基于Android的大屏幕拼接顯示系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

郭小琴

摘要：隨著嵌入式硬件大屏幕拼接技術(shù)、多屏圖像處理技術(shù)、信號(hào)切換技術(shù)等電視幕墻相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，液晶拼接顯示系統(tǒng)已演變?yōu)橄虼笮突?、高清化和智能化方向發(fā)展。為了大屏幕拼接顯示器在市場(chǎng)上應(yīng)用更具有易維護(hù)、開放性和可擴(kuò)展性，提出了一款智能設(shè)計(jì)方案。根據(jù)大屏顯示的特性提出了總體設(shè)計(jì)框架，采用分模塊的線路設(shè)計(jì)，提出多核CPU搭載圖像處理器方案顯示系統(tǒng)硬件平臺(tái)，給出選型芯片及要實(shí)現(xiàn)的接口和功能，實(shí)現(xiàn)拼接顯示器的智能化，使用戶的使用更智能更靈活。

關(guān)鍵詞： 大屏幕拼接顯示器；智能

中圖分類號(hào)：TP33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）31-0038-02

大屏幕拼接顯示技術(shù)廣泛應(yīng)用于安全防范、調(diào)度指揮、廣播電視、廣告?zhèn)髅郊皵?shù)學(xué)演示等領(lǐng)域，隨著國(guó)家對(duì)三網(wǎng)整合的大力推進(jìn)，智能大屏板幕顯示技術(shù)成為發(fā)展趨勢(shì)。因Android系統(tǒng)具有開放性，廣泛應(yīng)用于平板計(jì)算機(jī)、智能電視和機(jī)頂盒領(lǐng)域。故基于Android系統(tǒng)，結(jié)合大屏幕拼接顯示的特點(diǎn)，提出一款智能化的拼接顯示器的設(shè)計(jì)方案。該方案采用多核中央理器（CPU）搭載圖形處理器（GPU），滿足大屏幕拼接顯示的多接口應(yīng)用同時(shí)實(shí)現(xiàn)了智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)現(xiàn)狀

近幾年隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大屏幕拼接顯示系統(tǒng)主要應(yīng)用于商業(yè)廣告、體育場(chǎng)館、創(chuàng)意顯示、交通誘導(dǎo)、博覽演藝、會(huì)議顯示、指揮控制等各類民用或者商用顯示設(shè)備中[1-2]。

據(jù)NEC官方評(píng)估，2009年至2017年間，國(guó)際市場(chǎng)上液晶拼接顯示產(chǎn)品銷售量將由72.9萬臺(tái)猛增到415.6萬臺(tái)，年復(fù)合增長(zhǎng)率為24%，而其銷售額也將由15.56億美元增至70.2億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為21%，尤其大尺寸產(chǎn)品將占據(jù)越來越大的市場(chǎng)份額，到2017年60英寸以上的大尺寸產(chǎn)品銷售量和銷售額，將分別達(dá)到20%和50%以上，市場(chǎng)前景巨大[3]。液晶拼接墻將讓企業(yè)的產(chǎn)品或形象讓在公眾面前得到完美的體現(xiàn)，必給企業(yè)帶來了良好效益。

隨著嵌入式硬件大屏幕拼接技術(shù)、多屏圖像處理技術(shù)、信號(hào)切換技術(shù)等電視幕墻相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，液晶拼接顯示系統(tǒng)已演變?yōu)橄虼笮突?、高清化和智能化方向發(fā)展[4]。

在智能化方面，各研究機(jī)構(gòu)和商家都投入了拼接顯示系統(tǒng)各功能的研究，并在起步且迅速發(fā)展階段。大屏幕拼接顯示器比一般民用產(chǎn)品提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)要求，要求系統(tǒng)具有易維護(hù)、開放性和可擴(kuò)展性[5]。大屏幕拼接顯示器的應(yīng)用環(huán)境較為嚴(yán)苛，很多應(yīng)用都需要連續(xù)24小時(shí)不間斷工作，其系統(tǒng)應(yīng)便于診斷故障和更換部件，以縮短維護(hù)時(shí)間，這就要求系統(tǒng)應(yīng)盡量采用模塊化、智能化設(shè)計(jì)來達(dá)到易維護(hù)性；同時(shí)大屏幕拼接系統(tǒng)應(yīng)遵循開放系統(tǒng)的原則，系統(tǒng)除了可以直接接入VGA、RGB、視頻信號(hào)外，還應(yīng)可以接入網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，能隨時(shí)對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行切換及動(dòng)態(tài)綜合顯示，給用戶提供一個(gè)交互式平臺(tái)；系統(tǒng)應(yīng)有增加新設(shè)備和新功能的能力，比如嵌入式箱體結(jié)構(gòu)以及積木式大屏幕拼接，使得硬件擴(kuò)充變得非常簡(jiǎn)單。同時(shí)，軟件也只需要進(jìn)行擴(kuò)容和升級(jí)就可以滿足要求，而不必修改源程序。系統(tǒng)硬件和軟件部分都能夠方便的“與時(shí)俱進(jìn)”。

