論大屏幕拼接控制系統(tǒng)類型解析

    隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，大屏幕拼接方案越來越多的應(yīng)用在能源、醫(yī)療、交通、軍警公安、智能樓宇、工廠自動化等各行各業(yè)，大屏幕系統(tǒng)的核心——拼接控制系統(tǒng)，也隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，從早期的基于工業(yè)PC架構(gòu)的傳統(tǒng)集中式控制器，逐步發(fā)展到*新推出的分布式架構(gòu)控制系統(tǒng)。

　　綜合整個大屏幕行業(yè)，拼接控制系統(tǒng)大致分為三種類型：集中式、嵌入式、分布式。

　　集中式控制系統(tǒng)

　　集中式拼接控制系統(tǒng)是一種基于工業(yè)計算機(jī)架構(gòu)的串行數(shù)據(jù)傳輸與處理服務(wù)系統(tǒng)，主要由以下系統(tǒng)構(gòu)成：

　　工業(yè)計算機(jī)
　　·主板
　　·CPU處理器
　　·內(nèi)存
　　·硬盤

　　操作系統(tǒng)
　　·Microsoft Windows
　　·Unix/Linux

　　圖形處理模塊
? ·圖形輸出卡
? ·RGB信號采集卡
? ·視頻信號采集卡

　　控制軟件
? ·C/S架構(gòu)
? ·安裝在工業(yè)計算機(jī)和控制端電腦上

　　集中式拼接控制系統(tǒng)的應(yīng)用模式如上圖所示：所有信號源全部接入工業(yè)計算機(jī)采集，所有輸出也全部經(jīng)由工業(yè)計算機(jī)控制，其工作模式即是在工業(yè)計算機(jī)顯示輸出卡上模擬一個電腦桌面，然后將所需信號源在該電腦桌面上開啟窗口；

　　嵌入式控制系統(tǒng)

　　目前，市面上的絕大多數(shù)嵌入式拼接控制系統(tǒng)是一種基于Crossport Switch或Fabric Switch架構(gòu)的集中式控制系統(tǒng)，該架構(gòu)與傳統(tǒng)PC架構(gòu)集中式系統(tǒng)相比，擺脫了系統(tǒng)運(yùn)行對操作系統(tǒng)的依賴，利用新一代開關(guān)器件結(jié)合交叉分組技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中多個點(diǎn)到點(diǎn)的通信鏈路被組織在一起，最終能夠?qū)崿F(xiàn)所有芯片或模塊間的任意互連和并發(fā)傳輸，系統(tǒng)帶寬從而成倍的增加；主要由以下系統(tǒng)構(gòu)成：

? ·標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級大功率電源
? ·圖形輸出模塊
? ·圖形采集模塊（數(shù)字/模擬RGB、標(biāo)準(zhǔn)視頻、高清視頻等）
? ·背板交換模塊（負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的傳輸與處理，類似于矩陣切換）
? ·控制接口模塊
? ·C/S架構(gòu)軟件，安裝于控制電腦上

　　下圖為目前市面上常見嵌入式控制系統(tǒng)所用技術(shù)的示意圖，由芯片系統(tǒng)框圖可以看出，嵌入式架構(gòu)的主要功能集成在交換芯片上，從前端數(shù)據(jù)采集到后端顯示，都是由主芯片控制，在技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn)。

　　分布式控制系統(tǒng)

　　分布式拼接控制系統(tǒng)是一種：基于網(wǎng)絡(luò)交換架構(gòu)的并行數(shù)據(jù)傳輸與節(jié)點(diǎn)化、分散式處理的控制系統(tǒng)，主要由以下組件構(gòu)成：

　　數(shù)據(jù)傳輸與交換系統(tǒng)：核心交換機(jī)
　　信號采集節(jié)點(diǎn)：獨(dú)立、模塊化的數(shù)字/模擬RGB、標(biāo)清視頻、高清視頻、網(wǎng)絡(luò)信號等
　　信號輸出節(jié)點(diǎn)：獨(dú)立、模塊化的數(shù)字/模擬RGB輸出
　　管理服務(wù)系統(tǒng)：標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)計算機(jī)，調(diào)度控制系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)，不進(jìn)行任何視頻數(shù)據(jù)處理
　　控制端：標(biāo)準(zhǔn)PC或手持式無線設(shè)備，進(jìn)行信號調(diào)度與系統(tǒng)管理

