。分布式的設計架構，相比集中式設備，系統擴展性更強——目前可以實現多輸出通道的邊緣融合系統，系統內部的高清視頻信號傳輸采用無失真實時傳輸技術，可以保證畫面的清晰度和整體的同步性，分布式的架構將系統負荷平均分散到各個處理終端，進一步提高了系統穩定性。

（3）系統擴展性強，融合系統拼接系統可無縫集成。融合系統集成了RRTA多分辨率實時兼容技術， 可以支持融合系統與拼接系統的無縫集成，特別適合融合系統和拼接系統同時存在且共用信號源的情況。集成后的系統可在一個集成化的軟件中同時控制多組顯示系統的畫面內容，真正實現視訊系統的統一管理和控制，更加方便維護人員的高效工作。

5 結語

對于構建整個無縫多通道邊緣融合系統而言，投影機、邊緣融合機、幕布系統和環境控制，這四個因素只有相互配合才能構成完美的多通道融合效果。在應用邊緣融合技術時，對快速的過渡帶調節能力；融合帶像素寬度完全可調；豐富的投影分辨率支持；超高的硬件實時性能；完全點對點對應的超高分辨率融合；以及采用分布式架構，實現超大規模融合投影技術性能等，這些技術要求對設計整個多媒體系統具有重要意義。

參考文獻

[1]周進.我國博物館陳列設計思想發展研究[[D].上海：上海復旦大學.2013.

[2]蔣樹強，馬思偉，張史梁，等.多媒體技術發展報告[M].北京：機械工業出版社，2009.