圖像拼接控制器的發(fā)展歷史

    圖像拼接控制器作為大屏幕顯示綜合信息系統(tǒng)的重要控制核心，為大屏顯示帶來了眾多視覺體驗：海量圖像數(shù)據(jù)集中顯示，超大畫幅高清呈現(xiàn)，多圖層自由疊加，場景輪詢切換，等等。圖像拼接控制器從誕生至今的二十多年時間，經(jīng)歷了三代產(chǎn)品的進(jìn)化。從最初的電腦機(jī)箱、多頭顯卡和視頻采集卡的PC式架構(gòu)，到機(jī)柜式的集中式硬件綜合處理器，一直到現(xiàn)在的純硬件網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)。

    為了更好地了解分布式拼接處理器，我們有必要首先了解拼接控制器的整個發(fā)展歷史。下面，我們?yōu)榇蠹沂崂硪幌氯�代大屏拼接控制器的功能特點(diǎn)。

    第一代——PC式處理器

    PC式處理器，使用PCI或PCI-E采集卡接入各種視頻信號，使用多頭顯卡，加上多屏卡輔助，來完成多屏輸出，是最早一代的大屏拼接方案。

    在上世紀(jì)九十年代，隨著計算機(jī)的普及，以及更多監(jiān)視監(jiān)控的應(yīng)用，單一監(jiān)視器已經(jīng)不能滿足日常需要，多屏幕監(jiān)控應(yīng)運(yùn)而生，第一代PC式處理器在這個時候開始應(yīng)用。

    PC式處理器的物理結(jié)構(gòu)是一臺高性能的PC主機(jī)，由PC自帶的CPU和GPU進(jìn)行圖像算法的處理，由多頭顯卡進(jìn)行多屏輸出，實(shí)現(xiàn)大屏拼接的功能。因為其拼接算法多由軟件執(zhí)行，所以也多被稱為“軟拼”。

    圖像數(shù)據(jù)的綜合帶寬由PC主板總線決定。圖像的拼接疊加漫游能力超強(qiáng)，可以輕松完成融合、幾何校正、非線性編輯等操作。圖像的輸出能力由多頭顯卡決定。

    PC主板總線能力：當(dāng)年的選擇是PCI，PCI-X總線。 PCI-X64-66M，單卡最大的采集能力為532MByte（約4Gbit），具備單卡采集兩路1080p能力。現(xiàn)在的選擇是PCI-E，得到較大幅度提升，PCI-E-X16單卡可以獲得理論上20Gbit帶寬，具備采集10路1080p能力，有的主板可以支持多達(dá)16個PCI-E-X16插槽，性能十分強(qiáng)勁。

    但是受計算機(jī)主板規(guī)模和功耗的限制，PC式處理器無法接收數(shù)量較大的輸入與輸出，如果要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模拼接，就要配置動輒上百萬的工控設(shè)備。又因具有操作系統(tǒng)，相對穩(wěn)定性不高，所以其性價比堪憂。但是其高速的運(yùn)算能力，仍然是其無可取代的優(yōu)勢，而成為其生命力的保證。

    PC式處理器一般適應(yīng)于小規(guī)模拼接，由于融合項目規(guī)模一般較小，因此，PC式處理器在融合應(yīng)用中較為常見。

    主流的采集卡廠商有datapath、matrox。都有單卡多路的產(chǎn)品，穩(wěn)定性不錯。

    主流的多頭顯卡廠商：ATI、matrox、NvidIA。有8路1080p HDMI產(chǎn)品，6路4K畫面DP產(chǎn)品，但是價格很高，且穩(wěn)定性也一般。尤其是發(fā)熱嚴(yán)重。

    總的來說，PC式圖像效果出眾，在投影融合應(yīng)用中占有主導(dǎo)地位。在拼接應(yīng)用中，現(xiàn)在雖然有幾個國外高端廠家仍在支撐，但在國內(nèi)市場已日漸式微。

    第二代——集中式處理器

    集中式處理器，采用了FPGA加矩陣交換芯片的技術(shù)結(jié)構(gòu)，是目前市場銷售較多的處理器結(jié)構(gòu)。其所有輸入輸出信號以及數(shù)據(jù)交換，都在一個機(jī)箱里面完成。

    第二代集中式處理器由一個基板和輸入接口板與輸出接口板組成一個共通的箱體。接口板進(jìn)行圖像信號的處理，基板作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ�，將輸入板的信號傳輸�(shù)捷敵鼋涌诎迳希瑥亩�達(dá)到拼接的效果。

    集中式處理器的組成：差分?jǐn)?shù)據(jù)線底板、差分矩陣芯片主板、串口或網(wǎng)口控制板、輸入輸出接口板。集中式采用FPGA、差分串行走線、串行交換芯片，為核心技術(shù)架構(gòu)。圖像的拼接、漫游、疊加處理在輸出板上實(shí)現(xiàn)。

    集中式處理器的處理核心是FPGA芯片陣列。FPGA芯片具有速度快，并行處理，功能靈活的特點(diǎn)，極大的提高了系統(tǒng)運(yùn)算速度。有效的使用并行處理技術(shù)使得數(shù)據(jù)得到分散處理，沒有了工控機(jī)單處理器的速度瓶頸，從而可以同時接納多個高速信號。這是集中式處理器拼接控制器系列與普通插卡式工控機(jī)相比，最大的性能優(yōu)勢。

