劉清平++劉春++魏流鋒

摘 要：針對多通道投影系統(tǒng)中的融合機(jī)同步性能測試問題進(jìn)行了研究。介紹了多通道顯示系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和融合機(jī)的基本實現(xiàn)原理。提出了一種簡易的融合機(jī)同步性測試方法包括硬件平臺的搭建和軟件實現(xiàn)，并選取兩種不同類型的融合機(jī)進(jìn)行了測試實驗，結(jié)果表明檢測方法有效、簡單，具有良好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：融合機(jī) 同步性檢測 多通道投影

中圖分類號：TP306+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0091-02

隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，可視化技術(shù)取得了巨大進(jìn)步。該技術(shù)大體上可以分為數(shù)值計算和圖像顯示兩個部分。其中數(shù)值計算隨著計算機(jī)處理速度的提高而不斷加快，已經(jīng)不是主要限制；然而由于圖像顯示中的顯示器的分辨率在過去二十幾年里幾乎沒有顯著改善，這已經(jīng)成為限制可視化計算發(fā)展的瓶頸[1-2]。針對這個問題，常見的解決方案是將多臺投影機(jī)組合在一起形成多通道投影系統(tǒng)[3-4]，這樣形成了超大的屏幕甚至環(huán)形幕，球形屏幕。不僅提高了分辨率而且減少了投影機(jī)到投影幕的距離。更高的分辨率能提高畫面的質(zhì)量，從而增強(qiáng)了人的沉浸感[5]；投影距離的縮短不僅能大大節(jié)省空間，降低投影機(jī)使用環(huán)境的建設(shè)成本，而且能縮小像素尺寸，提高清晰度[6]。但隨之帶來了另外一些問題[7-8]，如多屏幕的邊緣融合、色彩校正和幾何校正等問題。處理這些問題的融合機(jī)根據(jù)實現(xiàn)原理的不同可能需要消耗大量的計算機(jī)資源，從而又將帶來圖像顯示延遲或丟幀等新問題。在虛擬現(xiàn)實或增強(qiáng)現(xiàn)實領(lǐng)域有一些對實時性要求很高的應(yīng)用，如軍事戰(zhàn)場模擬[9]或飛行模擬[10]等要求保證60 Hz的刷新頻率。因此，在引進(jìn)或購買這類設(shè)備時，為了滿足應(yīng)用需求，有時需要檢測設(shè)備的同步性[11]，需要簡便易行的方法對融合機(jī)的同步性進(jìn)行測試。目前，尚未見到公開的檢測方法。

針對上述情況，該文提出了一種利用照相機(jī)、顯示器和軟件相結(jié)合對融合機(jī)進(jìn)行同步性檢測的簡便方法。首先設(shè)計融合機(jī)同步性檢測方案，然后進(jìn)行軟件設(shè)計，最后經(jīng)過對兩種典型類型融合機(jī)的測試驗證檢測方法的有效性

1 投影系統(tǒng)的原理與組成

常見的多通道投影顯示系統(tǒng)主要由工作站，融合機(jī)和多臺投影儀組成，如圖1所示。其中融合機(jī)是投影系統(tǒng)的核心部件，其將相鄰?fù)ǖ劳队皺C(jī)投射出來的重疊畫面進(jìn)行邊緣融合處理，并合成出一個沒有縫隙、清晰、超大、高分辨率的整幅畫面，畫面的效果就好像是一臺投影機(jī)投射的畫質(zhì)。它的主要功能包括邊界融合、幾何校正和色彩校正等。根據(jù)融合機(jī)實現(xiàn)的原理可以將融合機(jī)分成兩類：由軟件實現(xiàn)的融合和由硬件實現(xiàn)的融合。

