明通VP2000系列图像拼接控制器介绍_北京明通视讯科技有限公司

在大屏幕拼接显示系统中，图像拼接控制器占有极其重要的角色，处于核心地位，所有需要显示的信号和资料信息（如视频图像信号、网络计算机信息、GIS电子地图等）以及所有的显示任务和显示处理工作都要经过组合显示控制器来接受、处理，可以这样说，图像拼接控制器的选型和性能直接决定了大屏幕显示系统所能完成的功能和大屏幕显示系统的性能优劣和先进程度。
图像拼接控制器的控制功能的实现是基于计算机，但它又高于计算机，因为它加上了许多特殊的应用，比如视频的处理等。怎样的控制器才能算优秀的控制器呢？
首先，控制器基于计算机，应该具有一个优秀的操作平台，该平台不但要稳定，而且要操作和使用均很方便。
其次，提到大屏幕，我们肯定会想到UNIX下的高分辨率图形，由于类似电子地图等UNIX下的高分辨率图形，控制器一定要用到虚屏技术，以满足高分辨率的显示；
第三，多网络接口的需要。计算机技术已经飞速发展到网络时代，因此对控制器来讲，网络的应用是不可少的；并且单网络接口也不能满足用户的要求，因为各个系统之间的联系越来越多，可能有不同网络的信息显示到大屏幕上；
第四，处理视频信息要尽可能多，即容量要大。对于一个大型的大屏幕系统，监控人员总是希
望屏幕上能显示许多的图像、计算机信息，以随时掌握各个地点的交通状况；
第五，控制器的操作要灵活、方便。例如，随意拖拉、缩放；
第六，其显示内容要多样化，可以有视频，计算机信号，文本等；
第七，控制器要有集成的可能。因为大屏幕只是一个视频简单处理后的显示系统。单一个大屏幕系统本身是没有多大意义的，它必须能与视频切换系统、集中控制系统、网络结合才有意义。简单的讲，控制器必须提供底层的软件包，以供集成所用。

1）Minder VP2000系列图像拼接控制器技术特点

a.独创的FPGA硬件图形并行处理技术
FPGA(Field Programmable Gate Array)，称为现场可编程逻辑阵列，是最近新发展的硬件技术。FPGA芯片具有速度快，并行处理，功能灵活的特点，但芯片本身只是一个空白的硬件平台，不具备任何功能，需要技术人员根据自己的要求对其进行硬件编程。VP2000系列的处理核心就是FPGA芯片阵列。
系统具有高速信号处理技术，保证高分辨信号输入输出的实时处理。VP2000系列采用DDR技术作高速数据缓存，运用流水线技术，对高速信号进行分级顺序处理，保证了信号的实时性。系统输入标准分辨率可高达1600x1200x60Hz(需要预定)，非标分辨率可以达到更高，并且保证每一祯都能够实时的处理完毕，输入与输出之间没有时间拖延。在多单元显示一路信号、一单元显示多路信号、多单元多信号漫游叠加等情况下，显示信号均无延迟。即便在所有输入信号都漫游叠加在一起的极限情况下，所有信号一样保持动态实时性。
系统采用基于输入端口的信号并行处理技术，有效的增加了输入信号个数。系统通过芯片阵列，对高速图形数据流进行逐级处理，每一路信号输入都对应一列处理器。这样就相当于很多处理器同时工作，做到数据的并行处理，极大的提高了系统运算速度。有效的是用并行处理技术使得数据得到分散处理，没有了工控机单处理器的速度瓶颈，从而使得系统对输入信号个数不敏感。就是说增加信号输入个数，并不增加系统的总体运算负担，这样系统就能够接纳多个高速信号。能够有效的进行多路VGA/RGB信号输入，是VP2000系列与普通插卡式工控机相比，最大的性能优势。
系统属于纯硬件数据处理，没有运行Windows和Linux操作系统，不是一台计算机，不需要营盘、光驱、显卡等辅助设备。

b.最新的基于LVDS高速数字信号交换体系

VP2000系列采用所有输入通道并行方式进入核心处理模块，每条总线使用4个高速LVDS信号，这与工控机拼接控制器的PIC总线有本质上的区别。
普通工控机的PCI总线，基本结构是多个PCI插卡使用同一组总线，一般是32个数据位。如下图所示，6个卡使用同一PCI总线，实际上进入核心处理器的数据只能是其中的一个卡上的信号，PCI总线要分时复用。由于CPU核心处理器同一时间只能处理一个信号，这样的总线结构对于这样的CPU正好适合。VP2000系列采用并行处理结构，这样的总线是远远达不到处理器速度需求的。

