前言

　　一元復(fù)始，萬象更新，大屏幕顯示行業(yè)迎來了一個嶄新的開始。作為重要的信息化終端，大屏幕顯示設(shè)備被廣泛應(yīng)用在能源、電力、交通、安防、廣電、指揮調(diào)度等眾多領(lǐng)域，成為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和政治運(yùn)行不可或缺的重要助力。

　　近年來，國家加快國防及安全建設(shè)、加快農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加快鐵路、公路和機(jī)場等重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。這些重大建設(shè)工程產(chǎn)生了大量的大屏幕顯示應(yīng)用。伴隨著大屏幕應(yīng)用實踐的深入，綜合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的程度也不斷提高，誕生了最新一代的圖像顯示綜合管理系統(tǒng)： 網(wǎng)絡(luò)分布式圖像處理器。

　　網(wǎng)絡(luò)分布式圖像處理器，是大屏幕顯示行業(yè)進(jìn)化的完美結(jié)晶。眾所公認(rèn)，本世紀(jì)最重要的技術(shù)主線就是網(wǎng)絡(luò)，云概念、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)終端等快速普及，要求作為信息化顯示終端的大屏幕系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，和整個信息網(wǎng)絡(luò)實時互動。          網(wǎng)絡(luò)分布式拼接控制器采用了節(jié)點(diǎn)分布、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能運(yùn)算的系統(tǒng)體系，以高帶寬千兆網(wǎng)絡(luò)為載體，將專業(yè)的無損圖像編解碼、精細(xì)圖像縮放算法、多用戶圖像數(shù)據(jù)交互等核心運(yùn)算合理分配到眾多分布式運(yùn)算節(jié)點(diǎn)，實現(xiàn)了眾多令人激動的大屏顯示創(chuàng)新體驗：系統(tǒng)規(guī)模靈活增減，海量規(guī)模信號管理，虛擬超大桌面，整屏回顯錄播，多屏聯(lián)動，單屏64圖層，信號預(yù)覽觸控······

　　經(jīng)過了近十年的行業(yè)孕育，網(wǎng)絡(luò)分布式圖像處理器迎來了厚積薄發(fā)。

　　網(wǎng)絡(luò)分布式處理器是時代的產(chǎn)物，是未來的主宰！

　　-----------------致，網(wǎng)絡(luò)分布式處理器元年

　　一、介紹XNet音視頻算法與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合

　　顯約科技顯控交互平臺是基于傳統(tǒng)集中式控制器的缺點(diǎn)及新的市場發(fā)展趨勢而出現(xiàn)的。 顯約科技顯控交互平臺是以嵌入式系統(tǒng)為平臺，以專有實時圖像編解碼算法為手段，以高速以太網(wǎng)為通道，實現(xiàn)大屏幕拼接墻高性能高靈活性的顯示控制的完整解決方案。他將計算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜的高帶寬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于視頻數(shù)據(jù)交換，通過網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)，可靈活的將大量的、多樣化的視頻源連接至同樣大量的、多樣化的輸出設(shè)備上，實現(xiàn)視頻的縮放、跨屏、漫游等功能。來滿足大數(shù)據(jù)時代以往的處理器越來越滿足的迫切需求，引領(lǐng)未來大數(shù)據(jù)顯示市場。

　　XNet系列是顯約科技研發(fā)的國內(nèi)首創(chuàng)的一款大屏幕拼接產(chǎn)品。他將計算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜的高帶寬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于視頻數(shù)據(jù)交換，通過網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)，可靈活的將大量的、多樣化的視頻源連接至同樣大量的、多樣化的輸出設(shè)備上，實現(xiàn)視頻的縮放、跨屏、漫游等功能。

　　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 2 0 0 0 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)。

　　分布式拼接控制器產(chǎn)生的歷史背景

　　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.無法實現(xiàn)多顯示墻信號共享，實現(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、實時化。

　　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)。每個模塊都是獨(dú)立運(yùn)行、不再相互影響。處理計算能力將是各模塊處理計算能力的總和。

　　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，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)控攝像信號的接入;

