低成本超高分辨率多屏拼接顯示墻系統設計

李 靜，胡克用，李文娟

（杭州師范大學錢江學院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

在傳統的拼接顯示墻中，輸入信號源的分辨率大約只有200萬像素，通常采用148.5 MHz頻率傳輸信號。當圖像在大尺寸多屏拼接屏幕上全屏顯示時，每塊顯示屏上分得的原始信號較少，較低分辨率的原始信號在每塊顯示屏上被重新放大到200萬像素時，得到的顯示內容就不夠清晰。然而，如果輸入信號源像素較高，則會導致一些其他問題。例如，信號源的分辨率為3 200萬像素時，需要采用8K圖像傳輸技術，但由于8K圖像的時鐘頻率很高，而且受限于圖像在普通線纜中的傳輸距離通常很短這一特征，導致了在工程上的可實現性較低，且成本較高。

本文設計一種超高分辨率顯示系統，可以在不提高像素時鐘的前提下，通過DVI雙鏈路、自定義EDID以及降低圖像幀率等方法，在較低的148.5 MHz頻率下將視頻分辨率從傳統的200萬像素提升到3 200萬像素。由于圖像的時鐘頻率比較低，通過普通的DVI線纜就可以傳輸15 m以上。而目前市面上的4K、8K等顯示方案，由于圖像時鐘頻率比較高，通常傳輸距離低于5 m，如果要實現長距離傳輸，則需要采用光纖收發器方案，不僅工程造價高，而且施工復雜，穩定性不足。本方案采用的技術具有成本低、傳輸距離長以及穩定性高等特點，在拼接顯示墻領域有廣泛的應用價值。

拼接墻顯示系統的典型框圖如圖1所示。系統中有M路信號源和N塊拼接顯示屏（M和N的數量既可相同也可不同）。該系統可以實現將信號源1到信號源M中的任意1路或者多路視頻信號投放到拼接顯示墻上。在GIS地圖等應用中，有時需要將1路超高分辨率GIS地圖投到拼接顯示墻。由于整個拼接顯示墻的總分辨率為200萬*N像素（如N=20，則顯示墻總分辨率為200萬*20=4 000萬像素）。此時，如果是1路200萬像素的信號在拼接墻上做放大拼接顯示，則需要將信號源放大20倍，會導致圖像發虛。本設計通過自定義DVI雙鏈路的方式實現超高分辨率（超過1 000萬像素）的圖像信號傳輸。

圖1 拼接墻顯示系統框圖

1 設計原理

對于DVI線纜，通常傳輸的最高分辨率是200萬像素、60 Hz。由于DVI雙鏈路有兩個通道同時傳輸圖像，因此可以實現400萬像素60 Hz的視頻信號傳輸。如果要傳輸更高分辨率的視頻信號，在不增加DVI雙鏈路傳輸帶寬的前提下可以通過降低刷新率來提升圖像分辨率。例如，可以將視頻信號的刷新率從60 Hz下降到15 Hz，而將其分辨率由400萬像素提升到1 600萬像素。考慮到大部分GIS地圖在投放到拼接顯示墻上的時候更關注圖像的清晰度，而對于刷新率的要求不太高，因此通過前面的方法可以較好地滿足大部分GIS地圖的應用需求。

在本方案中，實現分辨率和刷新率的轉變是技術關鍵。本方案的超高清信號源是一臺配置較好的PC機。為了使PC在開機的時候就自動輸出低分辨率的超高分辨率圖像，需要用到顯示器的EDID信 息。EDID（Extended Display Identification Data）[1]是一種擴展顯示標識數據。根據不同的版本，EDID通常由128個字節（EDID V1.0）或者256個字節（EDID V2.0）信息組成。表1給出了128字節EDID的主要信息含義說明（256字節的EDID信息內容與此類似，只是表達的含義更多一些）。

從表1可以看出，EDID不僅包含了制造廠家的相關信息，而且給出了顯示器的規格尺寸、支持的分辨率、信號時序、色溫以及像素時鐘等信息。EDID本質上是PC信號源與顯示器之間的通信協議。PC機在啟動的時候通過DDC I2C接口讀取顯示器EEPROM中存儲的EDID信息，并根據讀取到的EDID信息來確定該顯示器支持的標準分辨率、最佳分辨率以及最佳信號時序等信息，并根據此信息來配置顯卡參數，使之輸出對應標準的圖像信息，之后顯示器顯示顯卡輸出的圖像。

