摘要

　　目前，實現(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投影機(jī)投射出的畫面。廣泛適用于展覽展示、大型會議廳、監(jiān)控系統(tǒng)等需要大視覺效果的場合。

　　大屏技術(shù)簡介

　　科學(xué)發(fā)展日新月異，技術(shù)更迭風(fēng)云變幻。人們對顯示性能的追求日益提高，選擇也越來越多元化，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，人們對大屏幕顯示的需求尤其顯著。例如在用大尺寸的屏幕同時顯示更大的全局畫面和多個子畫面窗口，或是用圍繞觀眾的弧形大屏幕來實現(xiàn)更強(qiáng)的畫面沉浸感以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實;這些都對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來實現(xiàn)，其中LCD液晶顯示屏最明顯的缺點(diǎn)就是拼縫明顯，液晶面板會有老化問題;而小間距LED完全無拼縫，高亮不懼陽光，但不足的是價格過于昂貴。另一種則為投影融合如圖1-3所示，通過投影機(jī)和硬件融合器實現(xiàn)大屏方案，既滿足了無拼縫的需求，又兼具實惠可應(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)對比如表1.1所示

　　表1.1 大屏技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對比

　　大屏投影融合系統(tǒng)的實現(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+畫面切割器實現(xiàn)大屏融合解決方案

　　方案四：DHN投影內(nèi)置融合+顯卡實現(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，固定各個投影機(jī)的位置尤為重要。為了能在大屏幕上實現(xiàn)畫面的拼接顯示，各個投影機(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進(jìn)行處理，根據(jù)大屏幕和各投影機(jī)的相對位置輸出若干路子視頻信號，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數(shù)量成為該設(shè)備的輸出通道數(shù)，簡稱“通道數(shù)”。由于每個子視頻信號都是輸出給一臺相應(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。

　　對于每臺投影機(jī)在大屏幕上的投影畫面，其幾何形狀會受投影角度、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應(yīng)區(qū)域。為了解決這個問題，迪恒投影內(nèi)置的17×17幾何校正技術(shù)?？梢詫崿F(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投影機(jī)所投影出來的畫面無縫拼接起來，普遍采用的做法是使得各個相鄰?fù)队爱嬅嬷g兩兩相交部分重疊，以實現(xiàn)各畫面內(nèi)容的無縫銜接。然而對于重疊區(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)做法通常是將各個投影畫面上的全部像素點(diǎn)賦予一個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)的每個像素亮度權(quán)值都小于1.0，但是同一位置的各個相鄰畫面像素點(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，即使是同一型號的投影機(jī)，其投影出來的顏色亮度也不一定相同，要實現(xiàn)一個效果更好的大屏融合方案就得對各個投影機(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)備來實時實現(xiàn)的，經(jīng)過這些處理后，大屏幕上的各個投影畫面便可以在屏幕預(yù)定顯示區(qū)域內(nèi)無縫拼接起來。

　　無縫大屏融合實現(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一定程度上的幾何扭曲。幾何校正就是通過對輸出至各個投影機(jī)的畫面提前進(jìn)行逆向幾何扭曲，來使得屏幕上顯示出來的投影畫面恢復(fù)至無扭曲的狀態(tài);幾何校正對畫面的扭曲處理實際上是對每幀畫面中不同位置的各個像素點(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畫面坐標(biāo)空間，畫面上的每個像素都視為空間中的一個點(diǎn)。來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)和大屏幕的相對位置將原始視頻畫面分成若干個子畫面，隨后被融合器進(jìn)行處理。每個子畫面稱為子畫面坐標(biāo)空間，最終輸出至各個投影機(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的畫面稱為屏幕畫面坐標(biāo)空間;給每一個坐標(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，畫面中任意一個像素點(diǎn)的橫向和縱向序號就是該點(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)未對齊的話，最終會導(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，對畫面的校正也會更精準(zhǔn)，最終對齊的畫面會如圖3-1所示

圖3-1 經(jīng)過幾何校正后重疊區(qū)完全對齊的效果圖

　　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。通常是將各個投影畫面上的全部像素點(diǎn)賦予一個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)的每個像素亮度權(quán)值都小于1.0，但是同一位置的各個相鄰畫面像素點(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，其實畫面顯示的還是獨(dú)立的非完整畫面，這個時候需要對視頻信號源進(jìn)行處理，以便實現(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融合器能實現(xiàn)對圖像的15倍放大，即可以圖像水平或垂直放大15倍。實際應(yīng)用中往往根據(jù)具體的投影排列分布來進(jìn)行放大，比如水平3臺融合，水平放大3倍即可，垂直保持不變。若為3x3的9臺投影排列，則需要水平和垂直均放大3倍。當(dāng)對圖像進(jìn)行放大后，每臺投影機(jī)顯示的仍然為相同的畫面，這個時候需要對每臺投影指定顯示的內(nèi)容顯示，我們把這個設(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)對每臺投影的畫面進(jìn)行取景顯示后，這個時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臺融合為例，需要把原始訊號畫面水平放大兩倍，讓左邊一臺投影儀水平取景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，但是重疊部分有時候畫面并不完全一樣，這樣哪怕幾何校正對齊后，看起來畫面仍然模糊。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)在各個領(lǐng)域的實際應(yīng)用

徐州潘安湖濕地公園-18臺投影實現(xiàn)大屏融合

貴州花溪黨校-多臺打造沉浸式體驗

湖州紡織里大潤發(fā)超市

上海復(fù)興集團(tuán)大廈外墻投影-15臺投影大屏融合

天津海濱新區(qū)黨校-8臺投影實現(xiàn)U型大屏融合

　　展望

　　感官一切，大屏不只是大。

　　未來，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，還會應(yīng)需產(chǎn)生更多有趣的玩法和應(yīng)用。