多源異構顯示系統一體化控制機制設計與實現

摘" 要：隨著顯示系統組成的復雜度越來越高，在實際應用中從圖像源選取到最終顯示往往采用人工操作方式完成，自動化程度較低。對多類型圖像源和多級視頻傳輸設備組成的復雜顯示系統的圖像選取投送顯示自動化技術進行研究，并設計一種多源異構顯示系統一體化控制機制，結合顯示系統結構特點進行圖像源區、傳輸區和顯示區接口設計，在此基礎上進行設備連接配置、顯示窗口規劃和顯示自動控制流程設計，實現了多種圖像源定制化自動投送顯示。

關鍵詞：多源異構顯示系統；接口設計；傳輸控制

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）10-0101-06

Design and Implementation of Integrated Control Mechanism for Multi-source Heterogeneous Display System

WANG Meng， WANG Xia， CHEN Peng， WAN Chengwei

（Beijing Aerospace Control Center， Beijing" 100094， China）

Abstract： As the composition of the display system becomes more complex， in practical applications， the selection of image source to the final display is often completed by manual operation， resulting in a low degree of automation. Research is carried out on image selection， delivery and display automation technology for complex display systems composed of multiple types of image sources and multi-level video transmission devices， and an integrated control mechanism for a multi-source heterogeneous display system is designed. Based on the structural characteristics of the display system， it designs the interface of the image source area， transmission area， and display area. On this basis， equipment connection configuration， display window planning， and display automatic control process design are carried out to achieve customized automatic delivery and display of multiple image sources.

Keywords： multi-source heterogeneous display system; interface design; transmission control

0" 引" 言

隨著顯示技術和網絡通信技術的發展，在鐵路調度、電力傳輸、應急事件處置等領域，各類直觀顯示的圖像信息已經成為指揮決策的重要依據，也是各類信息狀態呈現的最直觀手段[1-4]。針對不同場景下的應用需求，組成顯示系統的設備類型多、缺乏統一的接口和控制流程，圖像從接收、處理、選取至最終呈現，中間需要經過多個環節和人工操作，存在操作效率低、操作過程易出錯的問題[5-11]。基于此，本文對典型的多源異構顯示系統及其圖像優選、自動控制、圖像投送切換的特點進行了研究，設計了一種針對多源異構顯示系統的一體化控制接口，并在此接口的基礎上實現了從圖像編碼器、圖像解碼器、多級圖像矩陣至顯示設備的一體化控制，實現了圖像源到用戶指定顯示區域的定制化自動切換投送能力。

1" 系統結構

1.1" 物理結構

多源異構顯示系統由圖像源區域、傳輸區域和顯示區域三部分組成，如圖1所示。多源主要是指圖像源種類多，包括微機/圖形工作站顯卡、圖像矩陣、導播臺和視頻光端機設備輸出的圖像源，物理視頻接口通常有DP接口、HDMI接口和DVI接口等。異構主要是指系統的設備類型多，各類型設備如圖像編碼器、圖像解碼器、圖像矩陣、導播切換臺等共同組成一套復雜的顯示系統。隨著顯示系統中輸入/輸出環節的增多，系統的設備構成也會變得越來越復雜，異構系統的各類型設備之間缺乏統一的控制接口和機制設計，不同類型系統之間的切換只能夠依靠人工方式完成。

圖像源區主要是多種圖像源，不同的圖像源根據用戶實際應用需求進行設計和配置，典型圖像源設備如圖像高標清解碼終端、圖像處理終端、電視信號、標準信號源、計算機顯卡等，包括DVI、HDMI、DP等多種視頻接口，圖像通過不同的編碼方式接入顯示系統。傳輸區通常由圖像矩陣、導播切換臺等設備組成，其中根據用戶使用需求，往往在系統中設計多個圖像矩陣級聯的方式，構成多級圖像傳輸矩陣，同時還要根據實際需求，在傳輸區部署圖像處理系統，進行圖像疊加、圖像增強、圖像拼接等相關處理。顯示區主要將處理后的圖像向用戶進行按需展示，依托IP網絡通過分布式控制系統實現向LED、投影、液晶拼接屏等多類型顯示設備的圖像投送顯示。

1.2" 邏輯結構

針對顯示系統一體化控制需求，本文設計了顯示控制設備管理模塊、顯示設備連接配置模塊、顯示優選策略配置模塊、顯示窗口規劃模塊、一體化控制引擎模塊。功能模塊組成關系如圖2所示。