表1 128字節EDID信息含義

本文設計將顯示器的概念做了擴展。EDID本是PC信號源和顯示器之間的通信標準，其目的是為了使PC機可以更好地適配不同的顯示器，輸出與顯示器最適配的圖像信息[2]。從圖1可以看到，PC機超高分辨率圖像通過一根DVI雙聯線路連接到圖像處理器，而不是顯示器。因此，可以在圖像處理器內部配置EEPROM信息來模擬顯示器的EDID信息，只要PC機在啟動的時候讀取了對應的EDID信息，便會根據EDID信息輸出對應的低幀率超高分辨率圖像。拼接控制器在接收到該超高分圖像信息后做處理，最后將處理后的圖像輸出給拼接屏顯示器[3]。

2 系統設計

本文設計的超高分辨率顯示系統主要包含信號源、DVI雙鏈路超高清信號傳輸通道、圖像控制器以及拼接顯示墻等模塊，最關鍵的部分是PC機和圖像控制器之間的超高清信號傳輸部分。軟件流程如圖2所示。

圖2 超高分辨率顯示系統工作流程圖

整個工作流程如下。

（1）圖像控制器系統啟動，通過Uboot完成系統初始化工作。

（2）在系統配置環節，圖像控制器根據超高分辨率圖像的要求配置對應的EDID信息。EDID信息主要通過I2C接口配置EEPROM信息。配置的EEPROM主要包含水平像素寬度、垂直像素行數、像素時鐘、行同步信號起始位置和同步信號寬度以及幀同步信號起始位置和同步信號寬度等。

（3）PC機啟動，在啟動的過程中通過DVI雙鏈路接口中DDC I2C接口讀取存儲在圖像控制器中的EDID信息，并通過該信息判斷信號接收設備支持的最佳分辨率，并根據相關的時序要求輸出對應的超高分辨率圖像[4]。

（4）圖像控制器接收到超高分辨率圖像，在接收到內部緩沖區之后做計算，根據拼接顯示墻的屏幕數量N將接收到的超高分辨率圖像等分成N份，并將每一份數據縮放到200萬像素并分別發送到不同的拼接顯示屏。

（5）每塊拼接顯示屏接收到對應的不同的圖像區域并做顯示，最后整塊拼接顯示墻上就顯示了一幅完整的超高分辨率圖像。實現超高分辨率圖像的主要步驟和方法如圖3所示。

圖3 通過多種方法提升超高清圖像分辨率

如圖3所示，DVI單鏈路1 080P@60Hz的視頻時鐘頻率是148.5 MHz，首先將單鏈路修改為雙鏈路，在時鐘頻率不變的情況下可以將圖像分辨率由200萬像素提升到400萬像素。由于超高清圖像大部分顯示的是GIS等超高清圖像，這類圖像的特點是分辨率高，但圖像內容變化的速度較慢，因此使用60 Hz刷新率的意義不大[5]。通過將圖像刷新率由60 Hz降低到30 Hz和15 Hz，圖像的分辨率可以分別提升到800像素和1 600萬像素。分析1 600萬像素下的圖像時序[2]發現，圖像傳輸過程中存在較多的圖像消隱時間，這部分時間并未傳輸實際的圖像信號。經過理論分析和實驗驗證發現，如果改變圖像采集模塊中的EDID信息（圖1中的信號源2），可以進一步將圖像傳輸分辨率由1 600萬像素提升到3 200萬像素。至此，實現了通過148.5 MHz的低頻時鐘傳輸3 200萬像素的超高清圖像。

3 結 語

本文設計了一種低成本的超高分辨率顯示系統。通過合理設置PC的EDID信息、使用DVI雙鏈路傳輸以及適當降低超高清圖像的傳輸幀率等方法，可以在不提高像素時鐘的前提下，使PC機顯卡自動輸出超高分辨率的圖像。由于圖像的像素時鐘沒有提高，因此用普通的DVI鏈路線纜就可以傳輸此超高分辨率圖像。整個系統具有整體造價低、實現方便、貼近客戶使用需求等特點，在拼接屏行業中有較好的應用前景。