分布式圖象拼接控制器技術(shù)解析

什么是分布式拼接控制器

    分布式圖像拼接控制器使用TCP/IP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，具備極大地靈活性和擴(kuò)展性。如圖1

    圖1

    分布式圖像拼接控制器采集端，采用實(shí)時(shí)影像數(shù)字采集技術(shù)，把各種視頻信號源（DVI/VGA信號，復(fù)合視頻信號，HDMI/SDI/YC 高清視頻等）變成統(tǒng)一的數(shù)字視頻信息。然后進(jìn)行高質(zhì)量的有損或者無損壓縮編碼，將視頻信息打包成能夠在以太網(wǎng)上傳輸?shù)腎P碼流。分布式控制器顯示端由一個(gè)個(gè)分離的解碼器組成，解碼器接收各種信號碼流并實(shí)時(shí)解碼，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖像層疊縮放顯示效果。分布式拼接系統(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。

    作為對比的集中式處理器，采用了FPGA加矩陣交換芯片的技術(shù)結(jié)構(gòu)，所有輸入輸出信號以及數(shù)據(jù)交換，都必須在一個(gè)機(jī)箱里面完成。集中式處理器系統(tǒng)規(guī)模固定，多用于單一大屏、信號規(guī)模固定、簡單顯示疊加的應(yīng)用場合。集中式處理器的核心在于各廠家自行設(shè)計(jì)制造的高速差分交換底板，該底板對于整個(gè)處理器的信號完整性、穩(wěn)定性至關(guān)重要，往往一點(diǎn)故障就會導(dǎo)致系統(tǒng)整體崩潰。如圖2

    圖2

    分布式圖像拼接控制器由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的功能模塊構(gòu)成：圖像采集節(jié)點(diǎn)盒、交換機(jī)、圖像顯示節(jié)點(diǎn)盒、控制服務(wù)器及界面軟體。每個(gè)節(jié)點(diǎn)盒對應(yīng)一至二路圖像信息，例如某大屏拼接應(yīng)用中，有3×5規(guī)模DLP 箱體輸出， 6路DVI信號輸入，10路Video信號輸入。該項(xiàng)目對應(yīng)的設(shè)備清單是： 15個(gè)DVI輸出節(jié)點(diǎn)盒， 6個(gè)DVI輸入節(jié)點(diǎn)盒，5個(gè)雙路視頻輸入節(jié)點(diǎn)盒，一個(gè)48口千兆交換機(jī)。（如圖3）系統(tǒng)規(guī)模如果在前期設(shè)計(jì)或者實(shí)際使用中發(fā)生調(diào)整，只需要簡單地增加或者更換某些節(jié)點(diǎn)盒即可，具備極大的整體靈活性和穩(wěn)定性。

    圖3

    適合分布式圖像拼接控制器應(yīng)用的領(lǐng)域通常具有以下特點(diǎn)：

    （1）拼接顯示屏規(guī)模龐大。（如圖4）隨著社會信息化的發(fā)展，人們需要更大的顯示墻綜合顯示多種多樣的信息，通常都在 24面屏以上，有的大系統(tǒng)可能是由多組屏幕和眾多單屏信號聯(lián)動組成，總數(shù)高達(dá)幾百面屏。分布式圖像拼接控制器采用物理分布架構(gòu)，每個(gè)處理器單獨(dú)處理自己的信號，無論有多少信號需要顯示，相互之間沒有任何影響，從而能夠支撐超大規(guī)模的拼接顯示屏系統(tǒng)。傳統(tǒng)的集中式控制器則受限于插槽數(shù)目、處理能力、總線帶寬等因素，難以支撐大規(guī)模的拼接顯示墻。

    圖4

    （2）需要顯示的信號數(shù)量多。（如圖5）目前的大屏幕顯示系統(tǒng)中，通常需要同時(shí)顯示幾十路RGB信號，幾十路甚至上百路的視頻信號。在分布式圖像拼接控制器中，每路信號由一個(gè)單獨(dú)的處理器進(jìn)行處理，確保信號能夠被實(shí)時(shí)處理。在傳統(tǒng)的集中式控制器中，多路信號處理需要搶占CPU資源和系統(tǒng)總線帶寬，因此難以應(yīng)對多路RGB/視頻等信號的同時(shí)處理。

