基于PC的投影拼接显示系统

徐 力 平

(上海电科智能系统股份有限公司, 上海 200063)

基于PC的投影拼接显示系统

徐 力 平

(上海电科智能系统股份有限公司, 上海 200063)

提出了一种基于PC和普通投影仪实现大屏幕投影拼接显示系统的方法。在PC端将显示画面分割为若干块,然后对图像的重叠区域采用图像融合的方法进行处理,再发送给投影仪作梯形校正,从而实现大屏幕拼接显示。显示结果表明,实现低成本投影拼接系统的方法切实有效,可以满足不同规模投影显示的需要。

投影拼接显示系统; 边缘融合; 图像融合; 图像分割

0 引 言

视频监控系统是智能交通系统的重要组成部分,监控中心需要实时显示现场的视频信号,因此大幅面显示系统是智能交通系统中不可或缺的设备之一[1]。根据系统实现方式的不同,目前在该领域使用较多的有液晶显示拼接屏、数字光处理拼接屏和专用投影大屏幕系统。

大屏幕投影系统利用多台投影仪将画面投影到大屏幕上,以提高投影的分辨率和亮度。这类专用的投影系统大多支持边界融合功能,可以方便地实现拼接显示,同时价格通常比较高[2]。

在投影拼接显示中,突出的问题是两台甚至多台投影仪拼接处由于漏光而出现的重叠区域变亮和Gamma校正参数不同而导致的画面色彩不同。由于人眼视觉特性[3],表现出对色彩亮度差异特别敏感,因此该问题是投影拼接显示系统必须解决的问题。如果采用的是带边缘融合的投影拼接系统,则这些问题在系统内部可以解决,系统实现上也非常简单。

本文采用普通的投影仪和一台PC,即可实现图像的拼接投影显示。投影仪间可以是独立或自由组合的,甚至不同型号的投影仪也可以拼接在一起,从而实现低成本的大幅面投影拼接显示。

1 多屏融合的解决方案

多屏拼接投影显示系统由PC和多台投影仪组成,投影仪的数量根据工程项目的需要而定。系统组成如图1所示。

图1 系统组成

PC是整个系统的控制核心,完成图像的边界融合处理,并且同时将整幅图像切割为不同的区域,分别送到不同的投影仪;投影仪用于直接显示经过边界融合处理的图像。在投影拼接显示系统中,有两个核心的问题:① 投影图像的边界融合处理;② 多投影系统中每台投影仪的Gamma调整。

PC中的应用软件需要对输出到不同端口的视频信号进行预处理,将边界处的图像亮度做适当的调整。人眼对光线的敏感程度同时受视神经系统的调节,因此在观察外界图像时对亮度的感受并不是线性的[3-4]。人眼的主观亮度感觉S与周围的环境亮度B有关:

S=KlgB+K0

(1)

式中:K0和K为常数。

主观亮度感觉是心理量,而不是物理量,因此亮度单位是以试验得出的结果S来表征的。试验表明,在不同的亮度B值下,人眼能察觉的最小亮度变化ΔBmin并非定值。当B值增大时,ΔBmin也增大;当B值减小时,ΔBmin也减小,但ΔB/B值是一致的。

基于人眼的亮度感觉特征,对边界融合区域不能做简单的线性运算,必须对边界处的重叠图像做非线性的加权融合,才能保证看到的融合图像自然过渡,否则重叠区就会变亮。

画面分割和alpha曲线示意图如图2所示。

图2 画面分割和alpha曲线示意图

图2(a)中间的图案用来表示图像的重叠区。图2(b)中,确定拼接区的宽度,在PC端对显示图像进行两个或多个区域重叠。在系统的调试中发现,该融合区域应取128～256个像素的宽度。如果重叠区太小,则融合过渡区的alpha梯度很大,容易出现伪轮廓;如果过渡区太宽,则融合区的亮度很难调整。图2(c)中虚线用于左半幅图像,实线所示的alpha值用于右半幅图像。

