前言

　　一元復始，萬象更新，大屏幕顯示行業迎來了一個嶄新的開始。作為重要的信息化終端，大屏幕顯示設備被廣泛應用在能源、電力、交通、安防、廣電、指揮調度等眾多領域，成為國家經濟建設和政治運行不可或缺的重要助力。

　　近年來，國家加快國防及安全建設、加快農村基礎設施建設、加快鐵路、公路和機場等重大基礎設施建設等。這些重大建設工程產生了大量的大屏幕顯示應用。伴隨著大屏幕應用實踐的深入，綜合化、網絡化、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： 網絡分布式圖像處理器。

　　網絡分布式圖像處理器，是大屏幕顯示行業進化的完美結晶。眾所公認，本世紀最重要的技術主線就是網絡，云概念、物聯網、移動互聯終端等快速普及，要求作為信息化顯示終端的大屏幕系統能夠實現網絡互聯，和整個信息網絡實時互動。          網絡分布式拼接控制器采用了節點分布、網絡傳輸、智能運算的系統體系，以高帶寬千兆網絡為載體，將專業的無損圖像編解碼、精細圖像縮放算法、多用戶圖像數據交互等核心運算合理分配到眾多分布式運算節點，實現了眾多令人激動的大屏顯示創新體驗：系統規模靈活增減，海量規模信號管理，虛擬超大桌面，整屏回顯錄播，多屏聯動，單屏64圖層，信號預覽觸控······

　　經過了近十年的行業孕育，網絡分布式圖像處理器迎來了厚積薄發。

　　網絡分布式處理器是時代的產物，是未來的主宰！

　　-----------------致，網絡分布式處理器元年

　　一、介紹XNet音視頻算法與網絡技術的結合

　　顯約科技顯控交互平臺是基于傳統集中式控制器的缺點及新的市場發展趨勢而出現的。 顯約科技顯控交互平臺是以嵌入式系統為平臺，以專有實時圖像編解碼算法為手段，以高速以太網為通道，實現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。他將計算機領域復雜的高帶寬網絡技術應用于視頻數據交換，通過網絡交換技術，可靈活的將大量的、多樣化的視頻源連接至同樣大量的、多樣化的輸出設備上，實現視頻的縮放、跨屏、漫游等功能。來滿足大數據時代以往的處理器越來越滿足的迫切需求，引領未來大數據顯示市場。

　　XNet系列是顯約科技研發的國內首創的一款大屏幕拼接產品。他將計算機領域復雜的高帶寬網絡技術應用于視頻數據交換，通過網絡交換技術，可靈活的將大量的、多樣化的視頻源連接至同樣大量的、多樣化的輸出設備上，實現視頻的縮放、跨屏、漫游等功能。

　　在大屏幕拼接系統中，拼接控制器的優劣直接決定著整個大屏幕顯示系統效果的好與壞，也決定了整套顯示系統的功能，隨著大屏幕拼接墻應用的更為廣泛，拼接技術也在不斷地

　　發展。

　　90年代出現的第一代為PCI工控機 架 構 ， 第 二 代 為 2 0 0 0 年 出 現 的FPGA純硬件式架構，以及最新出現的

　　第三代分布式架構，每一代控制器都有著自己的特點。

　　第一代，第二代控制器其核心技術都是基于底板交換技術，都是集中式的控制器，都有很多難以克服的缺點。

　　分布式拼接控制器產生的歷史背景

　　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.硬件系統交換帶寬有限，無法滿足特大規模信號管理。

　　3.系統升級困難，硬件規模一旦選定，其系統容量確定，就無法提升。

　　4.無法實現多顯示墻信號共享，實現多屏聯動。

　　5.維修成本高，系統故障需更換板卡或整機。

　　隨著信息化，網絡化的不斷發展，大屏幕拼接系統迫切需要新的技術的出現。第三代分布式拼接控制器正是在這種環境下產生的。

　　分布式圖像拼接控制器是基于改進傳統集中式處理器的缺點，及新的市場應用發展趨勢而出現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字化處理的視訊產品。通過對視頻、電腦信號的全數字化獲取，采用網絡傳輸，對信號源進行集中顯示。突破了傳統靠硬件模擬采集卡對采集路數和顯示路數的限制，具有同時顯示信號數量高，窗口操作靈活的特點。

　　近年來，網絡帶寬的提升為高品質視頻信號流網絡化傳輸提供了保障;而視頻編碼技術的發展則可在保證畫面質量的前提下把視頻信號的數據量壓縮幾倍到幾十倍。大大降低對信號網絡傳輸帶寬的要求。