    圖5

    （3）需要高性能與高可靠度。（如圖6）大屏幕顯示墻主要應(yīng)用于涉及國計(jì)民生的國家重點(diǎn)行業(yè)，大屏系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著調(diào)度指揮、安全防范、事故預(yù)警和處理等重要職責(zé)，因此需要所有信號能夠?qū)崟r(shí)顯示，系統(tǒng)安全可靠，能夠7×24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。優(yōu)秀的分布式圖像拼接控制器采用高性能DSP或FPGA作為影像處理平臺，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)影像處理和顯示。系統(tǒng)具有高性能、高可靠度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，比較適合對安全性和可靠性要求高的領(lǐng)域。

    圖6

    （4）漸進(jìn)擴(kuò)充式大屏應(yīng)用。（如圖7）現(xiàn)實(shí)的大屏工程中，越來越多的應(yīng)用方要求大屏項(xiàng)目采用漸進(jìn)式、分步驟的方式實(shí)施。例如，某大樓整體音視頻工程，一期實(shí)施指揮中心一個(gè)規(guī)模為5×10的DLP 大屏，二期實(shí)施兩個(gè)會議室規(guī)模為3×5的液晶拼墻，三期實(shí)施到中心大樓的聯(lián)動交互。三期工程要求信息共享，實(shí)時(shí)互動。對于這種應(yīng)用方式，首先要求大屏拼接控制系統(tǒng)支持物理上分離布局，然后支持系統(tǒng)規(guī)模靈活擴(kuò)充。網(wǎng)絡(luò)分布式拼接控制器在這種應(yīng)用中體現(xiàn)了集中式無法比擬的優(yōu)勢，對項(xiàng)目的分階段實(shí)施，項(xiàng)目款項(xiàng)的合理使用至關(guān)重要。

    圖7

分布式拼接控制器產(chǎn)生的歷史背景

    在大屏幕拼接系統(tǒng)中，拼接控制器的優(yōu)劣直接決定著整個(gè)大屏幕顯示系統(tǒng)效果的好與壞，也決定了整套顯示系統(tǒng)的功能，隨著大屏幕拼接墻應(yīng)用的更為廣泛，拼接技術(shù)也在不斷地發(fā)展。

    90年代出現(xiàn)的第一代為PCI工控機(jī)架構(gòu)，第二代為 2000年出現(xiàn)的FPGA純硬件式架構(gòu)，以及最新出現(xiàn)的第三代分布式架構(gòu)，每一代控制器都有著自己的特點(diǎn)。

    第一代，第二代控制器其核心技術(shù)都是基于底板交換技術(shù)，都是集中式的控制器，都有很多難以克服的缺點(diǎn)。

    集中式控制器遇到的問題：

    1.所有輸入輸出信號都集中連到控制器上，各種DVI ，RGB線纜連接到控制器，傳輸距離受限，布線困難。

    2. 硬件系統(tǒng)交換帶寬有限，無法滿足特大規(guī)模信號管理。

    3. 系統(tǒng)升級困難，硬件規(guī)模一旦選定，其系統(tǒng)容量確定，就無法提升。

    4. 無法實(shí)現(xiàn)多顯示墻信號共享，實(shí)現(xiàn)多屏聯(lián)動。

    5. 維修成本高，系統(tǒng)故障需更換板卡或整機(jī)。

    隨著信息化，網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，大屏幕拼接系統(tǒng)迫切需要新的技術(shù)的出現(xiàn)。第三代分布式拼接控制器正是在這種環(huán)境下產(chǎn)生的。

    分布式圖像拼接控制器是基于改進(jìn)傳統(tǒng)集中式處理器的缺點(diǎn)，及新的市場應(yīng)用發(fā)展趨勢而出現(xiàn)的一種新的拼接處理器。

    第三代分布式拼接控制器：

    分布式是最近幾年新推出的拼接控制器，是一款全新的集群分布式純數(shù)字化處理的視訊產(chǎn)品。通過對視頻、電腦信號的全數(shù)字化獲取，采用網(wǎng)絡(luò)傳輸，對信號源進(jìn)行集中顯示。突破了傳統(tǒng)靠硬件模擬采集卡對采集路數(shù)和顯示路數(shù)的限制，具有同時(shí)顯示信號數(shù)量高，窗口操作靈活的特點(diǎn)。

