无缝数字大屏幕显示系统可行性研究报告(编辑修改稿)

无缝数字大屏幕显示系统可行性研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

变的阈值，这一点是很难做到的。 另外，即使两个投影仪的颜色一样，两个子图像的边缘距离只有与图像内部两个象 素之间的距离相近时，才不会感觉到缝隙，这一点也是很难做到的。 根据人眼对颜色缓慢变化要迟钝得多的特性，将相邻的图像部分重叠，使颜色平滑地从一边过渡到另一边，这种方法被称之为边缘融合（软拼）。 具体实现时，可以采取 Alpha Mask 的方法，赋给重叠区每个象素的亮度一个权值，并使同一位置的权值和为 1。 在讨论之前，假定： （ a）所有投影仪的 RGB 三基色的色度是相同的。 对于红色来说就是 17 将 RGB 颜色（ r， 0， 0）转变到 CIE XYZ 空间时，只有 Y 值不同， x、 z是相同的（对于同一型号的投影仪来说，亮度 Y 的差异比色度 x、 z 的差异要明显得多； （ b）投影仪的亮度响应（ Luminance Response）对红绿蓝三通道是相互独立的，即 L（ r， g， b） =L（ r， 0， 0） +L（ 0， g， 0） +L（ 0， 0， b）其中 L（ r， g， b）是对输入 RGB 值为（ r， g， b）时，投影仪的输出亮度（ CIE Y）（实际的投影仪并不满足这个条件，因为每个投影仪都有一个最低亮度（ black offset），即 L（ 0， 0， 0）≠ 0。 并且 DLP 投影仪有 4 个通道而不是 3 个。 这里为了讨论的方便，假设满足上述条件，实际的 LCD 投影仪也接近此假设； （ c）投影仪内 的每个象素，其亮度响应满足如下形式： L=k（ c/255）γ， L 为投影仪输出亮度（ CIE Y）， c 为输入的 r、 g 或 b， k 与 r为与投影仪相关的常数； （ d）所有投影仪的所有象素 k 值相同。 有了上面的假设，先来考虑左右两个图像重叠的情况。 如图 3 所示，对于重叠区内的某一象素 P（ d， w）， d 为 P 到重叠区边缘的距离， W 为重叠区的宽度，使用亮度线性插值，则左边图像 P 点处的 Alpha 值，右边图像 P 点处的 Alpha 值。 将 P点处两个图像的亮度相加： 18 相加后的亮度正好等于不重叠时的亮度。 由于假定投影仪的三通道是相互独 立的，上面的算法对于任意的（ r， g， b）都适用。 图 5 边缘融合 4 个图像重叠时，只要分别从两个方向作线性插值，上述算法仍然适用。 (3)颜色校正 Alpha 值的推导依赖于投影仪的亮度响应满足 L=k 的形式，然而投影仪并不满足这种形式，每台投影仪都有自己独特的亮度响应曲线。 图 6 中， g（ c）、 h（ c）分别是两台投影仪的实际亮度响应曲线，他们不仅曲线的形状不同，而且亮度范围也不一样。 要使投影仪显示的亮度统一，取两者的公共亮度区间作为期望亮度区间，然后将两台 投影仪的实际 19 输出亮度都映射到 f（ c）所表示的这个公共亮度区间内 ( ，γ为期望的任意值 )。 具体的映射方法：对校正前的输入象素 P(r,0,0),期望的亮度响应为 f（ r），因此在曲线 g（ c）和 h（ c）上各找到一点 Q1（ r1， 0，0）， Q2（ r2， 0， 0）使得 f(r)=g(r1)=h(r2)，即 、 ，(r1， 0， 0)、 (r2， 0， 0)即为校正后新的输入值。 图 6 亮度响应曲线 可以用色度仪分别测出每个颜色通道的每个输入等级的亮度响应，作图得到曲线 g（ c）、 h（ c）。 知道了投影仪的每个通道的实际亮度响应曲线，以及公共的期望亮度响应曲线，就可以对每台投影仪的每个通道建立一个查找表。 20 实时融合显示（大量图像数据实时计算问题） 在整个投影仪图像融合显示过程中，必须要对每一个投影仪图像的每一象素的颜色、亮度、对比度等信息进行计算处理，计算量非常大，而且所有的计算处理必须在 40ms 以内完成，随着投影仪数量的增多，单台图像融合服务器显然是不可能胜任这样的计算工作，我们采用了计算机网络技术和分布式计算技术，增加图像融合工作站，将任务分配给图像融合服务器和图像融合工作站 ，让它们分布式计算。 通常每一台图像融合服务器或图像融合工作站负责 4 台投影仪图像的计算处理，但为了减轻图像融合服务器的负担，一般图像融合服务器只负责 2～ 3 台投影仪图像的计算处理。 图 7 分布式实时图像融合显示系统组成图 无缝正投影（或 背投影）大屏幕 图像融合与播放服务器 投影机 „ 投影机 扩展融合工作站 投影机 „ 投影机 „ 扩展融合工作站 投影机 „ 投影机 21 分布式计算的同步问题 本系统使用了时间戳技术来保持所有结点之间的同步，在系统初始化时对图像融合服务器和图像融合工作站进行校时，使图像融合服务器结点和各图像融合工作站结点的时钟严格保持一致。 