低成本超高分辨率多屏拼接显示墙系统设计

李 静，胡克用，李文娟

（杭州师范大学钱江学院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

在传统的拼接显示墙中，输入信号源的分辨率大约只有200万像素，通常采用148.5 MHz频率传输信号。当图像在大尺寸多屏拼接屏幕上全屏显示时，每块显示屏上分得的原始信号较少，较低分辨率的原始信号在每块显示屏上被重新放大到200万像素时，得到的显示内容就不够清晰。然而，如果输入信号源像素较高，则会导致一些其他问题。例如，信号源的分辨率为3 200万像素时，需要采用8K图像传输技术，但由于8K图像的时钟频率很高，而且受限于图像在普通线缆中的传输距离通常很短这一特征，导致了在工程上的可实现性较低，且成本较高。

本文设计一种超高分辨率显示系统，可以在不提高像素时钟的前提下，通过DVI双链路、自定义EDID以及降低图像帧率等方法，在较低的148.5 MHz频率下将视频分辨率从传统的200万像素提升到3 200万像素。由于图像的时钟频率比较低，通过普通的DVI线缆就可以传输15 m以上。而目前市面上的4K、8K等显示方案，由于图像时钟频率比较高，通常传输距离低于5 m，如果要实现长距离传输，则需要采用光纤收发器方案，不仅工程造价高，而且施工复杂，稳定性不足。本方案采用的技术具有成本低、传输距离长以及稳定性高等特点，在拼接显示墙领域有广泛的应用价值。

拼接墙显示系统的典型框图如图1所示。系统中有M路信号源和N块拼接显示屏（M和N的数量既可相同也可不同）。该系统可以实现将信号源1到信号源M中的任意1路或者多路视频信号投放到拼接显示墙上。在GIS地图等应用中，有时需要将1路超高分辨率GIS地图投到拼接显示墙。由于整个拼接显示墙的总分辨率为200万*N像素（如N=20，则显示墙总分辨率为200万*20=4 000万像素）。此时，如果是1路200万像素的信号在拼接墙上做放大拼接显示，则需要将信号源放大20倍，会导致图像发虚。本设计通过自定义DVI双链路的方式实现超高分辨率（超过1 000万像素）的图像信号传输。

图1 拼接墙显示系统框图

1 设计原理

对于DVI线缆，通常传输的最高分辨率是200万像素、60 Hz。由于DVI双链路有两个通道同时传输图像，因此可以实现400万像素60 Hz的视频信号传输。如果要传输更高分辨率的视频信号，在不增加DVI双链路传输带宽的前提下可以通过降低刷新率来提升图像分辨率。例如，可以将视频信号的刷新率从60 Hz下降到15 Hz，而将其分辨率由400万像素提升到1 600万像素。考虑到大部分GIS地图在投放到拼接显示墙上的时候更关注图像的清晰度，而对于刷新率的要求不太高，因此通过前面的方法可以较好地满足大部分GIS地图的应用需求。

在本方案中，实现分辨率和刷新率的转变是技术关键。本方案的超高清信号源是一台配置较好的PC机。为了使PC在开机的时候就自动输出低分辨率的超高分辨率图像，需要用到显示器的EDID信 息。EDID（Extended Display Identification Data）[1]是一种扩展显示标识数据。根据不同的版本，EDID通常由128个字节（EDID V1.0）或者256个字节（EDID V2.0）信息组成。表1给出了128字节EDID的主要信息含义说明（256字节的EDID信息内容与此类似，只是表达的含义更多一些）。

从表1可以看出，EDID不仅包含了制造厂家的相关信息，而且给出了显示器的规格尺寸、支持的分辨率、信号时序、色温以及像素时钟等信息。EDID本质上是PC信号源与显示器之间的通信协议。PC机在启动的时候通过DDC I2C接口读取显示器EEPROM中存储的EDID信息，并根据读取到的EDID信息来确定该显示器支持的标准分辨率、最佳分辨率以及最佳信号时序等信息，并根据此信息来配置显卡参数，使之输出对应标准的图像信息，之后显示器显示显卡输出的图像。