　　控制系統(tǒng)方案比較
　　性能：

　　集中式拼接控制系統(tǒng)采用PCI總線串行通訊方式進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的傳輸與處理，按照目前硬件的*高配置——PCI-E 16x的理論*高帶寬為6.4GBps（參見下圖IBM提供的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)）；根據(jù)實(shí)際情況測算，除去自身消耗和編碼損耗，其能提供的實(shí)際帶寬約為4GBps；

　　視頻數(shù)據(jù)量計算公式如下：

　　根據(jù)上述計算公式，計算出常用分辨率視頻數(shù)據(jù)量如下：

　　根據(jù)上述公式推算，基于工業(yè)計算機(jī)架構(gòu)的集中式控制器，其最大極限狀態(tài)下，可以同時處理的視頻數(shù)據(jù)通道數(shù)為：

　　1024×768@60Hz情況下：4G/135M≈29路
　　1920×1080@60Hz情況下：4G/355.96M≈11路

　　基于以上推理和實(shí)際項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，集中式可應(yīng)用的系統(tǒng)規(guī)模極其有限，一般情況下，用在3×3以下的大屏幕拼接墻上，基本可以滿足使用需求；一但系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大，就只能采用降低幀速率或者降低畫面質(zhì)量的方法來實(shí)現(xiàn)基本功能，且視頻流暢度和畫面質(zhì)量隨著視頻數(shù)量的增加成倍下降；

　　分布式架構(gòu)不再局限于PCI帶寬的限制，其每個處理器節(jié)點(diǎn)都采用獨(dú)立的處理芯片（DSP或DSP+FPGA架構(gòu)），在每個獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上設(shè)計成一個獨(dú)立工作運(yùn)行、獨(dú)立信號采集、獨(dú)立數(shù)據(jù)傳輸、獨(dú)立數(shù)據(jù)處理的模塊化架構(gòu)，從硬件架構(gòu)上滿足性能的最優(yōu)設(shè)計，一般分布式的設(shè)計應(yīng)滿足：每個獨(dú)立模塊能夠完全實(shí)現(xiàn)1920×1080@60Hz的采集、傳輸與解碼顯示，其每個模塊都采用DSP+FPGA硬件架構(gòu)設(shè)計，充分利用片上系統(tǒng)（SoC，System on Chip）工作模式的優(yōu)勢，徹底避免了傳統(tǒng)控制方式必須借助第三方系統(tǒng)(Windows/Unix等)進(jìn)行系統(tǒng)處理帶來的系統(tǒng)宕機(jī)、軟件崩潰等常見問題。

　　小結(jié)：

　　穩(wěn)定性：

　　系統(tǒng)擴(kuò)展性：

　　分布式拼接控制系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)的處理與傳輸都通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)傳輸采用并行處理模式，每路信號都單獨(dú)傳輸，互不影響，從而可以充分利用每路網(wǎng)絡(luò)的帶寬；網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的背板帶寬一般大于端口數(shù)量的兩倍，舉例來說，一個48口千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，其標(biāo)稱背板帶寬一般為96Gbps，即可以滿足上下行同時達(dá)到千兆的數(shù)據(jù)處理要求，從理論上來說，分布式拼接控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化傳輸與數(shù)據(jù)處理，已經(jīng)沒有了交換帶寬的瓶頸，可以使數(shù)據(jù)在整個網(wǎng)絡(luò)中暢通無阻；

　　下圖為某個大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)例框架圖，如圖所示，在現(xiàn)實(shí)生活中，成千上萬路網(wǎng)絡(luò)信號的實(shí)時處理和傳輸已經(jīng)廣泛應(yīng)用，例如：某國有大型企業(yè)的公共網(wǎng)絡(luò)平臺，或者集團(tuán)公司總部與各地市子公司、分公司的VPN網(wǎng)絡(luò)，都是成熟的應(yīng)用；

　　作為分布式拼接控制系統(tǒng)的核心，網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，而分布式拼接控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)配置的唯*要求即是：隨處可達(dá)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，基于上述觀點(diǎn)：我們可以得出以下結(jié)論：分布式系統(tǒng)在系統(tǒng)建設(shè)、系統(tǒng)擴(kuò)展與規(guī)模能力上，具有傳統(tǒng)集中式，嵌入式等系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。