    近年來，網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升為高品質(zhì)視頻信號流網(wǎng)絡(luò)化傳輸提供了保障；而視頻編碼技術(shù)的發(fā)展則可在保證畫面質(zhì)量的前提下把視頻信號的數(shù)據(jù)量壓縮幾倍到幾十倍。大大降低對信號網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的要求。

    網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、以及視頻編碼技術(shù)的共同發(fā)展顯著提高了分布式拼接控制器信號的展示質(zhì)量以及展示的實(shí)時(shí)性。讓信號源的接入、傳輸、展示、調(diào)節(jié)等將變得更加智能化、高效化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化。

    另外，由于分布式拼接控制器系統(tǒng)采用模塊化架構(gòu)，全網(wǎng)絡(luò)化的智能管理：不再受限于空間，擴(kuò)展能力大幅增強(qiáng)。每個(gè)模塊都是獨(dú)立運(yùn)行、不再相互影響。處理計(jì)算能力將是各模塊處理計(jì)算能力的總和。

    分布式拼接控制器優(yōu)點(diǎn)：

    1.信號輸入與輸出沒有數(shù)量限制，可以無限擴(kuò)展；

    2.模塊化設(shè)計(jì)，即插即配，自動識別使用系統(tǒng)中交換機(jī)上增加減少的節(jié)點(diǎn)；

    3.支持多顯示墻，實(shí)現(xiàn)多屏信號共享，多屏聯(lián)動，多屏內(nèi)容相互瀏覽；

    4.方便支持大批量IP流監(jiān)控?cái)z像信號的接入；

    5.網(wǎng)絡(luò)布線，信號傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)200m，如使用光纖傳輸則可達(dá)更遠(yuǎn)，靈活性強(qiáng)。

    下一節(jié)，我們將為你詳細(xì)介紹分布式拼接控制器的優(yōu)點(diǎn)。

為什么使用分布式拼接控制器

    分布式圖像拼接控制器具有眾多優(yōu)點(diǎn)。

    首先，分布式架構(gòu)，組網(wǎng)靈活。

    分布式圖像拼接控制器的組成部分：采集節(jié)點(diǎn)盒、交換機(jī)、顯示節(jié)點(diǎn)盒、控制服務(wù)器及界面軟體，幾大部件都可以實(shí)現(xiàn)物理上分離布局。滿足了越來越多的智能信息化大樓的綜合實(shí)施及管理要求。

    例如，三個(gè)會議室，有一個(gè)主會場，兩個(gè)分會場，都有顯示大屏，位置分開，距離數(shù)百米。其中主會場采用3×8的DLP大屏，兩個(gè)分會場采用兩個(gè)1×3的投影融合。三個(gè)會場要求既可以分開獨(dú)立應(yīng)用，又可以同步會議，分享內(nèi)容，如圖8。這個(gè)案例，三個(gè)獨(dú)立的顯示墻模塊，要求互相調(diào)度視頻數(shù)據(jù)。三組大屏各自使用自己的交換機(jī)， 獨(dú)立構(gòu)建自己的現(xiàn)場輸入輸出節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。兩個(gè)分會場交換機(jī)分別使用一根萬兆光纖，經(jīng)過小于 1000米布線，連接到主會場交換機(jī)�？梢灾С肿疃嗖怀�過10G的視頻數(shù)據(jù)共享帶寬。

    圖8

    其二，網(wǎng)絡(luò)是分布式拼接控制器的基石。如圖9，如今是移動互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，海量的信息通過移動互聯(lián)終端（手機(jī)、PAD）進(jìn)行交互。作為誕生自網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分布式控制器，天生具備海量網(wǎng)絡(luò)信息接入能力，幾乎所有的信息設(shè)備都有網(wǎng)絡(luò)接口，無論是大型主機(jī)、用戶電腦、手持移動互聯(lián)網(wǎng)終端、IP攝像頭、NVR存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，都可以方便的接入到分布式拼接平臺。另外，多數(shù)分布式處理器為用戶提供了包括無線預(yù)覽、觸屏控制、多用戶接入、多區(qū)域大屏管理等多種多樣的交互體驗(yàn)。