各模塊的具體功能介紹如下：

1）顯示控制設備管理模塊。完成圖像處理終端、矩陣、導播切換臺、各類編碼器、各類標準圖像源、微機/圖形工作站等設備物理模型的錄入，支撐一體化控制接口機制的執行。

2）顯示設備連接配置模塊。用于根據顯示設備之間實際的物理連接，配置物理連接關系模型，一體化控制模塊根據物理連接關系模型和矩陣內部關系，以及導播切換臺內部關系計算從圖像處理終端、矩陣至顯示區域屏幕的邏輯映射模型，記錄每條映射關系中的圖像源信息，支撐一體化控制接口的執行。

3）顯示選優策略配置模塊。包括圖像處理終端選優策略、矩陣通道優先級策略、顯示區編碼器選優策略、圖像源優先級策略。圖像處理終端優選策略根據實際使用需求配置不同類型圖像終端的選擇順序和參數選優策略。矩陣通道優先級策略用于配置矩陣輸出端口圖像的優先級。顯示區編碼器選優策略用于配置顯示區編碼器的優先級，圖像源優先級策略用于在圖像源投屏窗口沖突時，按照優先級高低控制圖像源投屏顯示。

4）顯示窗口規劃模塊。用于按照實際使用需求進行時段規劃，并為不同時段配置各類圖像源的投屏顯示區域。

5）一體化控制引擎模塊。根據顯示控制設備之間的物理連接關系模型、矩陣內部連接關系、導播臺內部連接關系實時計算從圖像處理終端、圖像矩陣至大屏的邏輯映射模型，記錄每條映射模型中的圖像源信息；按照顯示區編碼器選優策略對圖像進行去重操作，并根據用戶預先規劃的圖像源投屏信息以及優先級順序選優顯示區編碼器信號并投送至大屏。

2" 接口設計

2.1" 圖像源區接口設計

圖像源區的設備包括各類圖像源設備，接口設計包括圖像源設備接口和關聯接口設計。圖像源設備的接口設計要素包括圖像源設備名稱、通道號、圖像源ID、圖像源名稱、圖像源IP地址、顯示圖像類型、其他說明信息等。關聯接口用于用戶進行預先配置，定義圖像源設備和顯示區圖像編碼設備之間的接口關系，用于圖像源設備到圖像編碼器的信息傳遞，主要包括圖像源ID、圖像源名稱、圖像源IP地址、圖像源類型、圖像編碼器ID、圖像編碼器名稱、圖像編碼器IP地址、圖像編碼器通道號。

2.2" 傳輸區接口設計

傳輸區的主要設備為多級圖像矩陣。圖像矩陣作為圖像傳輸的輸入/輸出通道，可以根據實際需求，實現單級（單臺）矩陣和多級矩陣串聯的設計方式。結合圖像數據傳輸以及多級圖像矩陣的特點進行接口設計。接口設計內容包括矩陣設備接口和矩陣關聯接口設計。

矩陣設備接口包括矩陣ID、矩陣名稱、矩陣類型（一級矩陣、二級矩陣、三級矩陣等）、圖像輸入端口數量、圖像輸出端口數量、矩陣IP、其他信息。

矩陣關聯接口包括矩陣與圖像源區接口、矩陣與顯示區接口和矩陣優先級接口。矩陣與圖像源區接口主要內容包括矩陣ID、矩陣名稱、矩陣輸入端口、對端設備類型（圖像解碼終端、導播臺、一級矩陣、二級矩陣、三級矩陣等）、對端設備ID、對端設備名稱、圖像輸出端口；矩陣與顯示區接口主要內容包括矩陣ID、矩陣名稱、矩陣輸出端口、對端設備類型（導播臺、一級矩陣、二級矩陣、三級矩陣、大屏圖像編碼器等）、對端設備ID、對端設備名稱、圖像輸入端口；矩陣優先級接口設計要素包括矩陣ID、矩陣名稱、矩陣可控域、矩陣輸出端口優先級。

2.3" 顯示區接口設計

顯示區分為顯示區編碼和圖像顯示部分，包括顯示區編碼器和圖像顯示設備接口設計。

顯示區編碼器接口包括圖像編碼器ID、圖像編碼器名稱、圖像編碼器IP地址、圖像編碼器通道號（多通道的圖像編碼器可以實現多路圖像編碼）。圖像顯示的終端為不同的圖像內容在顯示屏幕上顯示的區域。圖像顯示設備接口設計為三個層級，分別為顯示墻、顯示場景和顯示場景所需要的窗口屬性。

