迪恒激光投影大屏融合解决方案

　　摘要

　　目前，实现大屏的方案主要有两种，一种是拼接，另一种则为融合。大屏幕融合是一种拼接、几何校正、图像边缘融合一体化的处理方式，支持融合带的宽度调整、及多边形显示、不规则投影显示。投影机无缝拼接(边缘融合)技术将一组投影机投射出的画面进行边缘重叠、几何校正、亮度消隐过后产生一个没有缝隙、色彩均匀，超高亮度、超大尺寸、超大分辨率，在视觉感官上就像是一台投影机投射出的画面。广泛适用于展览展示、大型会议厅、监控系统等需要大视觉效果的场合。

　　大屏技术简介

　　科学发展日新月异，技术更迭风云变幻。人们对显示性能的追求日益提高，选择也越来越多元化，如:更大的显示屏幕、更高的分辨率、更亮丽的色彩等等。在大型场馆展览、交通指挥调度、公共安全管理、能源资源监控、广播电视通讯、航行模拟训练等领域，人们对大屏幕显示的需求尤其显著。例如在用大尺寸的屏幕同时显示更大的全局画面和多个子画面窗口，或是用围绕观众的弧形大屏幕来实现更强的画面沉浸感以实现虚拟现实;这些都对显示屏幕的尺寸和图像分辨率提出了更高的要求。

　　大屏的实现目前主要有两种，一种是拼接，基本用的是小间距LED拼接屏如图1-1或LCD液晶拼接屏如图1-2来实现，其中LCD液晶显示屏最明显的缺点就是拼缝明显，液晶面板会有老化问题;而小间距LED完全无拼缝，高亮不惧阳光，但不足的是价格过于昂贵。另一种则为投影融合如图1-3所示，通过投影机和硬件融合器实现大屏方案，既满足了无拼缝的需求，又兼具实惠可应用性强的优点。多投影融合系统出色的画质展现能力与灵活的适应性，在大屏幕显示领域得到了越来越广泛的应用，逐渐成为了主流的解决方案。

图1-1 LCD小间距LED拼接大屏

图1-2 LCD拼接大屏

图1-3 投影融合拼接大屏

　　几种大屏技术的优缺点对比如表1.1所示

　　表1.1 大屏技术优缺点对比

　　大屏投影融合系统的实现原理

　　在大屏幕多投影融合系统中，投影机投影的方式可以分为正投和背投两种，正投是指投影机从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装正投。背投是指投影机从屏幕的后面向屏幕投影，同样也包含了普通的背投和吊装背投。这两种投影方式在多投影无缝拼接系统中的工作原理类似，本文中只考虑正投方式。以下介绍了五种常见的大屏投影融合实现方案

　　方案一：DHN纯纯硬件融合器大屏融合解决方案

　　方案二：软融大屏融合解决方案

　　方案三：DHN投影内置融合+画面切割器实现大屏融合解决方案

　　方案四：DHN投影内置融合+显卡实现大屏融合解决方案

　　方案五：DHN纯激光投影大屏融合解决方案

　　多投影大屏融合系统所用的大屏幕比较灵活，大尺寸的平面幕布、粗糙的墙面、弧面、柱面等非平面幕均可适用。大屏幕摆放好后，固定各个投影机的位置尤为重要。为了能在大屏幕上实现画面的拼接显示，各个投影机在大屏幕上投影画面的并集能完整覆盖大屏幕上的目标显示区域，且各投影机相邻投影画面边缘应有部分重叠区。视频图像处理设备将视频源的若干路视频信号进行处理，根据大屏幕和各投影机的相对位置输出若干路子视频信号，分别发送至相应的投影机进行投影。通常，将视频图像处理设备所输出的子视频信号数量成为该设备的输出通道数，简称“通道数”。由于每个子视频信号都是输出给一台相应的投影机，因此系统中视频图像处理设备所用的通道数与系统中投影机数量相等。

　　对于每台投影机在大屏幕上的投影画面，其几何形状会受投影角度、屏幕弯曲情况、投影机镜头辐射状扭曲情况等因素所影响，仅通过手工调整投影机相对位置和投影角度的方法难以使投影画面精确投影至大屏幕上的对应区域。为了解决这个问题，迪恒投影内置的17×17几何校正技术。可以实现绝大多数情况下的投影画面调整。

　　为了在大屏幕上将各个投影机所投影出来的画面无缝拼接起来，普遍采用的做法是使得各个相邻投影画面之间两两相交部分重叠，以实现各画面内容的无缝衔接。然而对于重叠区而言，相邻的投影机投影画面在此区域内重叠，其画面亮度将明显高于非重叠区域，需要进行边缘融合处理。迪恒投影内置了独特的边缘融合技术，可以轻松处理重叠区的亮度问题。

　　边缘融合技术中的基础做法通常是将各个投影画面上的全部像素点赋予一个0-1之间的亮度权值，表示将像素点的亮度按照权值进行相应的衰减处理，权值数字越大表示亮度衰减程度越大，1.0代表不衰减，0表示衰减至黑色。非重叠区的亮度权值均为1.0，重叠区的每个像素亮度权值都小于1.0，但是同一位置的各个相邻画面像素点亮度权值之和为1.0，这样便可以使得重叠区和非重叠区的亮度一致。