    圖9

    其三，圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化帶來了眾多實(shí)惠。

    網(wǎng)線代替了VGA、DVI、視頻屏蔽線，施工、費(fèi)用、抗射頻干擾、穩(wěn)定性、輕量維護(hù)……，優(yōu)點(diǎn)多多。

    網(wǎng)絡(luò)分布式處理器同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)矩陣功能，輕松實(shí)現(xiàn)分布的雙向信號分享能力。

    IP攝像頭無需解碼器，直接接入大屏顯示。

    模塊化結(jié)構(gòu)，故障便于控制，也方便排查。

    網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性、可維護(hù)性。

    大項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)可控，不會出現(xiàn)規(guī)模困難癥。

    同步回顯、錄播、網(wǎng)絡(luò)抓屏、超清底圖、虛擬桌面、單屏64圖層、信號組播無限復(fù)制……

    其四，分布式拼接處理器可以實(shí)現(xiàn)高清虛擬桌面上屏。如圖10

    分布式控制器的網(wǎng)絡(luò)接口，完美地結(jié)合了虛擬桌面技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)包加網(wǎng)絡(luò)拼接顯示技術(shù)。使用一臺筆記本，就可以實(shí)現(xiàn)256個(gè) 1080p畫面的顯示。對于不要求動態(tài)顯示的超大畫面圖片顯示應(yīng)用，分布式控制器是最優(yōu)的顯示方案。

    圖10

    通過普通的電腦千兆網(wǎng)口，安裝一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)顯卡驅(qū)動，則可以將電腦中的超大分辨率圖像輕松送到大屏幕上，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的超清畫面震撼顯示。并可以靈活配置分辨率，直接與第三方高清圖像數(shù)據(jù)軟件對接，例如地理信息系統(tǒng)（GIS）、衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、行車調(diào)度信號系統(tǒng)（SIG）等。也可顯示各種矢量圖形系統(tǒng)，如 Cadence畫圖、AutoCAD制圖、UG/ProE制圖、3Dmax等。相對傳統(tǒng)控制器的圖像采集卡的方式，基于分布式處理的高清底圖軟件表現(xiàn)出強(qiáng)大的靈活性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

    其五，分布式拼接處理器支持多模式圖像預(yù)覽功能，如圖11。

    傳統(tǒng)大屏控制器通常不具備節(jié)點(diǎn)信息預(yù)覽回顯功能，用戶在信號列表里面只看到一列數(shù)字符號和框圖，不能直觀地觀察到希望上屏顯示的實(shí)時(shí)內(nèi)容。

    圖11

    對于一些重要應(yīng)用場合，需要預(yù)先知道信號內(nèi)容，才能發(fā)布到會議大廳的大屏幕上。已經(jīng)多次發(fā)生過把錯誤的、不合適的視頻信號發(fā)布到公開場合大屏幕進(jìn)行顯示的事故。這與傳統(tǒng)處理器缺乏預(yù)覽控制能力，有著直接關(guān)聯(lián)。

    一般分布式處理器可支持多種模式的信號預(yù)覽回顯：

    A:使用硬件節(jié)點(diǎn)，可以在一個(gè)單屏上實(shí)時(shí)回顯任意一路或者多路組合的信號內(nèi)容。

    B:使用軟件預(yù)覽，可以在PC、無線平板、智能手機(jī)上回顯任意一路或者多路組合的信號內(nèi)容。支持多用戶分權(quán)限預(yù)覽，支持Web 模式廣域網(wǎng)信號預(yù)覽。

    C:使用自采集雙碼流節(jié)點(diǎn)，在信號采集端，用戶可以硬件實(shí)時(shí)回顯任意一路或者多路組合的信號內(nèi)容。

    其六，分布式意味著高穩(wěn)定性，高可靠度    如圖12

    圖12

    硬件分布式拼接處理器意味著穩(wěn)定可靠。純硬件 FPGA核心，無CPU，無操作系統(tǒng)；

    模塊化功能設(shè)計(jì)，算法復(fù)雜度與載荷分布均衡；

    全鋁外殼設(shè)計(jì)，5V供電，低功耗，可靠散熱，工業(yè)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，長久保固；

