大屏显示系统的若干关键技术

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 3.22MB 70 页 15积分

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摘要

当今社会，人们对于超大画面、高清晰度显示的视觉要求越来越强烈，大屏

显示系统很好地迎合了这一需求。目前市场上的大屏显示系统被广泛应用在军事、

监控、会议中心等场所，主要用来集中管理和显示大量信息，但是对于高清晰度

网络视频在大屏幕上的播放显示却没有涉及，因此，本文就这一问题设计了一个

大屏显示系统。该系统不但适用于工业上的安防保障、调度监控、视频会议、控

制中心等方面，还适合于数字娱乐等领域的应用。

本文首先对设计的大屏显示系统进行了整体的架构，并对其硬件结构和软件

设计进行了整体规划和介绍；其次在典型的大屏显示系统的基础上，增加了网络

视频播放的功能，即采用一个集群来实现网络视频信号在大屏幕上的播放显示；

详述该系统中每一个模块的工作原理及其实现过程，并介绍了该系统所采用的通

信方式，通过选择合适的视频矩阵器、图形拼接器以及视频解码芯片来构建整个

大屏显示系统。对于实现大屏显示系统中信号的缩放功能，本文提出了基于非线

性各向异性扩散偏微分方程的图像插值放大方法和基于参考帧的视频放大方法，

分别实现了对一幅图像和一个视频序列进行的缩放处理，并通过实验进行了验证。

实验结果表明本文所提出的算法对图像和视频进行放大均有较好的视觉效果，大

大减少了块效应和锯齿状失真。

本文设计并实现的大屏显示系统对于不同的信号源，均可以在大屏幕上放大

显示，并对网络视频采用了基于集群的结构模式实现放大显示，同时结合本文提

出的图像和视频的放大处理方法，使得整个系统具有分辨率高、应用范围广、扩

展性良好等特点。

关键词：大屏显示系统模块化分辨率放大图像插值

ABSTRACT

Large-screen display system is required to match the human increasingly strong

visual demands of large-screen and high-definition display in modern society. At present,

large-screen display system is mainly used to centrally manage and display a large

amount of information in the field of military, monitoring, conference centers and other

places. But it is not involved for the display of high-definition network video playback

on the large-screen; therefore, a large-screen display system is designed in this

dissertation. The system is not only used in the industry field of security protection,

dispatch center, video conference, control center, but also suitable for digital

entertainment and other fields.

This dissertation firstly introduces the structure of the large-screen display system

which is proposed in this dissertation and describes its hardware structure and software

design. Based on the common large-screen display system, the function added a cluster

about network video playback has been increased which has displayed a network video

signal in the large-screen display system. Every module in the system of the working

principle and realization are designed in the dissertation, including the communication

mode, the appropriate video matrix, the graphic splicing device and video decoding

chips. Also an image interpolation method based on nonlinear anisotropic diffusion PDE

and a video amplification method based on reference frames are proposed in this

dissertation. These methods are used to magnify an image and a video sequence. The

experimental results show that the proposed methods have better visual effect on

improving the quality of both an image and a video, and the block and serration

distortion are also reduced.

The large-screen display system proposed in this dissertation can enlarge and show

different types of signal, also can amplify and display a network video signal by using a

cluster structure mode. Combining with the proposed image interpolation method and

the video amplification method, the whole system has the characteristic of high

resolution, wide application range, good expansibility and so on.

Key Words: Large-screen Display System, Building-Block, Resolution

Enlargement, Image Interpolation

第一章绪论 ......................................................................................................... 1

§1.1 课题的背景和意义 ...........................................................................1

§1.2 国内外研究现状与发展 ...................................................................2

§1.3 本文主要工作和贡献 .......................................................................5

§1.4 本文组织结构 ...................................................................................6

第二章大屏显示系统的体系结构 ......................................................................... 7

§2.1 典型的大屏显示系统 .......................................................................7

§2.2 本文所设计的大屏显示系统的整体结构 .....................................10

§2.2.1 系统硬件结构设计 ..............................................................10

§2.2.2 系统软件结构设计 ..............................................................11

§2.3 本章小结 .........................................................................................11

第三章大屏显示系统硬件实现 ........................................................................... 13

§3.1 网络传输模块设计 .........................................................................13

§3.1.1 几种主要的通信协议分析 ..................................................13

§3.1.2 本系统的通信方式与实现 ..................................................15

§3.2 视频矩阵器的分析与设计 .............................................................16

§3.2.1 视频矩阵器的分析 ..............................................................16

§3.2.2 视频矩阵的设计 ..................................................................17