2 研究的理論與實(shí)際意義

常規(guī)的大屏幕顯示系統(tǒng)上顯示的只是視頻接入信號(hào)，靜態(tài)的圖片結(jié)果或簡(jiǎn)單的圖表，在當(dāng)今智能和網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，我國(guó)自主研發(fā)面向大屏幕的智能顯示系統(tǒng)，有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。智能化的應(yīng)用讓系統(tǒng)功能更加豐富的同時(shí)，讓操作和維護(hù)變得更加簡(jiǎn)單，將有助于大屏顯示系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用與推廣[6]。

Android[7]系統(tǒng)是以Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)，其上層開發(fā)主要基于Java語言進(jìn)行的。Android 系統(tǒng)作為智能手機(jī)主要平臺(tái)之一，其運(yùn)用越來越廣泛。Android的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)超出單純的智能手機(jī)操作系統(tǒng)，其已經(jīng)在平板計(jì)算機(jī)、智能電視和機(jī)頂盒等方面拓展了大規(guī)模應(yīng)用[8-9]。Android本身是為手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，對(duì)大屏幕、高清化應(yīng)用的支持度不夠，應(yīng)用開發(fā)者開發(fā)時(shí)需要注意到這類問題[10]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以大屏幕為代表的公共顯示器成為城市發(fā)展過程中的一道風(fēng)景。由于Android系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，以及它的普及性和市場(chǎng)潛力，大屏幕拼接顯示器在發(fā)展的過程中與Android系統(tǒng)的聯(lián)系性必然十分緊密。如何將Android系統(tǒng)和傳統(tǒng)的大屏幕拼接顯示技術(shù)結(jié)合在一起，并在智能系統(tǒng)研究真正定時(shí)接入數(shù)據(jù)庫，方便定時(shí)更新顯示內(nèi)容是現(xiàn)有的市場(chǎng)需求，值得去探索完成。

3 研究?jī)?nèi)容

本文提出采用多核CPU搭載圖像處理器方案，設(shè)計(jì)大屏幕拼接顯示器硬件系統(tǒng)，并在線路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上移植Android操作系統(tǒng)和設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)拼接顯示器的智能化。具體內(nèi)容如下：

設(shè)計(jì)智能拼接顯示硬件系統(tǒng)，主要有：圖像處理IC和Android IC IO口設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)，如電源、信號(hào)輸入輸出、顯示、通訊、儲(chǔ)存、SD Card、USB等線路； 圖像處理IC與Android IC兩者接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)兩者通訊協(xié)作、信號(hào)傳輸； USB接口及USB Switch IC線路設(shè)計(jì)，用USB接口實(shí)現(xiàn)Android調(diào)試、軟件升級(jí)、對(duì)外設(shè)備供電和多媒體內(nèi)容輸入； 信號(hào)和指令輸入輸出模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)和指令菊花鏈設(shè)計(jì)，用于電視墻拼接，實(shí)現(xiàn)更大屏幕顯示功能，如圖1所示；系統(tǒng)電源與Android 電源管理芯片線路設(shè)計(jì)。

在線路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，分析Android系統(tǒng)的源碼框架、啟動(dòng)流程和多核CPU平臺(tái)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)已有的硬件驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)用和Android操作系統(tǒng)的移植。主要的底層驅(qū)動(dòng)包含：WLAN，WIFI，SD Card， USB， DDR， Input， Output模塊等底層驅(qū)動(dòng)。

該系統(tǒng)由多核CPU和圖像處理器兩顆主芯片搭建而成，每個(gè)芯片有獨(dú)立的控制軟件在運(yùn)行，但兩者工作又密不可分。多核CPU接收多媒體或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容經(jīng)過解碼后數(shù)據(jù)提供給圖像處理器處理顯示；圖像處理器在開機(jī)或用戶交互操作中負(fù)責(zé)喚醒多核CPU工作。芯片間交互通訊方式、通訊協(xié)議和運(yùn)作流程，實(shí)現(xiàn)兩芯片間正常地交互工作。主要內(nèi)容有：通訊協(xié)議和內(nèi)容定義，具體有Android工作狀態(tài)定義和回饋、開關(guān)信號(hào)源、切換信號(hào)源等通訊指令內(nèi)容定義；定義兩顆芯片各功能協(xié)作流程圖，如下圖2示意。