    即插即用，自動識別，主動偵錯，維護(hù)簡便。

分布式拼接控制器與其他類型處理器對比分析

		集中式			分布式
		PC架構(gòu)		純硬件	純硬件	嵌入式CPU	PC架構(gòu)
原理		以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為主體，通過插入多塊采集卡和顯卡，來實(shí)現(xiàn)大屏拼接，圖像處理主要由CPU完成		通過硬件電路將采集到的圖像高速串行化，然后通過背板上的高速串行芯片將圖像分發(fā)到各個(gè)輸出板卡顯示	在采集節(jié)點(diǎn)端，將圖像分解成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，在輸出節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)包合并成圖像	在采集端將圖像轉(zhuǎn)換成H.264碼流，在圖像輸出端將H.264碼流轉(zhuǎn)換成視頻輸出	輸入節(jié)點(diǎn)機(jī)通過插入采集卡采集圖像，通過VNC方式分發(fā)到各個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)機(jī)顯示
系統(tǒng)構(gòu)成	采集端	PCI/PCI-E采集卡		采集板	圖像采集節(jié)點(diǎn)		輸入節(jié)點(diǎn)機(jī)
	顯示端	顯卡，多屏卡		輸出板	圖像輸出節(jié)點(diǎn)		輸出節(jié)點(diǎn)機(jī)
	數(shù)據(jù)交換設(shè)備	電腦主板		自定義高速串行總線交換板	通用交換機(jī)
	操作系統(tǒng)	Windows/Linux		無	無	Linux
傳輸	數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)	數(shù)據(jù)塊 PCI/PCI-E每次傳輸都從圖像中取出一塊塊進(jìn)行突發(fā)傳輸		全幀切換圖像的傳輸是以幀為單位	數(shù)據(jù)包輸入節(jié)點(diǎn)將圖像分解為標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包	數(shù)據(jù)流 輸入節(jié)點(diǎn)將圖像封裝為H.264視頻碼流
	延遲	100MS		60MS	70MS	500MS	100MS
	壓縮	無壓縮			無壓縮或者無損壓縮	H.264	H.264
性能	拼接路數(shù)	一般不超過16進(jìn)16出	一般不超過72入72出		取決于交換機(jī)能力，目前單臺通用千兆交換最大為576口，通過級聯(lián)方式能支持更大的拼接
	圖像質(zhì)量	好	好		好	較好，在文字邊緣有細(xì)小馬賽克			好
	分辨率	高清			高清
	整屏同步性	好	好		好	一般
	功耗	50W/ 每路	20W/ 每路		5W/ 每路	10W/ 每路	60W/ 每路
	單屏開窗數(shù)	無限制	2路到4路		4路到64路不等
	穩(wěn)定性	一般	高（7×24）		高（7×4）	一般	一般
信號預(yù)覽		支持	需要配置預(yù)覽卡		支持
超高分辨率		軟件方式支持	硬件方式支持		通過軟件/硬件方式支持			軟件方式支持
網(wǎng)絡(luò)攝像頭解碼		支持

    如果從數(shù)據(jù)處理角度來看，PC架構(gòu)的集中式采用的方法是分散采集（通過采集卡采集到內(nèi)存），分散顯示（從內(nèi)存到顯卡）， CPU集中計(jì)算（當(dāng)然，這種架構(gòu)也在發(fā)展，目前開始出現(xiàn)了CPU只負(fù)責(zé)調(diào)度，由PCI-E Switch芯片轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，由顯卡計(jì)算這種方式）。由CPU來集中處理的方式也就決定了PC架構(gòu)的不穩(wěn)定性，以及拼接路數(shù)的限制。