軟融合實際上是利用硬件和軟件相結(jié)合而簡化硬件的方法實現(xiàn)的，這種類型的融合機(jī)的優(yōu)點是研發(fā)費(fèi)用低，價格比純硬件融合器略便宜；缺點是由于存在軟硬件無法完美配合問題，使得二次開發(fā)不能很好與顯卡穩(wěn)定工作，很容易產(chǎn)生程序問題而導(dǎo)致計算機(jī)死機(jī)，所以最大的缺點是不穩(wěn)定，甚至可能出現(xiàn)多通道畫面不同步、丟幀、卡頓和刷新率降低等現(xiàn)象，另外占用大量的CPU和GPU時間，功耗很高。這種類型的融合機(jī)雖然可以節(jié)省部分成本，但程序兼容性差，出現(xiàn)問題的概率大。這種融合機(jī)一般是由普通PC電腦上插若干PC視頻信號采集卡，再配合融合軟件來實現(xiàn)圖像變形和邊緣融合功能。

另外一種是基于單片機(jī)技術(shù)開發(fā)的純硬件融合機(jī)，處理速度快，功耗低，而且穩(wěn)定。這種融合機(jī)一般是定制專用的PCB板卡，實現(xiàn)視頻采集、圖像幾何變形、圖像邊緣融合以及色彩校正。常見的硬件融合機(jī)都是基于FPGA架構(gòu)，配合多級流水管線實現(xiàn)圖像實時存儲和數(shù)學(xué)運(yùn)算。

2 檢測系統(tǒng)原理與組成

為了測試融合機(jī)的同步性能，設(shè)計一個簡易的測試方案。該測試系統(tǒng)主要由工作站，分頻器，融合機(jī)，兩臺顯示器，高頻照相機(jī)等組成，如圖1所示。基本原理是計算機(jī)輸出的同一信號經(jīng)過分頻器分成的兩路，其中一路經(jīng)過待測的融合機(jī)然后輸出到顯示器，作為實驗組；另一路直接輸出到另一顯示器，作為對比組。然后由高頻照相機(jī)用連拍模式[12]同時捕捉兩臺顯示器的畫面。如果融合機(jī)處理存在延遲，則兩臺顯示器顯示畫面將不一致。另外為了排除顯示器不同帶來的誤差的影響，需要將兩臺顯示器對換再進(jìn)行檢測。

3 檢測軟件設(shè)計

為了保證畫面的實時性能，需要投影機(jī)或顯示器的更新頻率為60Hz。這要求計算機(jī)同樣以60Hz頻率產(chǎn)生一個不斷變化的顯示信號。測試軟件采用OpenGL在Visual C++6.0下開發(fā)實現(xiàn)[13-14]。OpenGL工具包直接能訪問系統(tǒng)底層，這樣能最大限度的節(jié)省程序運(yùn)行周期。程序主要包括控制部分和顯示部分。控制部分主要實現(xiàn)程序刷新頻率的控制，基本原理為在程序的循環(huán)顯示部分捕獲當(dāng)前計算機(jī)時鐘的頻率，并與上次循環(huán)時捕獲的頻率相比較，當(dāng)兩者差值約為1/60s時，刷新顯示，否則等待下一次循環(huán)；顯示部分要求更新每次刷新顯示的數(shù)字和數(shù)字的顏色，并且顯示出刷新頻率和周期，便于結(jié)果分析。在Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境下，使用MFC創(chuàng)建基于單文檔的OpenGL應(yīng)用程序，其場景繪制與渲染部分的主要過程如圖1所示。

其中，最關(guān)鍵的是獲取程序兩次刷新的時間間隔。我們采用系統(tǒng)提供的高精度定時器，在定時前應(yīng)該先調(diào)用QueryPerfor

manceFrequency（）函數(shù)獲得機(jī)器內(nèi)部計時器的時鐘頻率。接著在需要嚴(yán)格計時的事件發(fā)生前和發(fā)生之后分別調(diào)用QueryPerfor

manceCounter（），利用兩次獲得的計數(shù)之差和時鐘頻率計算兩次刷新經(jīng)歷的精確時間。主要代碼如下：

OnDraw

{

… …

顯示刷新頻率、周期和測試數(shù)字的偽代//獲取硬件支持的高精度計數(shù)器的頻率

：：QueryPerformanceFrequency（&proc_freq）；

frequency=static_cast（proc_freq.QuadPart）；

//獲取計算機(jī)時鐘計數(shù)值

：：QueryPerformanceCounter（¤t_count）；

//計算兩次刷新的時間間隔

double t=（current_count.QuadPart – last_count. QuadPart） / frequency；

//保存該次刷新“時間”