§3.3 图形拼接系统的分析与设计 .........................................................19

§3.3.1 图形拼接处理器的分析 ......................................................19

§3.3.2 图形拼接器的设计 ..............................................................20

§3.4 视频解码模块设计 .........................................................................21

§3.4.1 视频编解码的标准简介 ......................................................21

§3.4.2 视频编解码的原理 ..............................................................23

§3.4.3 视频解码模块的实现 ..........................................................26

§3.5 本章小结 .........................................................................................27

第四章大屏显示系统的图像缩放技术 ............................................................... 29

§4.1 图像分辨率放大的基本原理 .........................................................29

§4.1.1 图像分辨率概述 ..................................................................29

§4.1.2 图像分辨率放大基本原理 ..................................................29

§4.2 图像分辨率放大的常用方法 .........................................................30

§4.2.1 线性插值 ..............................................................................30

§4.2.2 非线性插值 ..........................................................................33

§4.2.3 插值算法性能比较 ..............................................................34

§4.3 基于非线性各向异性扩散偏微分方程的图像放大算法 .............34

§4.3.1 偏微分方程在图像处理中的应用 ......................................34

§4.3.2 基于非线性各向异性扩散偏微分方程的图像放大模型 ..36

§4.3.3 算法实现 ..............................................................................37

§4.4 实验结果与分析 .............................................................................38

§4.4.1 实验结果 ..............................................................................38

§4.4.2 实验结论 ..............................................................................42

§4.5 本章小结 .........................................................................................42

第五章大屏显示系统的视频缩放技术 ............................................................... 43

§5.1 视频分辨率放大的基本原理 .........................................................43

§5.2 视频分辨率放大的常用方法 .........................................................43

§5.3 本文提出的基于参考帧的视频放大算法 .....................................44

§5.3.1 对于参考帧的视频分辨率放大算法 ..................................46

§5.3.2 对于预测帧的视频分辨率放大算法 ..................................46

§5.4 实验结果与分析 .............................................................................47

§5.5 本章小结 .........................................................................................57

第六章总结与展望 ............................................................................................... 59

§6.1 工作总结 .........................................................................................59

§6.2 展望 .................................................................................................60

参考文献 ................................................................................................................... 61

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ....................................... 65

一、发表论文 ............................................................................................65

二、科研项目 ............................................................................................65

致谢 ....................................................................................................................... 67

III

表目录

表4.1 放大2倍的灰度图像的实验结果 ...........................................................39

表4.2 放大4倍的灰度图像的实验结果 ...........................................................40

表4.3 放大2倍的彩色图像的实验结果 ...........................................................41

表5.1 放大walk视频I帧图像的实验结果 ....................................................... 48

表5.2 放大container视频I帧图像的实验结果 ................................................ 49

表5.3 放大bridge-close视频I帧图像的实验结果 ........................................... 50

表5.4 放大walk视频第三帧图像的实验结果 .................................................51

表5.5 放大container视频第三帧图像的实验结果 ..........................................52

表5.6 放大bridge-close视频第三帧图像的实验结果 .....................................53

表5.7 放大walk视频第十四帧图像的实验结果 .............................................54

表5.8 放大container视频第十四帧图像的实验结果 ......................................55

表5.9 放大bridge-close视频第十四帧图像的实验结果 .................................56

图目录

图1.1 单个屏幕显示系统结构示意图 ..............................................................2

图1.2 多阵列无放大显示系统结构示意图 ......................................................3

图1.3 典型的大屏显示系统结构示意图 ..........................................................3

图1.4 基于集群的大屏显示系统的结构示意图 ..............................................4

图2.1 分层并行 MPEG-2 解码器结构 ............................................................. 9

图2.2 本文的大屏显示系统总体架构 ............................................................10

图3.1 TCP/IP 模型与各层协议 ........................................................................13

图3.2 RTSP 与各协议间的关系 ...................................................................... 14

图3.3 C/S 模型流程图 ......................................................................................15

图3.4 矩阵的数学概念 ....................................................................................16

图3.5 视频矩阵器结构图 ................................................................................18

图3.6 嵌入式图形拼接器结构图 ....................................................................20

图3.7 视频编解码系统结构图 ........................................................................23

图3.8 预测编码框图 ........................................................................................24

图3.9 帧内预测样本 ........................................................................................25

图3.10 具有运动补偿的帧间预测方法 ..........................................................25

图3.11 解码芯片结构图 ..................................................................................26

图4.1 图像分辨率放大原理 ............................................................................30

图4.2 实验原图 ................................................................................................38

图4.3 放大 2 倍的灰度图像 ............................................................................39