    PC架構(gòu)的處理器平均功耗很高，主要原因是在PC上運(yùn)行，功耗的百分之九十可以叫做靜態(tài)功耗，被操作系統(tǒng)等軟件消耗掉。

    集中式硬件架構(gòu)其實(shí)是分散化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的，它的圖像處理在輸出板卡完成，交換背板只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分發(fā)。由于交換背板是各個(gè)廠家自行設(shè)計(jì)的，每路帶寬可以達(dá)到幾G帶寬，但是交換背板的芯片是一種叫做高速串行總線交換開關(guān)的芯片，只能通過配置內(nèi)部寄存器，作點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，這樣帶來的一個(gè)結(jié)果就是無法進(jìn)行圖像分割，傳輸帶寬是顯示帶寬的好幾倍，所以一般而言，純硬件集中式單屏開窗能力只能做到4路。同樣的道理，交換芯片無法將采集內(nèi)容數(shù)據(jù)化，也就不支持圖像直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)預(yù)覽的能力，所以純硬件集中式處理的信號預(yù)覽只能通過插入額外的預(yù)覽卡，將圖像轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。當(dāng)然，這樣做的好處是不需要做復(fù)雜的幀存控制，可以達(dá)到很低的延遲。

    分布式，尤其是嵌入式CPU分布式，利用嵌入式CPU 的解碼能力和內(nèi)嵌Linux操作的便利性，能夠很方便的進(jìn)行基于H.264碼流的傳輸，做一些靈活的大屏控制。由于H.264碼流無法進(jìn)行圖像切割，存在著計(jì)算帶寬是顯示帶寬的好幾倍的問題。這在做跨屏漫游時(shí)很容易突破計(jì)算能力而導(dǎo)致畫面停頓。H.264碼流還存在參考幀和關(guān)鍵幀的區(qū)別，每一幅畫面的解碼都依賴于前幾幅（可到15幅）畫面。所以延遲較大。

    純硬件分布式由于可以作畫面分割，完全按照所需帶寬傳輸，所以可以實(shí)現(xiàn)單屏64路信號。純硬件分布式?jīng)]有依賴于第三方廠家的圖像處理引擎（嵌入式CPU方式的圖像處理引擎由芯片廠家提供），只能自主開發(fā)，由于通用圖像處理引擎過于復(fù)雜，一般自主開發(fā)時(shí)會針對大屏應(yīng)用舍棄許多不需要的功能，而對大屏應(yīng)用需要的部分作強(qiáng)化，所以能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗高性能。

分布式拼接控制系統(tǒng)的組成

    網(wǎng)絡(luò)分布式拼接系統(tǒng)與之前兩代系統(tǒng)的最大差異就在于它的系統(tǒng)構(gòu)成上，整個(gè)系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分散配置，這樣看似好像增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但其實(shí)大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可操作性。

    網(wǎng)絡(luò)分布式拼接系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)淠Ｊ綐?gòu)建系統(tǒng)，如下圖所示：

    在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)到點(diǎn)的方式連接到一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)（又稱中央轉(zhuǎn)接站，一般是集線器或交換機(jī)）上，由該中央節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳送信息。中央節(jié)點(diǎn)執(zhí)行集中式通信控制策略，因此中央節(jié)點(diǎn)相當(dāng)復(fù)雜，其負(fù)擔(dān)比各節(jié)點(diǎn)重得多。在星型網(wǎng)中任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行通信都必須經(jīng)過中央節(jié)點(diǎn)控制。

    分布式拼接控制系統(tǒng)通常由以下四個(gè)部分組成：

    1、信號源輸入處理節(jié)點(diǎn)：其負(fù)責(zé)采集各種接口方式的信號并進(jìn)行信號預(yù)處理，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼生成在以太網(wǎng)上傳輸?shù)腎P碼流；

    2、顯示輸出處理節(jié)點(diǎn)：其進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼和圖像最終顯示效果的處理；

    3、以太網(wǎng)交換機(jī)：它是整套系統(tǒng)的中心，起數(shù)據(jù)交互作用；

    4、控制管理軟件，用戶通過安裝在控制服務(wù)器上的控制管理軟件對各個(gè)處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和管理；

    具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

    網(wǎng)絡(luò)分布式拼接系統(tǒng)，顧名思義，全套系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)模式分布。我們先看圖中央，為一個(gè)通用全千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，它是整套系統(tǒng)的中心，它只起到數(shù)據(jù)交互的作用，不做任何數(shù)據(jù)處理。作為整套系統(tǒng)的中心，使用的是最為穩(wěn)定的工業(yè)交換機(jī)，也可以說明這個(gè)系統(tǒng)方案的穩(wěn)定性。