表1 128字节EDID信息含义

本文设计将显示器的概念做了扩展。EDID本是PC信号源和显示器之间的通信标准，其目的是为了使PC机可以更好地适配不同的显示器，输出与显示器最适配的图像信息[2]。从图1可以看到，PC机超高分辨率图像通过一根DVI双联线路连接到图像处理器，而不是显示器。因此，可以在图像处理器内部配置EEPROM信息来模拟显示器的EDID信息，只要PC机在启动的时候读取了对应的EDID信息，便会根据EDID信息输出对应的低帧率超高分辨率图像。拼接控制器在接收到该超高分图像信息后做处理，最后将处理后的图像输出给拼接屏显示器[3]。

2 系统设计

本文设计的超高分辨率显示系统主要包含信号源、DVI双链路超高清信号传输通道、图像控制器以及拼接显示墙等模块，最关键的部分是PC机和图像控制器之间的超高清信号传输部分。软件流程如图2所示。

图2 超高分辨率显示系统工作流程图

整个工作流程如下。

（1）图像控制器系统启动，通过Uboot完成系统初始化工作。

（2）在系统配置环节，图像控制器根据超高分辨率图像的要求配置对应的EDID信息。EDID信息主要通过I2C接口配置EEPROM信息。配置的EEPROM主要包含水平像素宽度、垂直像素行数、像素时钟、行同步信号起始位置和同步信号宽度以及帧同步信号起始位置和同步信号宽度等。

（3）PC机启动，在启动的过程中通过DVI双链路接口中DDC I2C接口读取存储在图像控制器中的EDID信息，并通过该信息判断信号接收设备支持的最佳分辨率，并根据相关的时序要求输出对应的超高分辨率图像[4]。

（4）图像控制器接收到超高分辨率图像，在接收到内部缓冲区之后做计算，根据拼接显示墙的屏幕数量N将接收到的超高分辨率图像等分成N份，并将每一份数据缩放到200万像素并分别发送到不同的拼接显示屏。

（5）每块拼接显示屏接收到对应的不同的图像区域并做显示，最后整块拼接显示墙上就显示了一幅完整的超高分辨率图像。实现超高分辨率图像的主要步骤和方法如图3所示。

图3 通过多种方法提升超高清图像分辨率

如图3所示，DVI单链路1 080P@60Hz的视频时钟频率是148.5 MHz，首先将单链路修改为双链路，在时钟频率不变的情况下可以将图像分辨率由200万像素提升到400万像素。由于超高清图像大部分显示的是GIS等超高清图像，这类图像的特点是分辨率高，但图像内容变化的速度较慢，因此使用60 Hz刷新率的意义不大[5]。通过将图像刷新率由60 Hz降低到30 Hz和15 Hz，图像的分辨率可以分别提升到800像素和1 600万像素。分析1 600万像素下的图像时序[2]发现，图像传输过程中存在较多的图像消隐时间，这部分时间并未传输实际的图像信号。经过理论分析和实验验证发现，如果改变图像采集模块中的EDID信息（图1中的信号源2），可以进一步将图像传输分辨率由1 600万像素提升到3 200万像素。至此，实现了通过148.5 MHz的低频时钟传输3 200万像素的超高清图像。

3 结 语

本文设计了一种低成本的超高分辨率显示系统。通过合理设置PC的EDID信息、使用DVI双链路传输以及适当降低超高清图像的传输帧率等方法，可以在不提高像素时钟的前提下，使PC机显卡自动输出超高分辨率的图像。由于图像的像素时钟没有提高，因此用普通的DVI链路线缆就可以传输此超高分辨率图像。整个系统具有整体造价低、实现方便、贴近客户使用需求等特点，在拼接屏行业中有较好的应用前景。