这里设图像融合服务器的时钟为 Tc，设某个图像融合工作站结点的时钟为 Tr，校时的目的就是为了精确的 得出 Toffset=TcTr 的值。 首先测试该图像融合工作站结点和图像融合服务器之间的平均反应时间 tdelay=tread+t+twrite，该反应时间由数据包的读出、写入以及网络延时三部分构成。 图像融合服务器发出一个数据包，图像融合工作站结点将该数据包立即弹回，送出和收到之间的时间差为 TrecvTsend，由上面的定义不难看出 Trecv Tsend =2tdelay，所以多次测试的结果表示为：   Ni se n dre c vd e la y iTiTNt 1 )(2 1 为了避 免由于网络的抖动引起的偶然误差，需要统计平均反应时间的方差：   Ni d e la ys e n dr e c vd e la y tiTiTtD 1 2])[()( 当 htD delay )( 时，认为发生了偶然误差，需要重新进行测试。 这里 h 是常数，可以根据实际的网络环境和所需要达到的精度进行调节。 在获得了平均网络反应能力delayt后，图像融合工作站结点向图像融合服务器发送一个带有自己时钟 rT 的数据包，图像融合服务器收到数据包后立即提取自己的时钟 cT ，这样就可以获得图像融合服务器和图像融合工作 22 站结点之间的时钟偏差delayrcoffset tTTt 。 多次测试的结果为：   Ni d e la yrco ffse t tiTiTNt 1 )(1 同样也需要计算 )(offsettD 的值：   Ni o ffs e td e la yrco ffs e t ttiTiTtD 1 2])[()( 并在 39。 )( htDoffset 时认为发生了偶然误差 , 重新进行测试 . 该方法的测试结果表明校时后图像融合服务器和图像融合工作站结点之间的时钟误差仅为 2 毫秒。 这样的误差在 帧率低于 100 时人眼是无法感觉到这种误差的存在的，我们的原型系统的帧率维持在 70 左右，已经达到了相当不错的效果。 数字大屏幕显示系统与应用系统的衔接问题 本系统提供了一个虚拟 WINDOWS / UNIX／ LINUX 操作系统窗口，通过该“虚拟操作系统窗口”可以方便地与现有 WINDOWS / UNIX／LINUX 操作系统平台下工作的各种网络通信管理系统（例如， NEC、 DDN、PCM 等等）衔接。 该虚拟 WINDOWS / UNIX／ LINUX 操作系统窗口可以方便地使用各种高分辨率图像显示硬件和软件，从而把高分辨 率的画面实时地在大屏幕上显示出来。 本系统提供了一个 RGB 显示接口，通过该显示接口可以把其他特殊应用系统在计算机屏幕上显示的图像直接输入到本系统的图像采集、分割子系统，从而可以把画面实时地在大屏幕上显示出来。 （ 1） VGA 视频阵列切换机 利用 VGA 视频阵列切换机可以方便地接受 WINDOWS/UNIX／ 23 LINUX 操作系统平台下工作的各种网络通信管理系统（例如， SDH、 PCM、RPR、 RF、 TXDD、西门子、广哈、时钟、调度台等等）输出 VGA 视频信号；接着通过选择，输出其中的 1~4 路 VGA 信号至‘视频信号解压、 采集、画面分割子系统’；然后，由该子系统对输入的 VGA 信号进行实时数据采集、画面分割；最后，可以把高分辨率的画面实时地在大屏幕上显示出来。 从而既保持了原有各个网络系统的物理上的隔离，同时又实现了大屏幕图像融合显示系统与现有各类网络应用系统的柔性衔接。 （ 2） 远程图像监控系统 远程图像监控 系统网络可以方便地与‘画面分割子系统’服务器提供的虚拟网络控制台和“虚拟操作系统平台”连接。 通过视频图像实时解压软件或者硬件解压卡，可以把通过网络传送来的监控画面实时地在大屏幕上显示出来。 另外，本系统也可以接收 16 路模拟 监控视频信号，进行实时显示。 在大屏幕上显示的图像可以自由拖动、无级缩放。 （ 3） 视频图像播放系统 通过“画面分割子系统”服务器上提供的视频信号接口和“虚拟操作系统平台”， 视频图像播放系统 可以接收高清电视、 DVD、 VCD、 VCR 模拟的或者数字的影视信号，在大屏幕上播放。 （ 4） 独立的 PC 机图像 通过“画面分割子系统”服务器上提供的“虚拟操作系统平台”，可以直接使用 Microsoft 公司提供的媒体播放器 MediaPlayer 在大屏幕上观察各种格式的图片。 24 （ 5）远程会议系统应用 通过“画面分割子系统”服务器上提 供的数字或者模拟的视频接口，以及“虚拟操作系统平台”，系统可以用于远程视频会议系统，直接在大屏幕上播放器多媒体讲稿，显示各个会场的现场图像。 （二）、工艺流程： 投影机的安装与调整 大屏幕几何尺寸的设置 连接和调整数码照相机。