　　網絡通訊技術、以及視頻編碼技術的共同發展顯著提高了分布式拼接控制器信號的展示質量以及展示的實性。讓信號源的接入、傳輸、展示、調節等將變得更加智能化、高效化、網絡化、實時化。

　　另外，由于分布式拼接控制器系統采用模塊化架構，全網絡化的智能管理：不再受限于空間，擴展能力大幅增強。每個模塊都是獨立運行、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點：

　　1.信號輸入與輸出沒有數量限制，可以無限擴展;

　　2.模塊化設計，即插即配，自動識別使用系統中交換機上增加減少的節點;

　　3.支持多顯示墻，實現多屏信號共享，多屏聯動，多屏內容相互瀏覽;

　　4.方便支持大批量IP流監控攝像信號的接入;

　　5.網絡布線，信號傳輸距離最遠可達200m，如使用光纖傳輸則可達更遠，靈活性強。

　　二、雙碼流技術的必要，及純264技術的短板

　　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絡抓屏演變而來，采用的壓縮方式基本上是H.264或者MJPEG，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結構，壓縮過程中都是在SOC內部的編解碼模塊中進行，使用SOC進行開發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，使數據量減少到二分之一。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生變化。下面是一張對比圖。

　　可以看出，紅色和藍色的文字顏色發生變化，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，但是對對文字進行壓縮后，文字邊緣將會出現馬賽克現象。

　　無壓縮碼流

　　無壓縮碼流是順應網絡帶寬發展，骨干網(千兆)交換機價格合理之后才出現的產物，網絡進入千兆以后，利用千兆網傳輸無壓縮圖像才成為可能。即便如此，一根千兆網線一秒鐘內依然無法傳輸一張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)*30(幀率)=187M字節=1870Mbit(網絡傳輸是8b/10b)編碼。

　　所以傳輸1080P30幀的圖像需要兩個網線。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芯片有兩個千兆網口，但是由于操作系統的管理，導致利用率不到50%。所以該類處理器毫無例外的采用FPGA架構。或者簡單一點說，就是無CPU的大規模集成電路。FPGA的特點是適合大批量數據處理和吞吐以及高穩定性，這在網絡設備中用的很多。

　　無壓縮圖像不會出現壓縮圖像出現的顏色畸變，邊緣馬賽克現象，這在一些圖文信息上屏時不會導致誤判。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，指揮系統。

　　但是無壓縮碼流的碼率非常高，非常不適合遠程傳輸。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，所以穩定性非常高，沒有死機和病毒的風險。

　　混合碼流

　　混合碼流可以說是應運而生的一種產品，既然壓縮碼流適合遠程傳輸，而且SOC開發便利。同時壓縮碼流圖像質量高，FPGA穩定性高。何不將其有機的結合起來，在一個產品中同時使用SOC和FPGA，它們各負責自己擅長的事情，同時又去彌補各自的不足。

　　前面說過，壓縮碼流對自然圖像質量幾乎不構成影響。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。因為自然圖像機會都是來自攝像頭。從前端網絡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設計出來基本上就是用來解碼視頻，簡單上網用的。所以穩定性下降是很自然的。如果只讓SOC干它擅長的解碼和控制，FPGA負責它所擅長的屏控。那么穩定性就大大提高了。

　　可以說，混合碼流結構是技術融合背景下的一個必然產物，在未來的拼接市場將極具備生命力，成為分布式的主流結構。

　　三、XNet技術在拼接融合矩陣產品的優勢體現

　　--分布式圖像拼接控制器具有眾多優點--

　　其一，分布式架構，組網靈活。

　　分布式圖像拼接控制器的組成部分：采集節點盒、交換機、顯示節點盒、控制服務器及界面軟體，幾大部件都可以實現物理上分離布局。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立應用，又可以同步會議，分享內容。在這個案例中，三個獨立的顯示墻模塊，要求互相調度視頻數據。三組大屏各自使用自己的交換機， 獨立構建自己的現場輸入輸出節點結構。兩個分會場交換機分別使用一根萬兆光纖，經過小于1000米布線，連接到主會場交換機。可以支持最多不超過10G的視頻數據共享帶寬。

　　其二，網絡是分布式控制器的基石

　　如今是移動互聯網時代，海量的信息通過移動互聯終端(手機、PAD)進行交互。作為誕生自網絡技術的分布式拼接控制器，天生具備海量網絡信息接入能力，幾乎所有的信息設備都有網絡接口，無論是大型主機、用戶電腦、手持移動互聯網終端、IP攝像頭、NVR存儲設備、網絡管理設備，都可以方便的接入到分布式拼接平臺。另外，多數分布式處理器為用戶提供了包括無線預覽、觸屏控制、多用戶接入、多區域大屏管理等多種多樣的交互體驗。