工控机的PCI总线结构
为适应核心并行数据处理要求，VP2000系列采用并行总线接入方式，就是说每个通道都有独自的总线接入核心处理系统。多个通道采用并行的方式可以实时的将数据送入核心的FPGA处理阵列。
如果每个输入通道都使用PCI总线，那么最终形成的输入线数量会多得惊人。在FPGA核心处理部分中，也许要多组信号进行实时交换。如果也采用并行总线结构，那么系统间的连线数量会成几何上升，使得系统最终无发实际使用。
为解决此结构问题，我们采用超高速LVDS进行信号传输。LVDS，是低电平数字信号的简称，其特点是用两根线差分传输一个数字状态，线间电压低，信号传输速度快，本系统中使用的LVDS信号速度为2.5G/S，信号额定最高速度可以达到4G/S以上。使用LVDS进行图像传输，4组线即可传送超高频的显示信号。是用高速串行信号，极大的减少了系统连线的，使得每个输入输出通道只使用4组线与系统核心计算单元连接。LVDS信号与并行总线信号，最常见的体现是硬盘ATA的并行排线接口和新型硬盘SATA的LVDS接口。下图为VP2000系列基本系统节构图。

VP2000系列多通道并行总线结构及串行通信方式

c.最新的NIOSII硬件控制系统
    VP2000系列系统采用并行硬件系统，这样很大程度提高了系统数据处理速度，但并行处理，就意味着很多器件同时工作，增加了系统元件个数，这样，所有器件的同时统一控制，就成为重要问题。对于工控机而言，只有一个CPU进行核心运算，数据是串行处理的，因此配置一套接口，就可以控制所有的设备，而VP2000系列需要用一个高速控制器同时控制多于32个其他部件，同时又要能灵活的协调各部分顺序运行。为解决此问题，我们选用了基于FPGA的高速软内核NiosII。

   NiosII处理器是Altera公司为其FPGA产品配套开发的软核CPU。在逻辑功能上，它们是32位的精简指令集CPU；在实现方式上，它们是在FPGA上通过编程的方式实现的，这也是与传统的CPU的一个根本的差别。NiosII的总线采用了哈佛结构，在很大程度上提高了系统的处理速度。由于系统的总线控制器是在FPGA中实现的，可以进行灵活的配置，在某些外设需要具有冯诺依曼特性时又可以把两套总线合二为一，从而在局部实现冯诺依曼结构，这样就使得系统总线兼有哈佛结的高效率与冯诺依曼结构的灵活性。NiosII系统总线自动对不同时钟域进行协调，可以使挂在总线上的组件工作在不同的主频下，使系统更为灵活。

   VP2000系列使用一片FPGA，内嵌NiosII软内核，成为系统核心控制器。在这片FPGA上，还编程实现了64个外围通信控制模块，为系统提供64个可同时工作的基于LVDS的高速接口，与全部系统其他器件进行高速通信。系统工作时，数据计算FPGA阵列、输入输出端口、系统面板、红外接收器、网络端口、RS232控制口等元件向主控FPGA发送状态信息和请求指令。软核的外围通信控制模块先预处理这些信息，将其最主要的内容交给内核，其他附属信息不需要经过主控制程序，由外围器件自行应答。主控程序是在内核上运行的并行流水线流程控制程序，它负责整台机器的正常顺序工作和非常状态处理。程序根据用户指令和系统当前状态，向外围模块批量发送简单控制指令。由外围模块编译指令，通过LVDS高速串行口发送给系统其他设备。
VP2000系列使用基于FPGA的NiosII软核和并行外围通信控制模块，提高了整台机器的信息处理性能，将复杂的并行控制简单化；用一个芯片实现全部控制，编程调试简单方便，易于升级。

2 ) MinderVP2000系列图像拼接控制器vs普通工控机拼接卡系统
目前市场上使用的图像拼接控制器，大体分为两种。一种是组装的工控机，需要从国外购买Datapath卡进行组装，另一种就是硬件拼接处理器。
用工控机组装拼接控制器，需要插多个Datapass卡，多卡使用同一组PCI总线，占用PCI总线资源，其结果是机器性能很大程度上取决于工控机CPU计算速度。以普通Pentium 4，2.8G的CPU为例，可以接受4路VGA/RGB 1024x768信号和8路或9路Video信号，可以支持32路输出。一台普通插卡式拼接控制器的性能如下：
系统结构：计算机结构，8-12个PCI插槽；266-533MHz系统总线；
输出通道：数量2-32个；输出通道分辨率640x480到1280x1024像素；
输入视频：个数1-8个；格式NTSC或PAL自适应；8路Video卡不能叠加；
输入RGB：个数1-4路；时钟速度123M；采样颜色深度16bpp；
系统支持：WindowsXP/2000
软件支持：设备提供上自开发软件
控制：本地键盘鼠标、远程鼠标键盘
需要注意的是：