　　此外，由于各个投影机间颜色的亮度反应曲线有差异，即使是同一型号的投影机，其投影出来的颜色亮度也不一定相同，要实现一个效果更好的大屏融合方案就得对各个投影机进行颜色校正，通过分析投影机颜色响应曲线，将输入到投影机的图像颜色进行逆向变换，便可以改变屏幕上各投影画面颜色的不一致性。

　　本文将几何校正、边缘融合、颜色校正等技术统称为“拼接融合技术”，在大屏幕多投影融合系统中，它们都是通过视频处理设备来实时实现的，经过这些处理后，大屏幕上的各个投影画面便可以在屏幕预定显示区域内无缝拼接起来。

　　无缝大屏融合实现步骤

　　3.1几何校正

　　在投影大屏融合系统中，投影机的投影角度和大屏幕的形状等因素都可能给屏幕上的投影画面带来一定程度上的几何扭曲。几何校正就是通过对输出至各个投影机的画面提前进行逆向几何扭曲，来使得屏幕上显示出来的投影画面恢复至无扭曲的状态;几何校正对画面的扭曲处理实际上是对每帧画面中不同位置的各个像素点进行位置的变换处理。为了便于用数学方法进行量化处理，我们用平面坐标来量化表示每帧画面上各像素点的空间位置，将一帧画面视为一个画面坐标空间，画面上的每个像素都视为空间中的一个点。来自视频源的原始视频画面称为总画面坐标空间，按照各投影机和大屏幕的相对位置将原始视频画面分成若干个子画面，随后被融合器进行处理。每个子画面称为子画面坐标空间，最终输出至各个投影机的子画面称为投影机缓存画面坐标空间，最终在大屏幕上所投影显示出来的画面称为屏幕画面坐标空间;给每一个坐标空间建立平面直角坐标系，画面的左上角为坐标系的原点，从原点垂直向下为Y轴的方向，水平向右为X轴的方向，画面中任意一个像素点的横向和纵向序号就是该点的横、纵坐标。

几何校正在大屏融合系统中，还有一个重要的作用即保证相邻的投影画面的像素点能够对齐，如果像素点未对齐的话，最终会导致重叠区的画面出现重影。往往更多的格点可以控制的话，对画面的校正也会更精准，最终对齐的画面会如图3-1所示

图3-1 经过几何校正后重叠区完全对齐的效果图

　　3.2融合区调整

图3-2

图3-3

　　融合区调整的作用通常是为了消除两台投影画面重叠部分的亮度，使其与非重叠区亮度一致。通常是将各个投影画面上的全部像素点赋予一个0-1之间的亮度权值，表示将像素点的亮度按照权值进行相应的衰减处理，权值数字越大表示亮度衰减程度越大，1.0代表不衰减，0表示衰减至黑色。非重叠区的亮度权值均为1.0，重叠区的每个像素亮度权值都小于1.0，但是同一位置的各个相邻画面像素点亮度权值之和为1.0，这样便可以使得重叠区和非重叠区的亮度一致。如下图3-2所示，可看到重叠的两块区域亮度明显高于非重叠区域，经过校正后的效果如图3-3所示。

　　3.3画面切割

图3-4

　　当完成几何校正和边缘融合后，其实画面显示的还是独立的非完整画面，这个时候需要对视频信号源进行处理，以便实现真正的大屏融合。画面切割通常包含了，图像放大，图像取景和重叠区调整。目前现有的FPGA融合器能实现对图像的15倍放大，即可以图像水平或垂直放大15倍。实际应用中往往根据具体的投影排列分布来进行放大，比如水平3台融合，水平放大3倍即可，垂直保持不变。若为3x3的9台投影排列，则需要水平和垂直均放大3倍。当对图像进行放大后，每台投影机显示的仍然为相同的画面，这个时候需要对每台投影指定显示的内容显示，我们把这个设置叫做取景选择，具体取景以3×3排列为例，可以参考如图3-4规则：

　　当对每台投影的画面进行取景显示后，这个时候离完美的大屏显示还差最后一步那就是重叠区调整。以2台融合为例，需要把原始讯号画面水平放大两倍，让左边一台投影仪水平取景1.让右边投影仪水平取景2.通俗一点讲就是让左边的投影机显示左边的画面，右边的投影机显示右边的画面，但是重叠部分有时候画面并不完全一样，这样哪怕几何校正对齐后，看起来画面仍然模糊。所以需要调节重叠区以便保证重叠区域的显示画面一模一样，达到完全重叠。而重叠导致的亮度叠加则依靠融合调整消除。

　　实际应用案例展示

　　本部分内容将重点展示大屏融合系统在各个领域的实际应用

徐州潘安湖湿地公园-18台投影实现大屏融合

贵州花溪党校-多台打造沉浸式体验

湖州纺织里大润发超市

上海复兴集团大厦外墙投影-15台投影大屏融合

天津海滨新区党校-8台投影实现U型大屏融合

　　展望

　　感官一切，大屏不只是大。

　　未来，随着硬件水平的提高，纯硬件的8k分辨率融合器问世将不再遥远。突破分辨率的新关卡后，大屏融合系统不仅能满足用户超高清的显示需求，还会应需产生更多有趣的玩法和应用。