顯示場景設計為顯示的內容，包括顯示場景ID、場景名稱、場景狀態、該場景所使用的顯示窗口數量和顯示墻。顯示墻為抽象的圖像顯示載體，該載體可以是投影、LED、LCD液晶拼接屏等多種顯示設備，接口主要內容包括顯示墻名稱、顯示墻ID、顯示墻所在的位置、當前使用的場景、手動/自動狀態。顯示窗口為圖像在顯示墻（顯示載體）上的具體顯示區域和顯示內容，圖像內容在一個顯示載體上需要劃分為多個顯示窗口，每個窗口位顯示墻上的一個邏輯顯示區域，針對每一次圖像顯示內容，該接口內設計了顯示區域、圖像顯示場景和對應的圖像編碼器，同時對于多通道編碼器還包括編碼器的通道號。

3" 流程設計

3.1" 顯示區接口設計

圖像設備硬件連接關系配置模塊主要依據接口，配置不同類型圖像解碼終端、圖像矩陣、導播切換臺、顯示大屏編碼器等設備之間的物理連接關系，用于支撐圖像控制邏輯的實現。

針對圖像源區的圖像源設備，對圖像源及其編碼器進行圖像源IP地址、圖像源名稱、圖像源設備及通道號、編碼器名稱、編碼器IP地址、編碼器通道等進行添加、修改和刪除等。

傳輸區主要配置圖像矩陣與其他圖像設備的連接關系以及矩陣選優策略。首先配置一級矩陣輸出控制域內輸出端口的優先級。矩陣輸出端口優先級數量為矩陣輸出控制域輸出端口個數，矩陣輸出端口號根據需要分別配置為不同優先級。還需根據圖像矩陣、圖像解碼終端、顯示大屏編碼器、導播臺實際的物理接口連接關系配置設備之間的連接關系模型，用于將圖像機位信息和圖像狀態的信息傳遞至顯示區編碼器。圖像矩陣與顯示區編碼器的配置內容包括顯示區編碼器名稱、編碼器ID、輸入通道號、矩陣輸出通道號，其中矩陣輸出通道號為配置的矩陣輸出控制域中的端口號。

3.2" 顯示窗口規劃流程

顯示窗口規劃在指定時段內將不同類型的圖像源規劃至需要顯示的具體窗口位置，如圖3所示。配置顯示時段信息，基于顯示時段對顯示時段信息進行添加、修改和刪除操作。根據預先配置的任務時段，配置不同圖像源至投送顯示窗口的映射關系，包括顯示名稱、圖像源名稱、圖像源IP地址、顯示方式、顯示輸出的屏幕墻和場景等。在指定時段內圖像源投屏窗口沖突時，根據預先配置的不同圖像源類型屬性、同一類型圖像源的圖像內容的優先級，按照圖像源顯示優先級進行顯示。

3.3" 顯示自動控制流程

3.3.1" 傳輸控制流程設計

傳輸控制流程首先按照優選級對圖像源進行排序，根據優選級排序后序號和預先配置的矩陣輸出端口優先級策略，按照優先級序號一致原則自動控制矩陣切換輸入/輸出端口的內部映射關系，將圖像送至矩陣的指定輸出端口最終送至顯示區大屏編碼器中，并根據圖像源設備、圖像矩陣、導播臺以及大屏編碼器的物理連接關系模型自動計算從圖像源至顯示區大屏編碼器的圖像傳輸路徑，將圖像機位信息和圖像狀態送至大屏編碼器模型，如圖4所示。

通過采集圖像解碼終端的通道參數，根據預先配置的圖像選優策略對圖像解碼終端通道參數進行計算分析，分析出圖像解碼終端通道中的圖像機位和圖像狀態，進行圖像同源去重操作，選擇同源圖像最優的圖像終端通道。接收來自圖像選優模塊的各類圖像源的輸入信息并按照圖像源優先級進行排序和緩存，結合預先配置的圖像矩陣優選級策略（即圖像矩陣輸出端口的優選級），按照優先級一致原則自動匹配出圖像源的矩陣輸出端口，并根據圖像解碼終端通道與矩陣輸入端口的物理連接關系模型，分析出圖像源所在的矩陣輸入端口，向矩陣控制軟件發送切換輸入/輸出通道的映射關系，完成圖像輸出至顯示區編碼器的操作。切換輸入/輸出通道關系后，根據圖像設備之間的物理連接關系模型計算出從圖像源區設備經圖像矩陣、導播臺至顯示區編碼器的每個圖像源的傳輸路徑，并在每條圖像傳輸路徑中保存圖像機位、圖像狀態、圖像優先級等信息。

