基于业务模块应用逻辑构建的云拼接大屏显示系统的制作方法

本发明涉及大屏幕显示领域，特别涉及一种基于业务模块应用逻辑构建的云拼接大屏显示系统。

背景技术：

随着多媒体技术的迅猛发展，大屏幕拼接显示系统成为很多业务的集中显示平台，为营运、指挥、决策提供显示综合功能；系统由多块dlp或lcd、led等显示单元拼接而成，集大量的图像信息显示于一体，提供灵活的大画面显示，在各行业应用非常普遍。

目前此领域对于显示内容信号的处理普遍采用的是基于x86、嵌入式fpga或分布式编解码为主要手段的拼接显示控制器。由于传统x86方案设备输出输出端口扩展能力受系统总线限制无法满足大数量的接入与输出信号的需求；嵌入式方案虽然端口扩展能力大为增强并且效率执行较高，但常见多用于单一的物理采集信号端口形式，但对于用户多种信号内容以多种方式(视频、图片、流媒体。web、定制化应用等)接入形式支持不好，难以有效减少信号源端内容操作；而最近一段时间比较流行的分布式方案，主要是通过有损或无损编解码方式完成信号采集和传输，组网灵活的同时也不可避免降低了用户的信号品质，或者对于传输网络有着严格的要求而不得不新建一套专用网络，很难利用现有网络达到稳定兼顾画质的效果。随着数字化信息显示技术的不断发展，各个行业对大屏幕显示的非标准分辨率的定制新号要求的增加，对高清晰、超大场景展示要求的增加，上述几种单一的控制器系统方案逐渐不能全部满足用户新的要求。

如图1所示，在传统视频控制系统结构中，所有的输入图像都必须接入视频控制器中，所有的输出图像由视频控制器输出。该种处理方式的核心部件为多屏处理器(图像拼接器)，该种设备多为纯硬件结构设计，无操作系统。整个大屏显示图像的信号采集、解码、拼接输出工作均集中在图像拼接器中完成，系统可扩展性差，多台控制器设备之间信号共享困难，受物理线路限制，操作及调度灵活性不高。

而传统分布式经过把所有型号提前全部编码的方式实现了ip传输，使用相对灵活，但不可避免降低了信号质量，对传输网络要求比较严格，同时由于后端基本采用分布式的多终端处理，信号整体显示的同步性一直是难以避免的困难，目前仍没有很好地解决方法解决在多个输出终端负载不均衡时的同一信号源的显示同步问题。此种模式还很难满足大分辨率及特殊分辨率的的输入的编解码及显示同步问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于业务模块应用逻辑构建的云拼接大屏显示系统，该系统采用多种业务处理模块并行计算(即“云”计算)与操作技术，综合利用x86。嵌入式及分布式节点各自的优点，将超高清晰度显示大屏幕进行业务模块集群化，创新性地提高了系统对各类海量信息展示、处理、分析及管理能力，形成一个高性能的信息处理、分析、管理及信息展示与控制的综合信息中心。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

该基于业务模块应用逻辑构建的云拼接大屏显示系统包括多台显示器(分布在不同地点的拼接显示墙及独立的大尺寸显示设备)、多台分布式云拼接控制器(集中式及分布式节点)、交换机、管理平台服务器以及系统软件，多台显示器构成拼接墙及分布在不同地点的显示设备；交换机通过级联构成局域网，提供数据和控制命令的传输通道，构成ip网络的架构核心，管理平台服务器接入网络并对显示信号进行调度控制；多台分布式云拼接控制器接入相应层级的交换机，并通过视频连接线(视频连接线可以是射频rf线、rgb分量线、vga线、dvi线、hdmi线、dp线、sdi线或其他种类的视频线)与相应的显示器连接，云拼接控制器采用专用交换总线底板并配备arm/x86处理器及fpga处理电路。

优选的，所述显示器可以是超窄边液晶纯平显示器，图像显示无曲线失真，平整如一，单屏分辨率达1920×1080或更高，屏幕分辨率高、超薄超轻，可广泛应用于多种公共场合；显示器也可以是lcd、led、mpdp、dlp、投影仪等其他显示单元。

优选的，所述分布式云拼接控制器是专业高性能控制器，采用分级控制的方式进行配置，即主节点控制器向子节点控制器发出指令，其中作为子节点的每台分布式云拼接控制器作为一个单独的节点控制器常规可连接4或8个显示单元，如用户需要，可进行扩展，扩展数量为4的整数倍，也可用于单独的或者有特殊分辨率输入的显示设备或者采集设备。分布式拼接控制器具有视频解码/解码功能及存储单元，用于媒体进行存储，也可以直接进行业务计算显示(视频、图片、流媒体。web、定制化应用等)。

