李 靜，胡克用，李文娟

（杭州師范大學(xué)錢(qián)江學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

在傳統(tǒng)的拼接顯示墻中，輸入信號(hào)源的分辨率大約只有200萬(wàn)像素，通常采用148.5 MHz頻率傳輸信號(hào)。當(dāng)圖像在大尺寸多屏拼接屏幕上全屏顯示時(shí)，每塊顯示屏上分得的原始信號(hào)較少，較低分辨率的原始信號(hào)在每塊顯示屏上被重新放大到200萬(wàn)像素時(shí)，得到的顯示內(nèi)容就不夠清晰。然而，如果輸入信號(hào)源像素較高，則會(huì)導(dǎo)致一些其他問(wèn)題。例如，信號(hào)源的分辨率為3 200萬(wàn)像素時(shí)，需要采用8K圖像傳輸技術(shù)，但由于8K圖像的時(shí)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(dǎo)致了在工程上的可實(shí)現(xiàn)性較低，且成本較高。

本文設(shè)計(jì)一種超高分辨率顯示系統(tǒng)，可以在不提高像素時(shí)鐘的前提下，通過(guò)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(tǒng)的200萬(wàn)像素提升到3 200萬(wàn)像素。由于圖像的時(shí)鐘頻率比較低，通過(guò)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(shí)鐘頻率比較高，通常傳輸距離低于5 m，如果要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，則需要采用光纖收發(fā)器方案，不僅工程造價(jià)高，而且施工復(fù)雜，穩(wěn)定性不足。本方案采用的技術(shù)具有成本低、傳輸距離長(zhǎng)以及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，在拼接顯示墻領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

拼接墻顯示系統(tǒng)的典型框圖如圖1所示。系統(tǒng)中有M路信號(hào)源和N塊拼接顯示屏（M和N的數(shù)量既可相同也可不同）。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將信號(hào)源1到信號(hào)源M中的任意1路或者多路視頻信號(hào)投放到拼接顯示墻上。在GIS地圖等應(yīng)用中，有時(shí)需要將1路超高分辨率GIS地圖投到拼接顯示墻。由于整個(gè)拼接顯示墻的總分辨率為200萬(wàn)*N像素（如N=20，則顯示墻總分辨率為200萬(wàn)*20=4 000萬(wàn)像素）。此時(shí)，如果是1路200萬(wàn)像素的信號(hào)在拼接墻上做放大拼接顯示，則需要將信號(hào)源放大20倍，會(huì)導(dǎo)致圖像發(fā)虛。本設(shè)計(jì)通過(guò)自定義DVI雙鏈路的方式實(shí)現(xiàn)超高分辨率（超過(guò)1 000萬(wàn)像素）的圖像信號(hào)傳輸。

圖1 拼接墻顯示系統(tǒng)框圖

1 設(shè)計(jì)原理

對(duì)于DVI線纜，通常傳輸?shù)淖罡叻直媛适?00萬(wàn)像素、60 Hz。由于DVI雙鏈路有兩個(gè)通道同時(shí)傳輸圖像，因此可以實(shí)現(xiàn)400萬(wàn)像素60 Hz的視頻信號(hào)傳輸。如果要傳輸更高分辨率的視頻信號(hào)，在不增加DVI雙鏈路傳輸帶寬的前提下可以通過(guò)降低刷新率來(lái)提升圖像分辨率。例如，可以將視頻信號(hào)的刷新率從60 Hz下降到15 Hz，而將其分辨率由400萬(wàn)像素提升到1 600萬(wàn)像素。考慮到大部分GIS地圖在投放到拼接顯示墻上的時(shí)候更關(guān)注圖像的清晰度，而對(duì)于刷新率的要求不太高，因此通過(guò)前面的方法可以較好地滿足大部分GIS地圖的應(yīng)用需求。

在本方案中，實(shí)現(xiàn)分辨率和刷新率的轉(zhuǎn)變是技術(shù)關(guān)鍵。本方案的超高清信號(hào)源是一臺(tái)配置較好的PC機(jī)。為了使PC在開(kāi)機(jī)的時(shí)候就自動(dòng)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(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的版本，EDID通常由128個(gè)字節(jié)（EDID V1.0）或者256個(gè)字節(jié)（EDID V2.0）信息組成。表1給出了128字節(jié)EDID的主要信息含義說(shuō)明（256字節(jié)的EDID信息內(nèi)容與此類(lèi)似，只是表達(dá)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(guān)信息，而且給出了顯示器的規(guī)格尺寸、支持的分辨率、信號(hào)時(shí)序、色溫以及像素時(shí)鐘等信息。EDID本質(zhì)上是PC信號(hào)源與顯示器之間的通信協(xié)議。PC機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候通過(guò)DDC I2C接口讀取顯示器EEPROM中存儲(chǔ)的EDID信息，并根據(jù)讀取到的EDID信息來(lái)確定該顯示器支持的標(biāo)準(zhǔn)分辨率、最佳分辨率以及最佳信號(hào)時(shí)序等信息，并根據(jù)此信息來(lái)配置顯卡參數(shù)，使之輸出對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的圖像信息，之后顯示器顯示顯卡輸出的圖像。