3.3.2" 顯示控制流程設計

顯示控制流程如圖5所示。首先接收圖像矩陣控制模塊選切的結果，結果數據包括圖像從圖像源設備至顯示區編碼器的傳輸路徑以及圖像機位、圖像狀態等信息，并根據矩陣選切結果、用戶預先配置的指定時段各類圖像源的優先級、圖像源與不同場所大屏窗口的映射關系、不同類別圖像源優先投送顯示屏幕順序、各種圖像源與顯示區編碼器通道的連接關系，執行同源圖像去重策略以及同一顯示窗口中圖像顯示優先級排序操作，計算出指定時段顯示屏幕窗口應該顯示的圖像源以及圖像源使用的編碼器通道和信號，控制顯示屏幕進行窗口切源操作和激活場景操作。

4" 系統實現與測試分析

4.1" 系統實現部署

系統整體設計采用B/S架構，通過使用HTML5技術實現客戶端軟件的主體框架、拓撲呈現模塊，以及被管對象狀態屬性面板，支持漸變、閃爍等動畫效果。基于HTML5本地存儲功能開發的網頁應用擁有更短的啟動時間、更快的聯網速度、更有效的服務器推送技術。軟件系統設計采用微服務架構，根據系統功能分類劃分成多個微服務，可以根據現場情況靈活分布式安裝部署在多個云主機上，在提高系統運行性能的同時提高了系統整體的穩定性。

系統部署環境包括2臺應用服務器、2臺Web服務器和1臺數據庫服務器，客戶端根據使用需求部署相關的微機并安裝Chrome 74瀏覽器。其中應用服務器、Web服務器均為虛擬服務器，考慮到性能要求數據庫服務器采用實體服務器。

4.2" 系統測試分析

矩陣配置連接關系運行界面如圖6所示。矩陣連接配置包括配置界面顯示、輸入端連接關系配置、輸出端連接關系配置、查詢輸入端通道連接、查詢輸出端通道連接、刪除通道連接。配置界面顯示配置一級矩陣連接關系界面，包括矩陣基本信息、配置矩陣連接關系、查看通道連接等功能。

顯示窗口規劃運行界面如圖7所示，包括圖像源投屏窗口規劃顯示、圖像源投屏窗口規劃配置、圖像源投屏窗口規劃查詢、新增/修改/刪除任務時段、修改圖像源優先級等。圖像源投屏窗口規劃顯示已規劃的任務時段以及該時段內各類圖像源與投屏顯示窗口的映射關系列表。

顯示自動控制運行界面如圖8所示。測試過程為：按照預先配置的顯示優先級，2023-04-14 22：00至04-16 10：00為1個連續的時間區間。2023-04-14 22：00起自動將圖像源1（微機1）投送到大屏窗口1、圖像源2（微機2）投送到大屏窗口2；04-15 10：00起自動將圖像源3（微機3）投送到大屏窗口1、圖像源4（微機4）投送到大屏窗口2；04-15 22：00起自動將圖像源5（圖像終端1）投送到大屏窗口1、圖像源6（圖像終端2）投送到大屏窗口2。

5" 結" 論

本文設計并實現了一種多源異構顯示系統一體化控制機制，在接口設計方面對顯示系統的編碼器、解碼器、圖像矩陣的通用接口進行抽象設計，能夠較好地適用于目前的主流顯示系統設備；同時在開展軟件設計時采用基于微服務的軟件架構，支持云平臺虛擬機部署方式，進一步提高系統部署的靈活性和可伸縮性，滿足不同行業運用模式下的系統動態部署。在后續的實際應用中，可以根據具體行業應用的特點，在此基礎上對配置、規劃和自動控制流程進行進一步定制化開發。

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作者簡介：王猛（1982—），男，漢族，山東菏澤人，高級工程師，碩士，研究方向：計算機通信系統應用。