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(yàn)：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(shí)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(gè)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(hào)，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(jì)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(gè)時(shí)候開始應(yīng)用。

    PC式處理器的物理結(jié)構(gòu)是一臺(tái)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?yàn)槠淦唇铀惴ǘ嘤绍浖��?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(gè)PCI-E-X16插槽，性能十分強(qiáng)勁。

    但是受計(jì)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(dòng)輒上百萬的工控設(shè)備。又因具有操作系統(tǒng)，相對(duì)穩(wěn)定性不高，所以其性價(jià)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(xiàng)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(cuò)。

    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(jià)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(gè)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(hào)以及數(shù)據(jù)交換，都在一個(gè)機(jī)箱里面完成。

    第二代集中式處理器由一個(gè)基板和輸入接口板與輸出接口板組成一個(gè)共通的箱體。接口板進(jìn)行圖像信號(hào)的處理，基板作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ�，將輸入板的信�?hào)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(shí)接納多個(gè)高速信號(hào)。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?yàn)槲锢斫Y(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?yàn)楹偷谝淮�處理器一樣是�?duì)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(jì)制造的高速差分交換底板，該底板對(duì)于整個(gè)處理器的信號(hào)完整性、穩(wěn)定性至關(guān)重要，對(duì)廠家的設(shè)計(jì)制造能力有很大的挑戰(zhàn)。尤其在一個(gè)大規(guī)模信號(hào)顯示拼接項(xiàng)目上，底板規(guī)模過大會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)。

    不過其透明且低廉的價(jià)格，為其在簡單應(yīng)用工程帶來了較高的性價(jià)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(duì)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(huì)不斷面對(duì)分布式處理器新功能、新體驗(yàn)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(hào)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(hào)多點(diǎn)共享，網(wǎng)絡(luò)化圖像接入/輸出，移動(dòng)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(shí)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(gè)地點(diǎn)，數(shù)據(jù)的處理也分散在各個(gè)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(gè)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?yàn)槭褂玫氖蔷W(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?yàn)樘幚韺?duì)象由原來的整幀圖像變?yōu)楝F(xiàn)在的一個(gè)數(shù)據(jù)包形式，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和處理的對(duì)象也會(huì)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?yàn)槠湮锢斫Y(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(xiàng)目快速搭建整套系統(tǒng)，并使其擁有可升級(jí)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(gè)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(shí)間上雖有先后，但三代產(chǎn)品各有優(yōu)缺點(diǎn)，不存在絕對(duì)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(jià)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。