在PC端的图像将图像分割成带重叠区域的部分之后,对每幅图像加入一个融合使用的alpha平面,对显示缓冲区的图像进行alpha融合计算。alpha的计算采用如下的方法:

(2)

(3)

其中,Wmax为融合最大值,Wmin为融合最小值,取值范围0～1;W为重叠区的宽度,以分辨率为1 280×800的投影仪为例,一般取128～256个像素(分辨率的10%～20%);P为融合区的像素位置;p为指数,取值范围为0.2～0.5。alpha的计算结果为0～1。按照上述的公式得到的是左半幅面的alpha,右半幅面的alpha可以通过Wmax-alpha得到。

单幅画面融合结果和投影显示效果如图3所示。OpenCV是一组开放的视频处理与计算机视觉的开发库[5],提供很多的视频增强和处理的接口函数,方便实现图像alpha融合。

图3 单幅画面融合结果和投影显示效果

在投影拼接系统中,不同的投影仪其Gamma特性也不同。如果使用的是相同品牌、相同型号的投影仪,则不进行Gamma校正也可得到均匀亮度显示的拼接画面;如使用不同品牌的投影仪,则这个步骤显得尤为重要。

图像的Gamma校正一般采用Gamma表的方式实现,在PC端进行查表将导致大量的内存访问,从而消耗大量的内存。投影仪本身提供了Gamma的调整功能,采用硬件查表的方式实现[6]。投影仪中提供5组Gamma设置,允许用户提供一种个性化的设置存储在系统中。

调整投影仪各自的亮度,使整个投影拼接显示区域的亮度均匀即可。经过拼接画面的分割、融合处理,多台投影仪的显示特性接近,可显示亮度均匀、色彩一致的拼接画面。

2 显示结果评价

在现场系统调试时发现,融合曲线中alpha的取值不能为1,一般取0.60～0.85。如果超过该范围,就会在投影显示画面中出现如图3(b)所示的亮区。不同取值下的融合显示结果如图4所示。采用规则集合图案作为系统校准的测试图,只要alpha计算的参数选择适当,拼接显示结果基本上可以与带融合功能的高端投影仪相当。

图4 不同取值下的融合显示结果

在调试的过程中发现,alpha的不同计算方法对最终的融合显示结果影响较大。采用不同的融合曲线,例如采用分段函数的手段描述alpha,当显示较亮画面时,两者区别几乎无法区分;当显示较暗的场景时,分段表示的结果要优于本文所述的方法。因此,在实际应用中,可以根据投影仪的实际效果尝试采用不同alpha计算方法,以利于拼接图像显示质量的改善。

3 结 语

本文结合实际智能交通工程中的应用,采用普通的投影仪和PC机实现了多屏拼接投影显示,在实际应用中取得良好的应用效果,在工程中可以节省大量的资金。只要提高PC中视频处理卡的性能,便可提供更多台投影仪的拼接显示。

如果将单台PC扩展到多台PC,同时考虑多台PC之间的同步显示,可以实现更多投影仪的拼接显示。因此本文提出的拼接投影显示系统具有较强的可扩展性,可以满足不同规模投影显示的应用。

[1] 陆化普.智能运输系统[D].北京:人民交通出版社,2002.

[2] RASKAR R,BROWN M S,YANG R,et al.Multi-projector displays using camera-based registration[C]∥Proceedings of IEEE Visualization,Los Alamitos:IEEE Computer Society,1999:161-168.

[3] 罗四维.视觉感知系统信息处理理论[ M].北京:电子工业出版社,2006.

Multi-projector Display System Based on PC

XULiping

(Shanghai SEARI Intelligent System Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

A novel implementation for multi-projector display system was proposed,which was based on PC system.The image is splitted to several blocks,then the edge-blending is used to the overlap pixel for each block.The block based image is displayed by projector after keystone correction.The results show this method is an efficient method for the low cost multi-projector display system.The method could meet the demand of different scale projection display.

multi-projector display system; edge-blending; alpha-blending; image segmentation

徐力平(1959—),男,工程师,从事电气自动化和智能交通方面的研究。

TU 852

A

1674-8417(2015)07-0019-03

2015-04-10