当VGA/RGB信号多于2路时，系统分配给每路VGA信号的处理时间不足，导致信号实时性降低，基本现像就是鼠标和动态图像的不连续；
有些工控系统号称具有24bpp的采样颜色深度，事实上在实际使用中，由于计算速度的限制，都只用到16bpp颜色；
采用网络接口采样的方法增加RGB输入信号数量，并不能节约系统资源，结果仍然是多个信号同时显示的时候，图像实时性受影响。并且网络信号采样的质量、实时性等受到网络

速度、通信质量等环境影响，有一定未知性和不稳定性。
VP2000系列拼接控制系统采用全硬件设计，与工控机有本质区别。系统采用多通道分离处理，所有数据并行处理；使用FPGA阵列并行处理信号，速度快，支持通道个数多；系统主控芯片与系统计算芯片分离，采用主程序串行控制；不属于工控机，不运行Windows/Linux操作系统，不存在计算机防病毒问题，不存在软件系统维护问题；数据实时处理，不需要硬盘、光驱等海量存储设备；设备支持全年24小时运行，不需要特殊维护。其基本性能参数如下：
系统结构：并行处理结构，自定义高速LVDS总线，速度2.5Gb/s
输出通道：实时页面存储，数量1-16个，内部级联后，可依据当前显示窗口数无限扩展；分辨率640x480到1600x1200像素，可定制特殊分辨率，如4096x768(1x4屏) 或1920x1080；支持DVI-I模拟数字接口；
输入视频：单系统1-32路，内部级联后无限扩展；格式NYSC或PAL自适应；Video信号高速动态图像补偿；信号任意拉伸、压缩，可以在多屏内任意位置开窗口，信号任意跨屏漫游，叠加(信号叠加层数不宜超过4层)，图像实时性不受影响；
输入RGB：实时页面存储，分级数据预处理；单系统1-32路，内部级联后无限扩展；采样深度24bpp/32bpp真彩色；分辨率640x480到1600x1200像素，可定制特殊分辨率的支持功能，如可以支持4096x768或1920x1080；支持DVI-I模拟数字接口；信号任意拉伸、压缩，可以在多屏内任意位置开窗口，信号任意跨屏漫游，叠加(信号叠加层数不宜超过4层)，图像实时性不受影响；
系统支持：不需要系统支持
软件支持：VP2000系列 DWCS控制软件
控制方式：RS232串口、面板按键、红外遥控、100/1000Mbps网络(TCP/IP协议)
对于单机而言，以上参数为可实现的正常运行参数。例如，RGB信号可以支持8路分辨率为1600x1200的RGB信号同时输入；所有输入信号，RGB或者视频信号，都可以跨多屏漫游，能够跨屏信号叠加；运行颜色深度为24bpp，可选择所有通道使用32bpp的真彩色设置。
VP2000系列与普通工控机拼接卡系统的性能比较，如下表所示：

名称	VP2000系列纯硬件拼接器	插卡式拼接器
操作系统	硬件嵌入式操作系统，系统稳定高效，切实保障系统长时间运行	Windows\Linux操作系统，系统常常因为病毒等各种原因崩溃
硬件构成	模块化设计，系统组成较为简单，都是由一个厂家独立研发和制造，故障率低	工控机加采集卡，多头输出卡等组成，部件众多，情况复杂，常常因为个别部件故障导致整机无法运行
系统总线	自主研发的高速总线，各通道独立处理，可同时处理多路RGB信号，速度不受影响	受限于PCI传输总线的限制，不能同时处理多路RGB信号，单信号的采集也不能超过123M
输入信号	所有输入信号可在任意单个或多个屏上拉伸、缩放、跨屏漫游、叠加，信号实时性不受影响	信号漫游、叠加功能受限
输出信号	高质量DVI-I(向下兼容VGA信号)信号可选	VGA模拟信号，效果跟数字信号有很大差距
RGB信号	可接受高分辨率DVI、VGA信号，同时显示的数量不受限制，可任意的在屏幕上任何位置显示，画面速度不受影响	无法接受DVI数字信号；最多同时显示两路RGB信号，且受限于带宽，播放高数据流量动态图像时，画面速度会明显变慢
VIDEO信号	可接收YUV,YC,VIDEO等格式的视频信号，NP自适应，动态补偿；图像经过处理，显示质量好，画面速度不受影响	图像未经处理直接采集输出，效果比较差，且一般不能跨窗口漫游
工作方式	上电即可使用，操作简单，对工作环境要求低，运行安静，发热量小	需要等待长时间的开机过程，受工作环境影响大，夏季面临散热问题，冬季风扇噪音大