表1 128字節(jié)EDID信息含義

本文設(shè)計(jì)將顯示器的概念做了擴(kuò)展。EDID本是PC信號(hào)源和顯示器之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，其目的是為了使PC機(jī)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(jī)超高分辨率圖像通過(guò)一根DVI雙聯(lián)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(nèi)部配置EEPROM信息來(lái)模擬顯示器的EDID信息，只要PC機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候讀取了對(duì)應(yīng)的EDID信息，便會(huì)根據(jù)EDID信息輸出對(duì)應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的超高分辨率顯示系統(tǒng)主要包含信號(hào)源、DVI雙鏈路超高清信號(hào)傳輸通道、圖像控制器以及拼接顯示墻等模塊，最關(guān)鍵的部分是PC機(jī)和圖像控制器之間的超高清信號(hào)傳輸部分。軟件流程如圖2所示。

圖2 超高分辨率顯示系統(tǒng)工作流程圖

整個(gè)工作流程如下。

（1）圖像控制器系統(tǒng)啟動(dòng)，通過(guò)Uboot完成系統(tǒng)初始化工作。

（2）在系統(tǒng)配置環(huán)節(jié)，圖像控制器根據(jù)超高分辨率圖像的要求配置對(duì)應(yīng)的EDID信息。EDID信息主要通過(guò)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(shù)、像素時(shí)鐘、行同步信號(hào)起始位置和同步信號(hào)寬度以及幀同步信號(hào)起始位置和同步信號(hào)寬度等。

（3）PC機(jī)啟動(dòng)，在啟動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)DVI雙鏈路接口中DDC I2C接口讀取存儲(chǔ)在圖像控制器中的EDID信息，并通過(guò)該信息判斷信號(hào)接收設(shè)備支持的最佳分辨率，并根據(jù)相關(guān)的時(shí)序要求輸出對(duì)應(yīng)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(nèi)部緩沖區(qū)之后做計(jì)算，根據(jù)拼接顯示墻的屏幕數(shù)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(shù)據(jù)縮放到200萬(wàn)像素并分別發(fā)送到不同的拼接顯示屏。

（5）每塊拼接顯示屏接收到對(duì)應(yīng)的不同的圖像區(qū)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(shí)現(xiàn)超高分辨率圖像的主要步驟和方法如圖3所示。

圖3 通過(guò)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(shí)鐘頻率是148.5 MHz，首先將單鏈路修改為雙鏈路，在時(shí)鐘頻率不變的情況下可以將圖像分辨率由200萬(wàn)像素提升到400萬(wàn)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(lèi)圖像的特點(diǎn)是分辨率高，但圖像內(nèi)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(guò)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(wàn)像素。分析1 600萬(wàn)像素下的圖像時(shí)序[2]發(fā)現(xiàn)，圖像傳輸過(guò)程中存在較多的圖像消隱時(shí)間，這部分時(shí)間并未傳輸實(shí)際的圖像信號(hào)。經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，如果改變圖像采集模塊中的EDID信息（圖1中的信號(hào)源2），可以進(jìn)一步將圖像傳輸分辨率由1 600萬(wàn)像素提升到3 200萬(wàn)像素。至此，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)148.5 MHz的低頻時(shí)鐘傳輸3 200萬(wàn)像素的超高清圖像。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種低成本的超高分辨率顯示系統(tǒng)。通過(guò)合理設(shè)置PC的EDID信息、使用DVI雙鏈路傳輸以及適當(dāng)降低超高清圖像的傳輸幀率等方法，可以在不提高像素時(shí)鐘的前提下，使PC機(jī)顯卡自動(dòng)輸出超高分辨率的圖像。由于圖像的像素時(shí)鐘沒(méi)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(gè)系統(tǒng)具有整體造價(jià)低、實(shí)現(xiàn)方便、貼近客戶使用需求等特點(diǎn)，在拼接屏行業(yè)中有較好的應(yīng)用前景。