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多通道投影边缘融合技术初识
2016-05-30
(1)       单台大幅面投影机的总分辨率再高也不能适用于总分辨率高于4K以上的场合
(2)       单台大幅面投影机即使是最高端的也无法投射出超宽幅图像的同时保持亮度
(3)       单台大幅面投影机要保证宽幅亮度其价格高出整个边缘融合系统更多
(4)       单台大幅面投影机只有一个投射位无法实现灵活的投射
图一:单台投影机无法实现的宽幕效果
    而如果应用多通道无缝边缘技术来实现宽幅画面具有以下优点:
1、 增加图像尺寸,增加画面亮度
    多台投影机拼接投射出来的画面远远比单台投影机投射出来的画面尺寸大,同时使用相同价位的投影机可以获得更高的总体亮度,由于投影机的价格在亮度超过一定范围后呈指数增长,因此采用多台中两度的投影机加上融合设备的成本反而远低于单台超高亮度的投影机的系统成本,同时鲜艳靓丽的超宽幅画面,能带给人们不同凡响的视觉冲击,通过采用无缝边缘融合技术拼接而成的画面,要很大程度上保证了画面的完美性和色彩的一致性。
 
2、增加整体显示分辨率
  每台投影机投射整幅图像的一部分,这样展现出的图像分辨率被提高了,这种超高分辨率对于要显示大规模地图或者超高清宣传视频是必须的。比如,一台投影机的物理分辨率是1024 x768,三台投影机融合25%后,图像的分辨率就变成了2560x768。
 
3、缩短投影距离
    随着无缝拼接的出现,投影距离的缩短变成必然。比如,原来200英寸(4000x3000mm)的屏幕,如果要求没有物理和光学拼缝,我们将只能采用一台投影机,投影距离=镜头焦距x屏幕宽度,采用光角镜头1.2:1,我们的投影距离也要4.8米,现在,我们采用了融边技术,同样画面没有各种缝痕,我们的距离只需要2.4米,对于有限空间而言,投射距离减少意味着施工灵活度和空间成本的减少。
 
4、灵活的投射布置选择
    单台投影机在投射大画面时即使投影机的性能再好也无法规避物理空间上可能存在的遮挡和实际工程环境的复杂因素,而采用多台投影机融合,通过多台投影机的灵活配合,可以适应不同的展示环境需求,极大丰富应用。
 
5、构建特殊的投射面效果
  有些应用场合需要使用穹顶式,柱面式,甚至是任意曲面形状的投射面,单台投影机就需要较远投影距离才可以覆盖整个屏幕,这使得亮度急剧下降,同时特殊形状在分块处理时才容易做到,单台是很难达到构图灵活性的,而多台投影机的组合不仅可以使投射画面变大投影距离缩短,而且可使弧弦距缩短到尽量小,对图像分辨率、明亮度和聚集效果来说是一个更好的选择。
 
6、增加画面层次感
  由于采用了边缘融合技术,画面的分辨率、亮度得到增强,环绕沉浸体验也是单台投影无法比拟的,同时配合高质量的投影屏幕和环境光线,可使得整个显示系统的画面层次感、临场感和表现力明显增强。
 