4 技術(shù)線路

對(duì)比市面上現(xiàn)有的大屏幕拼接顯示器與普通家用顯示器的差異，采用普通家用顯示器目前比較成熟的圖像處理芯片的基礎(chǔ)上對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展。本方案擬選用可以支持DVI/DP信號(hào)輸入輸出的MST圖形處理芯片和可以支持Android操作系統(tǒng)的瑞芯微芯片負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)信息處理及智能功能相關(guān)，顯示系統(tǒng)采用LCD Panel作為顯示器件，提升性價(jià)比與競(jìng)爭(zhēng)力。

采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，將系統(tǒng)主要分為圖形處理芯片模塊、智能處理模塊、信號(hào)輸入與輸出模塊、電源模塊以及音頻輸入與輸出模塊等幾大模塊進(jìn)行研究[13-18]，最后進(jìn)行整合。

在主控芯模塊上，擬選用MST公司的MST9xxxvx圖像處理芯片，該芯片內(nèi)部集DP/DVI/HDMI多功能數(shù)碼接口引擎，支持DP1.2和高分辨率4096×2160；智能處理芯片擬選用支持10M/100M RMII以及網(wǎng)接口和H.264解碼等功能的瑞芯微芯片；選用這兩顆芯片并結(jié)合大屏幕拼接墻顯示屏需求設(shè)計(jì)軟硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖3所示。

其中，智能處理模塊實(shí)現(xiàn)，擬采用如下圖4設(shè)計(jì)方案，支持SD Card、WIFI和USB輸入。電源管理芯片根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)切換不同的模式使得系統(tǒng)的功耗降到最低；USB輸入設(shè)計(jì)讓系統(tǒng)支持實(shí)現(xiàn)Android調(diào)試、軟件升級(jí)、對(duì)外設(shè)備供電和多媒體內(nèi)容輸入。

5 結(jié)論

采用雙芯片設(shè)計(jì)制作信號(hào)處理主板， 圖像處理芯片可以解碼DP/HDMI/DVI/VGA等市場(chǎng)主流的高分辨率視頻信號(hào)，支持信號(hào)位置調(diào)整、增益、多圖像窗口、高圖像質(zhì)量和縮放等功能調(diào)整；智能處理芯片可以裝載操作系統(tǒng)，播放USB和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)多媒體文件，支持用戶安裝和卸載APK，方便擴(kuò)展升級(jí)實(shí)用功能。在此線路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上移植Android操作系統(tǒng)，根據(jù)拼接系統(tǒng)顯示用戶需求，開發(fā)應(yīng)用端功能，讓用戶通過互聯(lián)網(wǎng)更新顯示內(nèi)容變得簡(jiǎn)單快捷，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂偉振.大屏幕超薄投影顯示技術(shù)的研究：[D].吉林：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2014.

[2] 俞劍峰.A公司浙江市場(chǎng)大屏拼接系統(tǒng)營(yíng)銷策略研究[D]. 浙江工業(yè)大學(xué)，2014.

[3] 呂熊.基于DisplayPort的大型液晶拼裝墻系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014，6（11）：124-125.

[4] 黃春龍.大屏幕拼接產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)公共安全，2013，20：97-99.

[5] 賀小花.大屏幕拼接顯示系統(tǒng)呈智能化集成化發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)公共安全，2014（11）.

[8] 劉文志，宋戚，高林，等.DLNA智能家庭網(wǎng)絡(luò)互操作性探討[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2009，（4）：35-38.

[6] 王明珠.2012年安防大屏拼接市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)展望[J].中國(guó)安防，2012（1）：79-81.

[7] 楊豐盛.Android技術(shù)內(nèi)幕：系統(tǒng)卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2011：188-200，223-234.

[8] 邵琳偉，潘國(guó)峰，等.機(jī)頂盒無線音頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2012，36（24）：43-45 ，60.

[9] 楊雙翼.智能電視的發(fā)展與專利狀態(tài)分析[J].電視技術(shù)，2013，37（S2）：1-2.

[10] 陳磊. 智能電視終端資源管理及服務(wù)性能優(yōu)化的研究[D]合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué).士 2013.