    然后就是紅色區(qū)域的采集節(jié)點(diǎn)，其作用是采集各種接口方式的圖像信號，然后進(jìn)行圖像預(yù)處理和數(shù)據(jù)編碼工作。每個(gè)節(jié)點(diǎn)相對獨(dú)立，只負(fù)責(zé)自己所采集到的一路信號的計(jì)算工作。增加或者減少節(jié)點(diǎn)不會影響其他節(jié)點(diǎn)工作。節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)線和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連。

    最上方的藍(lán)色區(qū)域?yàn)檩敵霾糠�，每一塊單屏對應(yīng)一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，由DVI或HDMI等視頻數(shù)據(jù)線相連，一組拼接屏包含多少個(gè)單屏就需要多少個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。輸出節(jié)點(diǎn)的作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼和圖像最終顯示效果的處理。同一個(gè)系統(tǒng)可以包含多個(gè)不同地點(diǎn)的拼接屏。增加或者減少節(jié)點(diǎn)不會影響其他節(jié)點(diǎn)工作。節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)線和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連。

    另外，系統(tǒng)還需要一臺控制服務(wù)器，向系統(tǒng)中各個(gè)輸入或者輸出節(jié)點(diǎn)發(fā)布拼接命令，命令發(fā)布后在各節(jié)點(diǎn)中保存，工作時(shí)可以不再與控制服務(wù)器應(yīng)答�？刂品�務(wù)器由一條網(wǎng)線與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連，所有命令由IP地址指向。在不需要頻繁發(fā)布控制策略的應(yīng)用場合，系統(tǒng)可以脫離控制服務(wù)器連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)分布式全硬件穩(wěn)定運(yùn)行。

    根據(jù)行業(yè)要求，在系統(tǒng)中還可以加入一些輔助設(shè)備，例如網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)NVR進(jìn)行全屏錄像，高清底圖服務(wù)器可以在屏幕上加載地理信息軟件GIS，預(yù)覽及回顯服務(wù)器可以使用戶在控制終端上預(yù)覽未上屏的視頻源圖像和回看大屏上已有視頻的擺放效果。

分布式拼接控制器的分類及其技術(shù)原理

    從系統(tǒng)架構(gòu)看，目前市場上存在的分布式處理器主要有四種類別，分別是純硬件，嵌入式CPU，純硬件混合式，PC架構(gòu)。下面一一剖析：

    一、純硬件（如圖13）

    圖13

    系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，采集節(jié)點(diǎn)，交換機(jī)，輸出節(jié)點(diǎn)

    采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)圖像采集，然后將圖像分解成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過交換機(jī)發(fā)送到輸出節(jié)點(diǎn)，輸出節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)包混合為圖像，在輸出端進(jìn)行圖像處理和顯示。

    純硬件的特點(diǎn)是把采集到的內(nèi)容當(dāng)做圖像數(shù)據(jù)包，而不是視頻流來傳輸。以圖像區(qū)域元為傳輸單元，為圖像的切割，分發(fā)，幀存控制提供了高效的基礎(chǔ)。切割和分發(fā)是為了滿足帶寬需要而設(shè)的，秉承量入為出的設(shè)計(jì)宗旨，需要多少傳輸多少，圖像疊加后被遮蓋的區(qū)域不傳，重復(fù)的區(qū)域不傳。（如圖14）

    圖14

    這樣帶來的一個(gè)好處就是傳輸要求的帶寬不需要根據(jù)疊加區(qū)域和重復(fù)區(qū)域而增加，無論怎么拼接和疊加都可以滿足帶寬要求。得利于基于圖像的傳輸方式，幀存控制變得更加容易，能夠保證整屏同步，低延遲。

    純硬件處理器使用的核心器件是大規(guī)�？删幊屉娐罚‵PGA）。FPGA的特點(diǎn)是沒有CPU，不存在程序跑飛，死機(jī)的問題。即使環(huán)境電源出現(xiàn)故障，F(xiàn)PGA失效后也能快速恢復(fù)。

    純硬件的弱點(diǎn)就是不能解碼網(wǎng)絡(luò)攝像頭和圖像的遠(yuǎn)程傳輸（由于傳輸無損圖像，導(dǎo)致帶寬很高，無法通過公網(wǎng)傳輸）。