3) 性能特点：

多RGB信号并行处理

??? VP2000系列图像处理器的所有核心处理模块均并行工作，处理一路RGB信号只需要一个模块即可，多个模块并行工作，即可同时处理多个RGB信号。VP2000系列可以同时处理多达16个RGB信号。工控机插卡式拼接器使用CPU和PCI总线，所有信号串行，以目前的硬件速度，能够同时实时处理2路RGB信号。实际应用中：
(1)、在大中型会议室环境下，VP2000系列可以让多个领导、发言人、主持人的电脑、笔记本信号同时的、实时的、有侧重的显示在大屏幕上。

(2)、在高级监控环境中，视频信号进入硬盘录像机，硬盘录像机输出为VGA信号。VP2000系列可以将大批量的硬盘录像机送到大屏幕/拼接墙上。

多Video信号并行处理

Video信号，就是普通的DVD或摄像头信号，其信号速度为RGB电脑信号的1/3。VP2000系列图像处理器的能够解决大量Video信号处理问题，这些Video信号可以进行叠加、漫游、单屏分割等操作。工控机插卡式拼接器对Video信号存在输入个数、速度、显示功能等限制。低端的Video采集不能实现信号叠加，只要有一个Video信号放在另一个Video信号上面，下面的那个Video信号立即停止刷新，静止在那里。对于大量Video信号，工控机插卡式拼接器同样存在处理速度不足的问题。
实际应用中，电视台一般有多于几十路的Video信号，使用VP2000系列可以将其全部同时实时显示出来，并且能够将其任意摆放。

RGB信号和Video信号叠加

VP2000系列图像处理器在信号处理过程中，对于RGB信号和Video信号同等对待，能够做到RGB信号和Video信号的叠加、画中画等高级组合显示功能。工控机插卡式拼接器对Video信号输入采集与RGB信号处理等级不同，很难实现RGB信号和Video信号的叠加。
实际应用中，普通环境下，VP2000系列可以用主控电脑作为底图，叠加一个辅助的电脑信号，同时可以将多个Video信号任意放置其上。

实时处理

VP2000系列图像处理器所有信号并行处理，从根本上保证了多信号的图像处理速度，所有图像处理每秒60桢。工控机插卡式拼接器进行4个RGB信号同时处理时就开始存在速度问题。
实际应用中，VP2000系列同时运行16个RGB信号，每个RGB信号的电脑都播放一个.avi或.rm的视频文件，绝对保证信号实时性，其显示信号于电脑上的信号速度相同；工控机插卡式拼接器遇到此情况，各个RGB信号上的图像会出现缺桢现像，图像跳动严重。

快速启动

VP2000系列图像处理器为纯硬件构架，启动过程极快。纯硬件系统，启动过程不需要操作系统支持，全过程不到3秒钟。一般的工控机插卡式拼接器启动至少需要30秒，软件安装越多，启动速度越慢。
实际应用中，VP2000系列能够良好的适应需要快速反应的环境，全部系统上电，图像可以在3秒钟内亮起来。

VP2000系列图像处理器支持极高分辨率输入，其输入分辨率可以定制。VP2000系列支持的输入分辨率有：640x480 …… 1280x1024、1366x768、1400x1050、1600x1200、1920x1080、2048x768、2048x1536、2048x2048、3072x768、3072x1536等，还可以支持例如：1888x768等极特殊分辨率，这样用户可以不用考虑分辨率问题。一般的工控机插卡式拼接器最高支持1600x1200分辨率，并且在这个分辨率下不保证信号实时性。
实际应用中，有些特殊场合需要特殊分辨率，例如大部分雷达信号、卫星信号为2048x2048分辨率，VP2000系列可以有效地显示这些高端信号。

VP2000系列图像处理器具有信号自动识别功能。在系统中新增加一个RGB电脑信号，只需要用软件控制自动识别一次，系统就能够记住此信号的分辨率、刷新频率、水平垂直偏移、相位等多个参数，以后此信号在上拼接时不在需要调整。工控机拼接器对于一个陌生信号，必须手动调节参数。VP2000系列图像自动识别过程，极大的方便了用户开放性使用。
实际应用中，在会议室，各个领导可以随时将自带的笔记本电脑信号通过拼接放到大屏幕上，自动识别仅需要5秒钟。而工控机拼接器对于陌生信号，需要手工调整参数。就是说当领导需要将自己的笔记本电脑信号送到大屏幕上的时候，与会人员需要等待会场技术工作人员打开拼接控制软件，手动调整好此信号，会议才能有效的继续。

随机附带的窗口控制软件，提供全面的实时的控制功能，所有的参数都可以使用此软件进行调节。软件有一个系统图形界面，准确地显示当前窗口布局和图像位置信息，方便用户参考。软件窗口具有自由拖放、叠加功能，所有窗口操作均能实时的显示在终端设备上。此软件操作方便，好学易用，基本不需维护。