last_count = current_count；

… …

代碼如下：

//用OPENGL顯示頻率

Print（"f-%fhz"，1/t）； //該函數(shù)為自定義函數(shù)，作用是格式化任意長度字符，并輸出。

//顯示周期

Print（"T-%fs"，t）；/

//顯示刷新數(shù)字

++num；

if（num>9999） {num=0；}

//更新顯示顏色

SetColor（num%3）；

//顯示刷新

Print（"Count-%d"，num）；

… …

}

4 應(yīng)用案例

為了測試這種方案的有效性，我們利用兩種不同的融合機(jī)A和B的同步性進(jìn)行測試，測試系統(tǒng)設(shè)備及被測設(shè)備基本參數(shù)如下：

工作站：型號Dell Precision Workstation 670，CPU主頻3200 HZ；內(nèi)存為ECC REGDDR2，大小4G；顯卡為NVIDIA Quadro fx 3400。

分頻器：型號MT-3502，帶寬350MHz，支持分辨率1920*1440，適用于寬屏液晶顯示器、液晶顯示器。

融合機(jī)A：CXXXX融合機(jī)，其廠家說明書聲稱：滿足每秒60幀處理速度，無延時，無丟幀；滿足基于OpenGL，DirectX 10.0以上圖形標(biāo)準(zhǔn)的實時3D仿真應(yīng)用及數(shù)據(jù)三維可視化服務(wù)。

融合機(jī)B：WXXXX邊緣融合機(jī)，基本特性同融合機(jī)A。

顯示器：要求顯示器的硬件刷新頻率在60HZ以上；選用三星EX2220X

數(shù)碼照相機(jī)：要求曝光時間在1/60s以內(nèi)；選用CANON E600

測試過程：首先檢查實驗環(huán)境，設(shè)定顯卡輸出分辨率等參數(shù)。然后啟動程序，可以觀察到此時的刷新頻率為60HZ。再用高頻相機(jī)同時連拍兩個顯示畫面。

通過分別對融合機(jī)A和融合機(jī)B進(jìn)行測試，采集刷新頻率、周期和同步顯示數(shù)字，分別得到結(jié)果表1和表2。

對融合機(jī)A進(jìn)行測試，由表1得，實驗組為信號經(jīng)過融合機(jī)所采集的數(shù)據(jù)；對比組為信息號不經(jīng)過融合機(jī)直接輸出到顯示器的所采集的數(shù)據(jù)。刷新頻率約為60Hz，刷新周期為0.0166s，實驗組和對比組的計數(shù)差為1或2，平均計算差為1.6。則該融合機(jī)存在約0.03s延遲，同步性差。

對融合機(jī)B進(jìn)行測試，由表2得，實驗組同樣為經(jīng)過融合機(jī)所采集的數(shù)據(jù)；對比組為信號不經(jīng)過融合機(jī)直接輸出到顯示器。刷新頻率越為60Hz，由測試結(jié)果可以看出實驗組和對比組的計數(shù)值完全同步，不存在計數(shù)差，則該融合機(jī)同步性良好

5 結(jié)語

該文提出了一種簡易的融合機(jī)同步性測試的方法，分別從檢測硬件平臺的搭建和軟件實現(xiàn)兩個方面進(jìn)行了論述。其中硬件平臺主要由常見的工作站、分頻器、待測融合機(jī)、兩臺顯示器、和數(shù)碼相機(jī)組成，沒有涉及到特殊的儀器設(shè)備，硬件平臺簡單，有很強(qiáng)的適應(yīng)性；測試軟件采用OpenGL應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，程序最關(guān)鍵的部分是準(zhǔn)確獲取計算機(jī)的時鐘計數(shù)值并計算兩次刷新的時間間隔。最后對市場上兩種常見的融合機(jī)進(jìn)行了測試，驗證了該方法的有效性。該方法結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對融合機(jī)的同步性測試效果顯著，具有很好的應(yīng)用價值。

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