　　其三，圖像數據的網絡化帶來眾多實惠

　　網線代替了VGA、DVI、視頻等信號屏蔽線，施工、費用、抗射頻干擾、穩定性、輕量維護……，優點多多。

　　網絡分布式拼接處理器同時具備網絡矩陣功能，輕松實現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。模塊化結構，故障便于控制，方便排查。網絡化系統良好的擴展性、可維護性。大項目風險可控，不會出現規模困難癥。同步回顯、錄播、網絡抓屏、超清底圖、虛擬桌面、單屏64圖層、信號組播無限復制……

　　其四，分布式拼接處理器可以實現高清虛擬桌面上屏。

　　分布式控制器的網絡接口，完美地結合了虛擬桌面技術和網絡發包加網絡拼接顯示技術。使用一臺筆記本，就可以實現256個1080p畫面的顯示。對于不要求動態顯示的超大畫面圖片顯示應用，分布式控制器是最優的顯示方案。

　　通過普通的電腦千兆網口，安裝一個XNet虛擬網絡顯卡驅動，則可以將電腦中的超大分辨率圖像輕松送到大屏幕上，實現點到點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據軟件對接，例如地理信息系統(GIS) 、衛星定位系統(GPS) 、電力監控系統(SCADA) 、行車調度信號系統(SIG)等。也可以顯示各種矢量圖形系統， 如 Cadence 畫圖、 AutoCAD 制圖、 UG/ProE 制圖、3Dmax 等。相對傳統控制器的圖像采集卡的方式，XNet 高清底圖軟件表現出強大的靈活性、穩定性和經濟性。

　　其五，分布式拼接處理器支持多模式圖像預覽功能

　　傳統大屏控制器在正常情況下并不具備節點信息預覽回顯功能，用戶在信號列表里面只看到

　　一列數字符號和框圖，不能直觀地觀察到希望上屏顯示的實時內容。

　　對于一些重要應用場合，需要預先知道信號

　　內容，才能發布到會議大廳的大屏幕上。在之前已經多次發生過把錯誤的、不合適的視頻信號發布到公開場合大屏幕進行顯示的事故。這與傳統處理器缺乏預覽控制能力，有著直接關聯。

　　一般分布式處理器可支持多種模式的信號預覽回顯：

　　A:使用硬件節點，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容。

　　B:使用軟件預覽，可以在PC、無線平板、智能手機上回顯任意一路或者多路組合的信號內容。支持多用戶分權限預覽，支持Web模式廣域網信號預覽。

　　C:使用自采集雙碼流節點，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容。

　　其六，分布式意味著高穩定性，高可靠度

　　XNet 分布式拼接處理器意味著穩定可靠。純硬件 FPGA 核心， 無 CPU， 無操作系統;模塊化功能設計，算法復雜度與載荷分布均衡;全鋁外殼設計，5V供電，低功耗，可靠散熱，工業化結構設計，長久保固;即插即用，自動識別，主動偵錯，維護簡便。

　　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

　　如果從數據處理角度來看，PC架構的集中式采用的方法是分散采集(通過采集卡采集到內存)，分散顯示(從內存到顯卡)，CPU集中計算(當然，這種架構也在發展，目前開始出現了CPU只負責調度，由PCI-E  Switch芯片轉發數據包，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架構的不穩定性

　　以及拼接路數的限制。

　　PC架構的處理器平均功耗很高，主要原因是在PC上運行，功耗的百分之九十可以叫做靜態功耗，被操作系統等軟件消耗掉。集中式硬件架構其實是分散化實現數據處理的，其圖像處理在輸出板卡完成，交換背板只負責數據分發。由于交換背板是各個廠家自行設計的，每路帶寬可以達到幾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的芯片，只能通過配置內部寄存器，作為點對點傳輸，這樣帶來的一個結果就是無法進行圖像分

　　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容數據化，也就不支持圖像直接進入計算機預覽的能力，所以純硬件集中式處理的信號預覽只能通過插入額外的預覽卡，將圖像轉換成網絡數據包。當然，這樣做的好處是不需做復雜的幀存控制，可以達到很低的延遲。

　　分布式，尤其是嵌入式CPU分布式，利用嵌入式CPU的解碼能力和內嵌Linux操作的便利性，能夠很方便的進行基于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致畫面停頓。H.264碼流還存在參考幀和關鍵幀的區別，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，所以可以實現單屏64路信號。純硬件分布式沒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，由于通用圖像處理引擎過于復雜，一般自主開發時會針對大屏應用舍棄許多不需要的功能，而對大屏應用需要的部分作強化，所以能夠實現低功耗高性能。