图二:典型的多通道边缘融合系统
 
    因此综合性能,灵活性和成本因素多通道无缝投影一直是大规模显示领域的首选方案,并且随着投影技术和多通道融合技术的发展其应用领域也从单纯的仿真领域向展览展示、指挥中心、教育应用、虚拟现实甚至是高端家用娱乐扩展,而随着3D技术的发展,多通道3D沉浸式无缝投影更成为应用热点,因此随着技术的进步,多通道无缝投影技术会越来越多的走人更多的应用场合。
图三:双通道边缘融合的原理示意
    多通道无缝投影技术有如上优点的前提是多通道无缝投影融合机的保证,通过融合机的画面处理能力,多台投影机被连成一个整体,而构成一个整体画面的技术本质就是边缘融合,多个投影面要连接在一起构成整体可以选择两种方式,一种是直接对准,也就是业内称为的硬拼方式,这种方式下会存在光学缝隙,大大影响了画面的可观赏性和整体感,同时在应用于交通指挥、地图显示和仿真领域更可能造成画面的信息误判。另一种方式即边缘融合无缝拼接就克服了硬拼方式的缺陷,其消除光学缝隙的原理在于采用了叠加带生成,边缘羽化融合和色度校正的综合图像处理技术。
    实现边缘融合的第一步是公共像素叠加带的生成,融合机需要为相互准备融合的左右两边投影机分别生成一个相同的融合带,即所谓的公共像素部分,这个公共像素部分最终是两台投影机叠加投影的地方,公共像素带的选择主要取决于画面幅面要求和融合效果,一般来说公共像素带宽度增加可以优化融合效果,但是增加公共像素带宽度会减少总有效显示像素,因此一般折中考虑,工程上大多选择单台投影机像素数的15%-30%左右大小的公共带,优秀的多通道边缘融合机应该可以做到公共带从0到单画面像素的30%的总范围内连续可调,才可以适应不同的工程需求灵活应对。
    叠加带的生成从技术实现角度上分为两大类,一类是通过拉伸覆盖,一类通过源区块选择,前者的叠加是通过把画面扩展到低价带实现,存在画面的缩放,对画面质量有影响,常常在挼融合和基于ASIC的硬件融合机中使用,其优点是实现容易,但是效果不好,对画面有损伤。后者通过对画面的直接重新组合,对画面质量没有影响,其缺点是对画面处理要求高,但是有点是对画面的真实再现,效果优秀。
    边缘羽化融合是在相融合的两台投影机的公共像素带部分做两边相反的过渡处理,使得实际光照叠加后平滑过渡,其基本原理是采用S曲线进行基于位置的亮度衰减,在图像处理领域对亮度过渡有很多算法,但工程应用中要适应不同的投影机、幕布和环境光线,任何固定的公式都无法覆盖所有的应用环境,因此融合曲线必须是完全可调的,最优秀的融合过渡曲线条件是完全可编程的并且是实时可调的,因为再复杂的算法预计算都比不上工程现场所见即所得的实时调节,因此好的边缘融合机应该具备完全可调的架构,调节速度必须非常迅速同时调节方式要易于使用,边缘融合的最终目标是最终多台投影机就像使用一台一样便利。
边缘直接叠加亮带
 
图四:羽化过渡融合后自然过渡
    色度校正主要用于对多台投影机间参数的调节和一致性校正,在运用多通道无缝投影系统时一般采用同一批次同一使用时间的投影机,随着投影机技术的完善其一致性和投影机本身的可调性也日趋完善,一般不建议对投影机未融合部分做过多的画面处理,这样容易损坏画面本身的真实内容,这也是国内多通道无缝投影领域的一个常见误区,以为对全画面处理是设备高性能的表现,而事实上采用全画面处理往往是部分低质量边缘融合机为了掩盖融合带处理能力不完善而采取的降低画面质量的补救,目前技术发展的趋势是充分应用投影机本身的调节能力,因为投影机本身的调节是投影机厂家在电子和光学领域针对该款投影机充分验证过的,是最大限度不损伤画面的调节为前提的,因此色度校正的目标是以最小的画面处理获得一致性。
    通过多通道边缘融合机的图像处理,多台投影机的输出图像通过适当的过渡叠加最终实现了多个通道共同无缝构成一个超大画面,实现超高分辨率超宽显示效果。
    多通道投影技术的应用已经有十年以上的历史,最早这一高端技术被应用于虚拟仿真领域,早期的多通道投影采用CRT投影机,整个系统庞大复杂,背后的计算需要大型服务器整列支撑,这一技术的出现解决了无法显示超大画面的问题,突破了单个屏幕的技术极限,这一技术优势一直保持到现在的多通道边缘融合投影技术的应用中,可以说获得超大幅面的整体画面是多通道边缘融合投影技术的首要目的和优势。随着现代投影技术的发展,单台投影机的投射幅面也在不断增大,常常会有疑问,为什么不能用一台大幅面投影机代替多通道投影?答案往往是否定的,原因在于以下几个因素: