一种基于网络技术的LED大屏显控系统

◆武 攀 赵振凯



一种基于网络技术的LED大屏显控系统

◆武 攀 赵振凯

(中国电子科技集团公司第二十八研究所 江苏 210007)

本文针对会议场所、指挥控制中心的视频显控需求，设计了一种基于网络技术的LED大屏显控系统；并将此系统应用于工程建设中，为会议场所、指挥控制中心的大屏显控系统的设计与建设提供参考。

IP化视频传输；LED大屏；图像处理

0 前言

在现代会议中心、指挥控制中心的信息系统建设中，音视频系统已成为不可或缺的重要组成部分。大型项目中，音视频系统的建设经费常占据整个信息系统建设费用的40%~50%，甚至更高。大屏显控系统因其传递直观视觉信息，在音视频系统中占据重中之重的地位。以往大屏显示采用投影机拼接融合、液晶拼接等技术。近年来，由于小间距LED显示技术的发展，LED显示屏成为设计会议场所、指控中心显示墙的一个选项。本文基于网络化传输与控制技术，设计了一种LED大屏显控系统，并将此系统用于会议场所、指挥控制中心的工程建设中。

1 LED屏显示原理

LED显示技术原理：

我们常用的液晶显示器的技术原理是：液晶本身不发光，光源来自于显示器中的背光灯。液晶分子的排列在电场作用下发生变化，通电时排列有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。液晶显示器在显示视频时，先显示第一行像素并保持状态，接着显示第二行像素，并保持前两行像素的状态，接着显示第三行像素，保持前三行像素的状态……直到显示最后一行，一帧的画面显示完毕。

如图1所示为液晶显示器的组成方框图。图中，电源板将交流电输入经过AC-DC转换，向驱动板、液晶屏、高压板等电路提供工作所需的直流电压。高压板将直流电转为交流高压电，使背光灯工作。驱动板包括MCU和图像处理电路：MCU根据键控板上传送的信号，控制整个显示器的开启、关闭、亮度调节、对比度、色彩饱和度等；图像处理器的作用是对图像缩放处理，将从视频接口接收的各种分辨率的视频信号转为驱动液晶屏显示的信号，还可根据MCU的控制指令，改变视频的显示效果，如缩放、画中画、色彩调节等。液晶屏为显示图像的主体。

图1 液晶显示器组成方框图

现在常见的LED液晶显示器，这里的LED指的是液晶显示器背光灯部分采用发光二极管（LED），而不是以前的冷阴极荧光灯管（CCFL）作为背光光源。所以，LED液晶显示器并非像LED显示屏那样采用发光二极管作为像素单元。

不同于液晶显示器，LED显示屏屏体部分由许多发光二极管组成。首先将发光二极管集成像素，像素再集成模块，模块再组装成大屏。显示画面时，LED模块显示一行发光二极管，接着点亮下一行LED……直到点亮最后一行LED。但是与液晶显示器不同的是，LED屏显示画面时，上一行的发光二极管点亮的状态不能持续保持，当点亮下一行发光二极管时，上一行的发光二极管就已经“熄灭”，所以LED屏的刷新频率非常高，通常为120Hz、240Hz等，才能使人眼感觉看到一幅完整的画面。刷新频率越高，图像显示越稳定。

如图2所示为LED拼接大屏的组成方框图，主要包括供电单元、控制终端、图像处理单元和LED屏体。供电单元类似于液晶显示器中的电源板和高压板，为LED屏体提供工作所需的电能。LED屏的耗电与面积成正比，一般作为显示墙的LED拼接屏的面积打几十平方米。功耗在千瓦级，因此在设计时通常配置专用的配电箱向LED屏体供电。控制终端类似于液晶显示器中驱动板上的MCU，向用户提供人机界面，根据操作输入控制LED屏的开关、显示等。图像处理单元通常包括图像拼接处理器、视频转换器等设备，类似于液晶显示器驱动板上的图像处理电路，接收各类视频源的信号，并根据控制终端的指令，实现图像的拼接、开窗、缩放等处理，转为驱动LED屏显示的信号。作为显示墙的LED屏，显示面积较大，展示的信息内容丰富，方式多样，所以在图像处理单元需用高性能图像拼接处理器实现。类似于液晶显示器中的液晶屏，LED屏体为显示图像的主体。

图2 LED拼接大屏组成方框图

对比液晶拼接屏、投影机等显示设备，LED屏具有亮度高、对比度高、色彩艳丽、响应速度快、寿命长等优点。和液晶拼接屏相比，LED拼接屏的拼缝较小，亮度高、色彩一致性好。和投影融合拼接屏相比，虽然投影融合能实现无缝拼接，但是亮度和色彩逼真度不如LED拼接屏，而且融合带的调试过程较繁琐，在使用过程中，需要定期更换灯泡、调整融合带。即使使用激光投影机，寿命也远小于LED屏。在户外，因为亮度高、可靠性高，常采用LED屏作为信息板、广告牌、告示牌。作为信息显示手段，LED屏在金融证券、体育、交通、商业、广告宣传、邮电电信、国防军事等许多领域得到广泛应用。随着小间距LED技术的发展，在会议中心和指控中心的建设中，也越来越多地采用LED拼接大屏作为主要显示设备。

2 系统设计

2.1系统整体设计

基于网络技术，设计一种适合室内大型会议场所、指挥控制中心使用的LED大屏显控系统。采用分布式传输视频信号和网络化控制的方式，设计的LED大屏显控系统包括以下部分：网络、LED屏体、图像处理单元、供电单元、网络视频传输子系统、控制终端。如图3所示为系统组成框图。

图3 系统组成框图

图3中，控制终端、供电单元、图像处理单元、网络视频传输子系统都接入网络，网络是各部分交互信息的基础环境。控制终端通过网络控制供电单元，从而控制LED屏的开启与关闭；通过网络控制图像处理单元，从而控制LED屏显示画面的样式，如多屏显示、全屏显示、开窗显示等；网络视频传输子系统通过网络向图像处理单元传输各类视频信号，同时也通过网络和控制终端通信，接受控制终端的控制，实现视频的调度切换。图3和图2相比，在图3中控制终端、供电单元、图像处理单元通过通网络交互信息，而不是像图2中那样直连，这是考虑到会议场所、指控中心的场地较大，采用网络化控制的方式可不受距离的限制；图2中的视频源改为图3中的网络视频传输子系统，采用网络化分布式技术使视频系统的扩展和接入更加方便。

2.2 LED大屏和供电设计

LED拼接大屏由若干箱体拼接而成，箱体的宽高比常见有16:9和4:3两种。选择和设计LED大屏时，需综合考虑场地尺寸、用户需求、经费等因素，在多个选项之间折衷。LED大屏的造价与屏体的规格和大屏的整体面积直接相关。屏体的规格主要是由像素的间距决定。像素间距越小，价格越高。LED大屏的整体面积越大，造价越高。由观看者与屏面的距离，决定了LED屏的规格和面积。当观看者距屏面一定距离时，由人眼的分辨力，像素间距需小于某一数值，才可使观看者不能察觉到屏面的颗粒感。一般计算时，设人眼极限分辨力为1弧分，由观看者距屏面的距离，求出LED屏像素的间距。观看者距屏面的距离在屏高的2.5倍至4倍之间较佳，由此可确定屏的高度。

不同像素间距的LED屏，功耗不同。像素间距越小，单位面积上的发光二极管数目越多，因此单位面积的LED屏耗电越高。比如，像素间距1.6毫米的LED屏每平方米耗电800瓦，乘以屏的面积可得耗电估计值。一般，30平方米的LED拼接屏功耗为20~30千瓦，通常为LED屏单独配置一个配电箱供电。通过网络控制LED屏的开关，则需将配电箱接入交换机。可在配电箱中设计安装网络模块，网络模块上具有网络接口，根据从网口接收的开关机命令，控制配电箱的断路器的闭合与断开，从而实现LED屏的开启与关闭。

2.3图像处理单元的设计

作为会议中心、指控中心的主显示墙，LED大屏上需实现多屏显示、开窗显示等效果。LED大屏显示系统中的图像处理单元用来辅助实现大屏上的多画面显示，通常包括高性能图像拼接处理器和视频格式转换设备：图像拼接处理器接收各种分辨率、各种接口的视频信号，经过多种处理、计算步骤，输出固定分辨率的信号，并由视频格式转换设备将视频信号转为可以驱动LED箱体显示的信号。

图像拼接处理器和视频格式转换设备具有网口，可通过网络接收控制命令，从而实现多屏、开窗显示等模式的调用。

2.4网络视频传输子系统设计

网络视频传输子系统采用分布式的网络化视频传输设备，将不同分辨率、不同接口的视频源信号压缩编码，构成数据包在网络上传输。该子系统包括服务器、视频编码器和视频解码器。视频编码器将各类视频源信号压缩编码数据包，受服务器的控制，传输至视频解码器。视频解码器将收到的数据包解码成视频信号传输至图像处理单元，作为图像处理单元的视频信号源。