　　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)。

　　二、雙碼流技術(shù)的必要，及純264技術(shù)的短板

　　壓縮碼流   (配圖DVCS)將其logo模糊處理

　　此類分布式處理器是由最早的視頻編解碼器以及網(wǎng)絡(luò)抓屏演變而來，采用的壓縮方式基本上是H.264或者M(jìn)JPEG，其中H.264為主。這里簡單說明一下H.264的壓縮過程，由于各個廠家使用的基本上都是近些年流行的SOC結(jié)構(gòu)，壓縮過程中都是在SOC內(nèi)部的編解碼模塊中進(jìn)行，使用SOC進(jìn)行開發(fā)的廠家是無法改變的。所以壓縮過程完全一樣。

　　壓縮的第一步就是色度空間的壓縮。將RGB信號壓縮成YUV4:2:0，使數(shù)據(jù)量減少到二分之一。這種色度空間的壓縮理論是基于人眼對色度空間不敏感，而對亮度空間敏感的特性。在觀看自然圖像時，比如攝像頭或者照片時，壓縮后幾乎感覺不到變化，但是在處理文字尤其是彩色文字時，文字的邊緣的顏色會發(fā)生變化。下面是一張對比圖。

　　可以看出，紅色和藍(lán)色的文字顏色發(fā)生變化，而綠色變化小。這是因為色度空間中綠色比例大，對其所作甚小。壓縮的第二步就是離散余弦變換，這一步驟的理論是將圖像從空間域變換到頻率，然后對高頻分量進(jìn)行壓縮。這個步驟可以將壓縮比做到10:1。同樣的道理，該過程對自然圖像影響較小，因為自然圖像高頻分量少，但是對對文字進(jìn)行壓縮后，文字邊緣將會出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象。

　　無壓縮碼流

　　無壓縮碼流是順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬發(fā)展，骨干網(wǎng)(千兆)交換機(jī)價格合理之后才出現(xiàn)的產(chǎn)物，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入千兆以后，利用千兆網(wǎng)傳輸無壓縮圖像才成為可能。即便如此，一根千兆網(wǎng)線一秒鐘內(nèi)依然無法傳輸一張1080P的原始圖像。帶寬計算如下：

　　1920(圖像的寬度)x1080(圖像的高度)*3(一個像素有RGB三個字節(jié))*30(幀率)=187M字節(jié)=1870Mbit(網(wǎng)絡(luò)傳輸是8b/10b)編碼。

　　所以傳輸1080P30幀的圖像需要兩個網(wǎng)線。這也是我們在市場上看到的無壓縮處理器基本上都留出兩個網(wǎng)口。

　　無壓縮的傳輸方式是SOC芯片無法支持的，因為即使SOC芯片有兩個千兆網(wǎng)口，但是由于操作系統(tǒng)的管理，導(dǎo)致利用率不到50%。所以該類處理器毫無例外的采用FPGA架構(gòu)?；蛘吆唵我稽c(diǎn)說，就是無CPU的大規(guī)模集成電路。FPGA的特點(diǎn)是適合大批量數(shù)據(jù)處理和吞吐以及高穩(wěn)定性，這在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中用的很多。

　　無壓縮圖像不會出現(xiàn)壓縮圖像出現(xiàn)的顏色畸變，邊緣馬賽克現(xiàn)象，這在一些圖文信息上屏?xí)r不會導(dǎo)致誤判。由于減少了壓縮碼流的幀間壓縮，所以延遲很低，和集中式處理器能夠做到完全一樣。非常適合要求低延遲的會議系統(tǒng)，指揮系統(tǒng)。

　　但是無壓縮碼流的碼率非常高，非常不適合遠(yuǎn)程傳輸。即便是在相鄰的幾棟大樓之間，也需要用多組千兆網(wǎng)線或者萬兆光纖連接。這給施工帶來很大的困難，所以說除非要求圖像質(zhì)量好或者要求實時性高，在跨樓的項目上一般不推薦用無壓縮碼流的處理器。

