基于FPGA的大屏幕多投影无缝拼接系统的设计研究

摘要

大屏幕多投影无缝拼接系统在大型场馆展览、交通指挥调度、公共安全管理、能源资源监控等领域有着广泛的应用，它通过几何校正、边缘融合、颜色校正等技术，将多台投影机的投影画面无缝拼接在一起，在大屏幕上组成一个完整的超大画面，可以同时显示更多的信息，还可以给观众带来更强的沉浸感以实现虚拟现实。
　　目前市场上的大屏幕多投影无缝拼接系统型号很多，但无论哪一种方案，视频处理设备的成本和价格都居高不下，而且其功耗也都较大，不利于面向大众化的推广普及。
　　本论文通过研究现有各多投影无缝拼接方案的优缺点以及拼接融合算法，提出了一种基于FPGA的大屏幕多投影无缝拼接系统，并设计制作了专用的视频处理硬件设备，在实现投影画面无缝拼接融合的同时，还可以实现低成本和低功耗。
　　本文的主要工作及创新点包括:
　　1.提出了一种基于FPGA的大屏幕多投影无缝拼接系统方案，设计了“软件预处理”和“硬件实时拼接融合”分步式的工作模式;
　　2.研究了大屏幕多投影无缝拼接系统所用多投影拼接融合算法，根据FPGA的特性对硬件实时拼接融合所需算法进行了近似处理，并根据处理后的算法制定了参数文件的数据格式，使得软件预处理阶段和硬件实时拼接融合阶段有了一个过渡的桥梁;
　　3.设计制作了基于FPGA的零阶插值和双线性插值两款拼接融合器，可实现对一路高清视频信号进行实时拼接融合处理，然后输出两路经过处理的视频投影信号;
　　4.设计制作了一款基于FPGA的图像分割器，可实现对一路高清视频信号的分割处理，并输出三路分割后的视频信号;
　　5.利用所设计制作的拼接融合器和图像分割器，设计实现了1×2两投影、1×4四投影、1×6六投影、2×2四投影和2×3六投影这5种大屏幕多投影无缝拼接方式，具有体积小、成本低、功耗低的优点。

目录

声明

致谢

摘要

缩略词表

1 绪论

1．1 大屏幕拼接显示技术简介

1．2 多投影无缝拼接基本原理

1．3 多投影无缝拼接技术发展现状

1．4 本文主要工作和论文框架结构

1．5 本章小结

2 基于FPGA的多投影无缝拼接系统工作原理

2．1 基于FPGA的多投影无缝拼接系统基本架构

2．2 易拼多显示系统简介

2．3 拼接融合算法及其近似处理

2．3．1 几何校正

2．3．2 边缘融合

2．3．3 颜色校正

2．3．4 算法的近似处理

2．4 算法的实施与参数文件

2．4．1 算法的实施

2．4．2 软件预处理阶段的拼接融合数据

2．4．3 硬件实时拼接融合阶段的参数文件

2．5 本章小结

3 拼接融合器的设计与实现

3．1 基于Spartan-6 FPGA的零阶插值拼接融合器

3．1．1 视频信号的传输与标准

3．1．2 FPGA外围电路模块设计与元器件选型

3．1．3 FPGA的功能模块设计与芯片选型

3．1．4 板级框架设计与实现

3．2 基于Anix-7 FPGA的双线性插值拼接融合器

3．2．1 FPGA外围电路模块设计与元器件选型

3．2．2 FPGA的功能模块设计与芯片选型

3．2．3 板级框架设计与实现

3．3 本章小结

4 图像分割器的设计与实现

4．1 图像分割器的功能定义

4．2 FPGA外围电路模块设计与元器件选型

4．2．1 HDMI信号的接收

4．2．2 HDMI信号的发送

4．2．3 HDMI编解码芯片的初始化

4．3 FPGA的功能模块设计与芯片选型

4．3．1 FPGA功能模块框架

4．3．2 视频数据接收模块

4．3．3 分割视频生成模块’

4．3．4 FPGA芯片的选型

4．4 板级框架设计与实现

4．5 本章小结

5 多投影系统的实现与验证

5．1 1×2两投影拼接系统

5．2 1×4和2×2四投影拼接系统

5．3 1×6和2×3六投影拼接系统

5．4 其他测试与对比

5．4．1 不同像素插值方法的效果对比

5．4．2 功耗与成本

5．5 本章小结

6 回顾与展望

6．1 本文工作回顾

6．2 未来工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果