图4.4 放大 4倍的灰度图像 ............................................................................40

图4.5 放大 2倍的彩色图像 ............................................................................41

图5.1 视频分辨率放大原理 ............................................................................43

图5.2 预测帧图像分辨率放大原理 ................................................................47

图5.3 walk 视频放大的 I帧图像 .................................................................... 48

图5.4 container 视频放大的 I帧图像 ............................................................. 49

图5.5 bridge-close 视频放大的 I帧图像 ........................................................ 50

图5.6 walk 视频放大第三帧图像 ....................................................................51

图5.7 container 视频放大第三帧图像 .............................................................52

图5.8 bridge-close 视频放大第三帧图像 ........................................................53

图5.9 walk 视频放大第十四帧图像 ................................................................54

图5.10 container 视频放大第十四帧图像 .......................................................55

图5.11 bridge-close 视频放大第十四帧图像 .................................................. 56

第一章绪论

§1.1 课题的背景和意义

21 世纪是信息科学和技术迅猛发展的时代，信息已经成为社会的核心资源。

信息产业已经引领世界经济的潮流，主导世界经济的发展。随着信息技术的高速

发展，尤其是数字化技术的广泛应用，数字化信息的采集和显示也已成为了当代

信息化的重要表现。同时，人们对高清设备的需求与日俱增，影视设备也逐渐迈

向高清化，标志着数字高清电视时代已经到来。同时，网络技术的飞速发展，信

息的传输量随着传输速度的迅猛提高而递增，而此时互联网的大量普及使得人们

可获取的信息量也随之暴增。因此，人们对于超大的画面、纯真的色彩、高清晰

度的显示效果的视觉追求成为了一种潜在需求，这一需求不能仅仅停留在只依靠

单台显示设备来满足，特别是在一些监控中心、指挥中心、控制中心、调度中心、

会议中心等重要场所。这些场所需要集中管理和显示大量高清信息，例如同时在

一个平台下显示若干视频信号和各种高分辨率视频信息，这时候传统的显示方法

和设备已经完全不能胜任，大屏显示系统也就应用而生。

大屏显示系统[1]作为当今最现代的图像信息集中控制、显示系统，利用信息化

的集中管理手段，配合直观的交互式表达方式，使得各项管理工作更加严密、有

效，服务更加便捷、高效。其主要特点是：显示面积大，通过积木式拼接，实现

几十、几百平方米甚至更大面积的显示；显示质量、清晰度高，理论上其显示分

辨率可以随着拼接规模增大而提高；综合技术水平强，它是集光学、电子、机械、

通信等各种高科技技术于一体，其所需技术质量也是非常高的。随着高度智能化

的数字系统飞速发展，大屏显示系统被越来越多地应用到军队、交通、公安等指

挥中心和调度中心，主要被应用于视频监控、卫星跟踪定位系统（GPS）以及指挥

调度等工作中，通过利用大屏显示系统的集中调度和管理来提高各项工作的工作

效率。

目前市场上大屏显示系统中所使用的拼接技术主要是利用图像分割的原理。

例如一个由 4个小屏幕以 2×2的拼接方式所构成的大屏显示系统，其中每个小屏

幕的显示分辨率均为 1600×1200 像素，那么构成后的整个大屏幕的显示分辨率应

该达到 3200×2400 像素。但是，由于受到采集设备、处理芯片以及显示技术等因

素的影响，并不能保证所显示图像的分辨率真正达到 3200×2400 像素，那么势必

存在图像信息的损失，达不到图像的高分辨率显示，从而使得视觉效果下降。因

此，为了保证大屏显示系统的实用性、先进性、稳定性和经济性等特点，就需要

根据用户行业的特殊要求，选择设计合适的大屏显示系统，使其能在建成后满足

用户的工作需要。

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摘要当今社会，人们对于超大画面、高清晰度显示的视觉要求越来越强烈，大屏显示系统很好地迎合了这一需求。目前市场上的大屏显示系统被广泛应用在军事、监控、会议中心等场所，主要用来集中管理和显示大量信息，但是对于高清晰度网络视频在大屏幕上的播放显示却没有涉及，因此，本文就这一问题设计了一个大屏显示系统。该系统不但适用于工业上的安防保障、调度监控、视频会议、控制中心等方面，还适合于数字娱乐等领域的应用。本文首先对设计的大屏显示系统进行了整体的架构，并对其硬件结构和软件设计进行了整体规划和介绍；其次在典型的大屏显示系统的基础上，增加了网络视频播放的功能，即采用一个集群来实现网络视频信号在大屏幕上的播放显示...

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