　　無壓縮碼流由于采用了FPGA作為主要模塊，所以穩(wěn)定性非常高，沒有死機(jī)和病毒的風(fēng)險。

　　混合碼流

　　混合碼流可以說是應(yīng)運(yùn)而生的一種產(chǎn)品，既然壓縮碼流適合遠(yuǎn)程傳輸，而且SOC開發(fā)便利。同時壓縮碼流圖像質(zhì)量高，F(xiàn)PGA穩(wěn)定性高。何不將其有機(jī)的結(jié)合起來，在一個產(chǎn)品中同時使用SOC和FPGA，它們各負(fù)責(zé)自己擅長的事情，同時又去彌補(bǔ)各自的不足。

　　前面說過，壓縮碼流對自然圖像質(zhì)量幾乎不構(gòu)成影響。那么，就用壓縮碼流去處理自然圖像。而VGA，DVI信號上的圖文信息壓縮后質(zhì)量明顯下降，那就用無壓縮碼流去傳輸。這種思路是可行的。因為自然圖像機(jī)會都是來自攝像頭。從前端網(wǎng)絡(luò)攝像頭過來的信號都是壓縮碼流，而VGA和DVI信號都是本地信號，不需要遠(yuǎn)程傳輸，適合用無壓縮碼流。

　　兩者混合之后帶了另一個好處就是穩(wěn)定性高，壓縮碼流的分布式處理器是使用SOC部分去做屏控(跨屏，漫游等等)。在一個芯片上干兩件事情，而且SOC設(shè)計出來基本上就是用來解碼視頻，簡單上網(wǎng)用的。所以穩(wěn)定性下降是很自然的。如果只讓SOC干它擅長的解碼和控制，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)它所擅長的屏控。那么穩(wěn)定性就大大提高了。

　　可以說，混合碼流結(jié)構(gòu)是技術(shù)融合背景下的一個必然產(chǎn)物，在未來的拼接市場將極具備生命力，成為分布式的主流結(jié)構(gòu)。

　　三、XNet技術(shù)在拼接融合矩陣產(chǎn)品的優(yōu)勢體現(xiàn)

　　--分布式圖像拼接控制器具有眾多優(yōu)點(diǎn)--

　　其一，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施及管理要求。

　　例如，三個會議室，有一個主會場，兩個分會場，都有顯示大屏，位置分開，距離數(shù)百米。其中主會場采用5×8的DLP大屏，兩個分會場采用兩個1×3的投影融合。三個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。在這個案例中，三個獨(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^10G的視頻數(shù)據(jù)共享帶寬。

　　其二，網(wǎng)絡(luò)是分布式控制器的基石

　　如今是移動互聯(lián)網(wǎng)時代，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)的分布式拼接控制器，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。

　　其三，圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化帶來眾多實惠

　　網(wǎng)線代替了VGA、DVI、視頻等信號屏蔽線，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)分布式拼接處理器同時具備網(wǎng)絡(luò)矩陣功能，輕松實現(xiàn)分布雙向信號分享能力。IP攝像頭無需解碼器，直接接入大屏。模塊化結(jié)構(gòu)，故障便于控制，方便排查。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性、可維護(hù)性。大項目風(fēng)險可控，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現(xiàn)高清虛擬桌面上屏。

　　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，就可以實現(xiàn)256個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。

　　通過普通的電腦千兆網(wǎng)口，安裝一個XNet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。也可以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，XNet 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

　　傳統(tǒng)大屏控制器在正常情況下并不具備節(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時內(nèi)容。

　　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。在之前已經(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)，可以在一個單屏上實時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，用戶可以硬件實時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

　　XNet 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，算法復(fù)雜度與載荷分布均衡;全鋁外殼設(shè)計，5V供電，低功耗，可靠散熱，工業(yè)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，長久保固;即插即用，自動識別，主動偵錯，維護(hù)簡便。

　　XXNet分布式拼接控制器與其他類型處理器對比分析

　　表表1：不同處理器對比分析表

　　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)其實是分散化實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的，其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廠家自行設(shè)計的，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，作為點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，這樣帶來的一個結(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，做一些靈活的大屏幕控制。由于H.264碼流無法進(jìn)行圖像切割，存在著計算帶寬是顯示帶寬的好幾倍的問題。這在做跨屏漫游時很容易突破計算能力而導(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。