    二、嵌入式CPU（如圖15）

    圖15

    系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，采集節(jié)點(diǎn)，交換機(jī)，輸出節(jié)點(diǎn)

    采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)圖像采集，然后將圖像壓縮成視頻壓縮流，通過交換機(jī)發(fā)送到輸出節(jié)點(diǎn)，輸出節(jié)點(diǎn)再將壓縮碼流解壓成視頻，在輸出端進(jìn)行圖像處理和顯示。

    嵌入式CPU方案一般來說都是采用ARM+編解碼模塊的方式完成，ARM上面運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)事務(wù)管理，圖像的縮放，網(wǎng)絡(luò)連接，編解碼模塊負(fù)責(zé)圖像的壓縮和解壓。另一種方式是ARM+DSP的方案，和 ARM+編解碼模塊類似，由DSP完成編解碼，所不同的是DSP能夠自定義壓縮算法，更加靈活。

    由于采用H.264編解碼的方式，最大的優(yōu)點(diǎn)是天生具備網(wǎng)絡(luò)攝像頭解碼，和圖像遠(yuǎn)程傳輸(通過公網(wǎng)傳輸)。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)也帶來了其它問題，壓縮后圖像質(zhì)量不佳，把圖像當(dāng)作視頻流傳輸后，只能對視頻進(jìn)行完整的處理，不能做類似于純硬件方式的切割傳輸，當(dāng)單屏解碼多路時(shí)，導(dǎo)致圖像卡頓，整屏同步性不佳，延遲較大。

    此外，由于使用了CPU，也就存在死機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。雖然能夠通過添加看門狗自動復(fù)位，但是由于操作系統(tǒng)的啟動時(shí)間在20秒到30秒之間，這個(gè)過程顯示屏存在黑屏和花屏的問題。

    三、純硬件混合式（如圖16）

    圖16

    該方案其實(shí)就是純硬件和嵌入式CPU的結(jié)合。純硬件部分負(fù)責(zé)拼接，嵌入式部分負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)解碼和遠(yuǎn)程傳輸。該方案帶來的好處是既能保證本地視頻(采集本地的VGA，DVI，視頻)高質(zhì)量，完全無損、低延遲，又能實(shí)現(xiàn)解碼網(wǎng)絡(luò)攝像頭和遠(yuǎn)程傳輸。

    由于采用混合結(jié)構(gòu)，當(dāng)嵌入式CPU部分死機(jī)復(fù)位時(shí)，純硬件部分能夠?qū)�圖像凍結(jié)保存，不會出現(xiàn)花屏和黑屏現(xiàn)象。

    該方案最大程度的結(jié)合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了兩者的弱點(diǎn)，出現(xiàn)1+1>2的現(xiàn)象，這種混合結(jié)構(gòu)是純硬件和嵌入式CPU兩大陣營的發(fā)展目標(biāo)，預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)將會是分布式處理器的主流。

    四、PC架構(gòu)（如圖17）

    圖17

    PC架構(gòu)由輸入節(jié)點(diǎn)機(jī)和輸出節(jié)點(diǎn)機(jī)以及交換機(jī)組成。輸入節(jié)點(diǎn)機(jī)是由一臺工控機(jī)，采集卡和壓縮軟件組成。輸出節(jié)點(diǎn)機(jī)由工控機(jī)，顯卡和解壓縮軟件組成。

    輸入節(jié)點(diǎn)機(jī)通過采集卡采集圖像，計(jì)算機(jī)將其壓縮成H.264碼流送入交換機(jī)，輸出節(jié)點(diǎn)機(jī)將碼流解壓縮，后處理，最后經(jīng)顯卡顯示。

    該方案出現(xiàn)在10年前，由網(wǎng)絡(luò)抓屏發(fā)展而來，不過受計(jì)算機(jī)性能的限制，一個(gè)輸入或者一個(gè)輸出就需要一臺電腦，導(dǎo)致成本居高，穩(wěn)定性不佳。近幾年由于PC性能提升，顯卡加速的原因，圖像的效果不錯，在一些展覽展示項(xiàng)目有一席之地，但是受到PC架構(gòu)本身的影響，導(dǎo)致穩(wěn)定性有所下降，不太適合7×24小時(shí)開機(jī)使用。