图像拼接控制器的发展历史

    图像拼接控制器作为大屏幕显示综合信息系统的重要控制核心，为大屏显示带来了众多视觉体验：海量图像数据集中显示，超大画幅高清呈现，多图层自由叠加，场景轮询切换，等等。图像拼接控制器从诞生至今的二十多年时间，经历了三代产品的进化。从最初的电脑机箱、多头显卡和视频采集卡的PC式架构，到机柜式的集中式硬件综合处理器，一直到现在的纯硬件网络分布式架构。

    为了更好地了解分布式拼接处理器，我们有必要首先了解拼接控制器的整个发展历史。下面，我们为大家梳理一下三代大屏拼接控制器的功能特点。

    第一代——PC式处理器

    PC式处理器，使用PCI或PCI-E采集卡接入各种视频信号，使用多头显卡，加上多屏卡辅助，来完成多屏输出，是最早一代的大屏拼接方案。

    在上世纪九十年代，随着计算机的普及，以及更多监视监控的应用，单一监视器已经不能满足日常需要，多屏幕监控应运而生，第一代PC式处理器在这个时候开始应用。

    PC式处理器的物理结构是一台高性能的PC主机，由PC自带的CPU和GPU进行图像算法的处理，由多头显卡进行多屏输出，实现大屏拼接的功能。因为其拼接算法多由软件执行，所以也多被称为“软拼”。

    图像数据的综合带宽由PC主板总线决定。图像的拼接叠加漫游能力超强，可以轻松完成融合、几何校正、非线性编辑等操作。图像的输出能力由多头显卡决定。

    PC主板总线能力：当年的选择是PCI，PCI-X总线。 PCI-X64-66M，单卡最大的采集能力为532MByte（约4Gbit），具备单卡采集两路1080p能力。现在的选择是PCI-E，得到较大幅度提升，PCI-E-X16单卡可以获得理论上20Gbit带宽，具备采集10路1080p能力，有的主板可以支持多达16个PCI-E-X16插槽，性能十分强劲。

    但是受计算机主板规模和功耗的限制，PC式处理器无法接收数量较大的输入与输出，如果要实现大规模拼接，就要配置动辄上百万的工控设备。又因具有操作系统，相对稳定性不高，所以其性价比堪忧。但是其高速的运算能力，仍然是其无可取代的优势，而成为其生命力的保证。

    PC式处理器一般适应于小规模拼接，由于融合项目规模一般较小，因此，PC式处理器在融合应用中较为常见。

    主流的采集卡厂商有datapath、matrox。都有单卡多路的产品，稳定性不错。

    主流的多头显卡厂商：ATI、matrox、NvidIA。有8路1080p HDMI产品，6路4K画面DP产品，但是价格很高，且稳定性也一般。尤其是发热严重。

    总的来说，PC式图像效果出众，在投影融合应用中占有主导地位。在拼接应用中，现在虽然有几个国外高端厂家仍在支撑，但在国内市场已日渐式微。

    第二代——集中式处理器

    集中式处理器，采用了FPGA加矩阵交换芯片的技术结构，是目前市场销售较多的处理器结构。其所有输入输出信号以及数据交换，都在一个机箱里面完成。

    第二代集中式处理器由一个基板和输入接口板与输出接口板组成一个共通的箱体。接口板进行图像信号的处理，基板作为数据传输的通道，将输入板的信号传输到输出接口板上，从而达到拼接的效果。

    集中式处理器的组成：差分数据线底板、差分矩阵芯片主板、串口或网口控制板、输入输出接口板。集中式采用FPGA、差分串行走线、串行交换芯片，为核心技术架构。图像的拼接、漫游、叠加处理在输出板上实现。

    集中式处理器的处理核心是FPGA芯片阵列。FPGA芯片具有速度快，并行处理，功能灵活的特点，极大的提高了系统运算速度。有效的使用并行处理技术使得数据得到分散处理，没有了工控机单处理器的速度瓶颈，从而可以同时接纳多个高速信号。这是集中式处理器拼接控制器系列与普通插卡式工控机相比，最大的性能优势。

    集中式处理器系统规模固定，多用于单一大屏的工程。经过了十年的发展，技术原理简单稳定。目前市场品牌较多，但也不乏一些粗制滥造的产品。因为物理结构的差异，相较于第一代PC式处理器，其图像处理能力有明显差距，又因为和第一代处理器一样是对整帧图像进行拼接算法，所以直接影响了其处理速度。

    集中式处理器的核心在于各厂家自行设计制造的高速差分交换底板，该底板对于整个处理器的信号完整性、稳定性至关重要，对厂家的设计制造能力有很大的挑战。尤其在一个大规模信号显示拼接项目上，底板规模过大会成为整个系统的薄弱点。

    不过其透明且低廉的价格，为其在简单应用工程带来了较高的性价比，也因而使其在近几年占据行业的主导地位。但是由于自身为纯硬件，无操作系统，不具备任何软件的功能，因此面对当今越来越复杂的拼接环境，其已经开始感觉力不从心，其潜力不足的劣势越来越明显。在增值应用开发方面受到其技术结构的限制，困难较多。随着无线预览触控、超高清底图显示、IP视频流综合调度显示、多组大屏协同显示等，诸多应用逐渐成为市场追捧的热点，集中式处理器逐渐丧失了原有的综合优势。

    将来市场上，集中式处理器会不断面对分布式处理器新功能、新体验的挑战。

    第三代——网络分布式处理器

    网络分布式处理器，将图像采集、图像传输和图像显示都通过数字化网络连接起来。使用网络作为大屏幕信号传输载体，结构上允许输入、输出节点在地理上分散开来，具备极大地的灵活性和扩展性。系统具备图像信号多点共享，网络化图像接入/输出，移动终端预览控制等功能。

    结合上两代处理器的优缺点，以及工程中的实际需求。第三代网络分布式处理器应运而生，它弥补了上两代处理器的缺陷，以全新的架构模式为拼接行业打开了一扇通往更高殿堂的大门。

    网络分布式拼接处理器的物理结构如其字面所表达的含义，是以全分散的结构进行工作，同时其通过网络进行数据传输。由输入节点，输出节点和网络交换机组成。输入输出节点的物理位置可以分散在各个地点，数据的处理也分散在各个节点之中，通过网络进行数据的交互，交互机再将这个网络有机的连接，从而实现大屏幕拼接功能。

    分布式拼接处理器因为使用的是网络的码流打包传输方式，即使其采用和第二代相同的FPGA硬件结构，但因为处理对象由原来的整帧图像变为现在的一个数据包形式，对数据传输和处理的对象也会更加准确和高效，从而方便实现最优化的远距离图像分享和综合显示。

    分布式拼接处理器因为其物理结构的分散，从而使工程的灵活性有了质的飞越，既可以运用在小规模项目快速搭建整套系统，并使其拥有可升级扩展的能力，也可以直接应用在大规模复杂工程中，降低工程难度，丰富功能特点。甚至可以将一个复杂工程拆分为多期分段施工，从而解决了施工中的经费问题。

    综上所述，大屏处理器市场成长了二十多年，从PC架构，到集中式架构，到网络分布式架构，其产生时间上虽有先后，但三代产品各有优缺点，不存在绝对的淘汰机制。目前每种架构都有不断的成长空间，但网络分布式处理器在功能、实用和价格三方面上都有其相应优势，随着信息化、网络化快速发展，其将成为市场新宠。