2.5控制终端设计

在控制终端上安装LED屏系统显控软件，提供良好的人机交互界面，方便操作人员通过网络实现对LED大屏系统的集中控制。LED屏系统显控软件包括对供电单元、图像处理单元和网络视频传输部分的控制软件，分别实现LED大屏的开关控制、LED屏显示画面的模式控制和显示画面的调度切换控制。

2.6系统连接图

由上所述，将图3的系统组成框图细化，得到如图4所示的系统连接图。

图4系统连接图

图4中，由多台交换机构成的局域网对应图3中的网络部分，是网络化LED大屏显控系统信息交互的基础环境。

LED屏体部分由24列×8行的箱体构成，箱体的宽高比为4:3，每个箱体的视频输入信号为LVDS信号。

图像处理单元由一台视频控制器、若干台DVI分配器和LED控制器构成。视频控制器为一台高性能图像拼接处理器，安装在机房中，根据需要可配置DVI输入板卡、SDI输入板卡、HDMI输入板卡、VGA输入板卡等，接收各种分辨率和接口的视频信号，并经过图像拼接处理、计算，输出DVI信号。DVI分配器和LED控制器安装在屏体附近，将视频控制器输出的DVI信号转为LED屏箱体可接收的LVDS信号。考虑到视频控制器和屏体的距离较远，在视频控制器和DVI分配器之间设置DVI光端机，以光纤为介质长距离传输DVI信号。视频控制器上配有网口，通过网络接收控制命令，实现开窗显示、多屏显示、整屏显示等模式调用。LED控制器也接入网络中，向控制终端反馈LED屏箱体的状态信息，并接受控制命令调节LED屏显示亮度。

供电单元由配电箱构成，配电箱中安装具有网口的PLC模块。PLC模块通过网络接收指令，控制配电箱里断路器的闭合与断开，从而实现开启或关闭LED屏体的功能。

网络视频传输子系统由编码器、DVI解码器、视频调度服务器组成，各设备均接入网络中，构成网络化的分布式视频传输系统。编码器可根据需要配置各种接口的高清、标清视频编码器，将各种视频源信号转为网络数据包，通过网络传输至解码器。解码器将数据包转为DVI信号输出接至视频控制器。通过视频调度服务器，将编码器所接的视频源信号送至解码器，从而实现在LED大屏上视频切换。

设置一套接入网络的集中控制台作为控制终端，实现LED大屏系统控制的网络化。集中控制台上安装的软件包括LED屏控制软件、视频控制器软件和网络视频调度软件。LED屏控制的软件可以向配电箱中的PLC模块发送指令，从而控制LED屏的开启与关闭；通过向LED控制器发送命令，可调节LED屏显示亮度、色彩、白平衡等参数，从LED控制器反馈的信息可查看LED箱体的状态信息。通过可视化的视频控制器软件，在集中控制台上可以实时监控LED大屏显示的效果，实现任意分辨率、任意视频源的布局、拼接、拆分、叠加、开窗显示、对显示屏场景进行离线/在线编辑、场景预设、场景调用等操作。网络视频调度软件与视频调度服务器中安装的软件通信，控制编码器与解码器的数据传输，从而实现视频调度切换。在集中控制台上的网络视频调度软件采用可视化方式编辑大屏布局，用拖拽方式实现视频切换、预监输入视频信号、计划导播、临机导播等功能。此外，LED大屏系统控制软件包括多用户管理和日志管理：多用户管理支持权限分级，不用用户按级别赋予不同的权限，实现人员、岗位的管理；日志管理可记录、查询用户操作，做到操作可追溯。由此保证网络化LED大屏显控系统的使用安全性和可靠性。

3 小结

构建网络化大屏显控系统时需注意，网络化分布式视频传输子系统对网络的带宽要求较高，对交换机的交换能力要求严格，需采用经过严格测试筛选出来的型号。并且，分布式视频传输系统运行的是专用的网络传输协议，虽然使用的是标准的网络交换机，但是不建议将其他通往网络设备接入此交换机。因此，可将控制部分和视频传输部分的分别接入不同的交换机。和HDbaseT技术、光纤传输等技术相比，网络化分布式传输子系统传输的视频画面经过压缩编码、解压缩解码，画质不如前两者，但是将视频IP化后，可作为一种数据资源使用，嵌入软件中，使视频的展现形式更加丰富。

本文基于网络技术，结合LED大屏显示系统，所构成的网络化LED大屏显控系统，已在工程实践中已采用并将推广，取得了一定的经济效益和社会效益，对会议场所、指控中心中音视频大屏显控系统的建设具有一定指导意义。

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