    集中式處理器系統(tǒng)規(guī)模固定，多用于單一大屏的工程。經(jīng)過了十年的發(fā)展，技術(shù)原理簡單穩(wěn)定。目前市場品牌較多，但也不乏一些粗制濫造的產(chǎn)品。因為物理結(jié)構(gòu)的差異，相較于第一代PC式處理器，其圖像處理能力有明顯差距，又因為和第一代處理器一樣是對整幀圖像進(jìn)行拼接算法，所以直接影響了其處理速度。

    集中式處理器的核心在于各廠家自行設(shè)計制造的高速差分交換底板，該底板對于整個處理器的信號完整性、穩(wěn)定性至關(guān)重要，對廠家的設(shè)計制造能力有很大的挑戰(zhàn)。尤其在一個大規(guī)模信號顯示拼接項目上，底板規(guī)模過大會成為整個系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)。

    不過其透明且低廉的價格，為其在簡單應(yīng)用工程帶來了較高的性價比，也因而使其在近幾年占據(jù)行業(yè)的主導(dǎo)地位。但是由于自身為純硬件，無操作系統(tǒng)，不具備任何軟件的功能，因此面對當(dāng)今越來越復(fù)雜的拼接環(huán)境，其已經(jīng)開始感覺力不從心，其潛力不足的劣勢越來越明顯。在增值應(yīng)用開發(fā)方面受到其技術(shù)結(jié)構(gòu)的限制，困難較多。隨著無線預(yù)覽觸控、超高清底圖顯示、IP視頻流綜合調(diào)度顯示、多組大屏協(xié)同顯示等，諸多應(yīng)用逐漸成為市場追捧的熱點(diǎn)，集中式處理器逐漸喪失了原有的綜合優(yōu)勢。

    將來市場上，集中式處理器會不斷面對分布式處理器新功能、新體驗的挑戰(zhàn)。

    第三代——網(wǎng)絡(luò)分布式處理器

    網(wǎng)絡(luò)分布式處理器，將圖像采集、圖像傳輸和圖像顯示都通過數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)連接起來。使用網(wǎng)絡(luò)作為大屏幕信號傳輸載體，結(jié)構(gòu)上允許輸入、輸出節(jié)點(diǎn)在地理上分散開來，具備極大地的靈活性和擴(kuò)展性。系統(tǒng)具備圖像信號多點(diǎn)共享，網(wǎng)絡(luò)化圖像接入/輸出，移動終端預(yù)覽控制等功能。

    結(jié)合上兩代處理器的優(yōu)缺點(diǎn)，以及工程中的實(shí)際需求。第三代網(wǎng)絡(luò)分布式處理器應(yīng)運(yùn)而生，它彌補(bǔ)了上兩代處理器的缺陷，以全新的架構(gòu)模式為拼接行業(yè)打開了一扇通往更高殿堂的大門。

    網(wǎng)絡(luò)分布式拼接處理器的物理結(jié)構(gòu)如其字面所表達(dá)的含義，是以全分散的結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作，同時其通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由輸入節(jié)點(diǎn)，輸出節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成。輸入輸出節(jié)點(diǎn)的物理位置可以分散在各個地點(diǎn)，數(shù)據(jù)的處理也分散在各個節(jié)點(diǎn)之中，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，交互機(jī)再將這個網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的連接，從而實(shí)現(xiàn)大屏幕拼接功能。

    分布式拼接處理器因為使用的是網(wǎng)絡(luò)的碼流打包傳輸方式，即使其采用和第二代相同的FPGA硬件結(jié)構(gòu)，但因為處理對象由原來的整幀圖像變?yōu)楝F(xiàn)在的一個數(shù)據(jù)包形式，對數(shù)據(jù)傳輸和處理的對象也會更加準(zhǔn)確和高效，從而方便實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的遠(yuǎn)距離圖像分享和綜合顯示。

    分布式拼接處理器因為其物理結(jié)構(gòu)的分散，從而使工程的靈活性有了質(zhì)的飛越，既可以運(yùn)用在小規(guī)模項目快速搭建整套系統(tǒng)，并使其擁有可升級擴(kuò)展的能力，也可以直接應(yīng)用在大規(guī)模復(fù)雜工程中，降低工程難度，豐富功能特點(diǎn)。甚至可以將一個復(fù)雜工程拆分為多期分段施工，從而解決了施工中的經(jīng)費(fèi)問題。

    綜上所述，大屏處理器市場成長了二十多年，從PC架構(gòu)，到集中式架構(gòu)，到網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)，其產(chǎn)生時間上雖有先后，但三代產(chǎn)品各有優(yōu)缺點(diǎn)，不存在絕對的淘汰機(jī)制。目前每種架構(gòu)都有不斷的成長空間，但網(wǎng)絡(luò)分布式處理器在功能、實(shí)用和價格三方面上都有其相應(yīng)優(yōu)勢，隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化快速發(fā)展，其將成為市場新寵。