优选的，所述系统软件包括系统平台及接口、数据库系统、大屏控制及管理软件、大屏显示软件、客户端管理软件、客户端视频发送软件、音视频传输控制软件等；用户管理软件可安装于系统网络内的任意一台拼接控制器，构成大屏管理服务器，通过一定的权限设置，实现用户对展示内容、展示区域、展示方式的任意编辑和管理；通过高性能软件，实现对其控制的4或8块显示器进行图像渲染，实现超高清晰度的大容量图形图像快速展示，其主要功能为负责对该视频流的多显示区域坐标划分和时间调度管理，子节点控制器根据主节点控制器发出的指令对收到的图像进行分割，并对属于自己管理范围的图像进行放大、渲染处理。

优选的，所述基于业务模块应用逻辑构建的云拼接大屏显示系统主要由n台子节点控制器、4n或8n块超窄边液晶显示器、两台主节点控制器、服务器、网络系统和系统软件组成；子节点控制器、主节点控制器、以及高速网络构成系统高性能显示的基本平台，文件服务器、流媒体服务器和高清视频采集服务器实现对大容量数据以及数字流媒体的统一管理，大屏幕管理服务器实现对大屏幕展示信号及调度的统一管理。

系统由千兆控制和数据网共同组成，每个节点控制器与千兆网建立连接，千兆网络由48口千兆交换机集群及六类网线共同组成，主要任务为传递大容量视频流及图形图像数据传输。

采用该系统的拼接显示设备，其图像处理控制器采用x86/arm+fpga架构来制作，基于高速背板数据交换。可按编码/解码能力，信号采集驱动能力，输出分辨率、组合图像处理能力不同需求，任意配置服务器的输入性能和输出通道。

通过统一客户端/管理平台管理多个不同配置的，实现驱动不同规模排列的拼接墙；由于可以采用多个控制器能同时分布式工作，使整个系统同时的解码能力和图像处理能力几乎不受限制。

系统的拼接显示设备拥有视频解码、存储功能，接入软件视频会议系统后，可以使视频会议系统拥有会议存储功能，并且对视频会议节点数量无限制，使会场中的音频、视频、文档图片等轻松展示，并且能够自由互动交流，适应从便捷灵巧的桌面型会议到功能强大的视频会议管理平台。

优选的，所述基于业务模块应用逻辑构建的云拼接大屏显示系统中的云拼接控制器采用并行计算(即云计算)与x86/arm+fpga操作技术，用工业级的设计标准，为拼接处理系统提供强大的底层支持。不仅解决了目前集中式拼接控制器的输入、输出数量和信号质量限制，系统升级困难，和分布式控制器管理分散，系统协调不统一的缺点；更集成了显示墙拼接技术、多屏图像处理技术、信号切换技术、网络技术等，并融合现有物理形态的分布式处理系统，从底层实现信号采集与显示的网络技术分布式形态，达到信号处理统一管控。并因控制器开放的开发端口，可由需求定制开发系统功能并通过控制软件操作，以ip网络为架构核心，组成更加庞大的拼接显示系统。

使用云拼接控制器为核心的显示系统可为用户提供一个功能强大的交互式综合智能中心平台，为各行业数字化、信息化的视频会议提供最新最有效的技术支持。云拼接控制器，统一各种视听显示功能需求，并带领大屏拼接系统向便捷、集约、共享的大数据交互平台方向而发展。云拼接控制器，使拼接设备不再是单一应用，而成为整个显示系统的强大管家。

采用以上技术方案的有益效果是：

1.以分布式显示应用框架为基础，有效融合集中式x86、嵌入式设备及一般分布式优点，显示信号全数字采集/传输，全交换高速传输(高速背板交换及高速ip传输)，实现了海量数据的可视化，支持高清、超高清信号的显示，支持实时动态交互；

2.与传统集中x86或嵌入式、分布式解决方案部署方式对比，云拼接显示系统应用部署方式简单，系统架构更简洁，尽可能的去除了不必要的前端采集/编码，及相应的转接设备和线路(如分配器，转换头，专用传输电缆、有线放大延长设备等)，以ip网络为架构核心，兼顾集中处理与分散管理/传输技术优势。主要体现在以下几方面：

2.1高性能：支持超大场景信号(如：4k或更大分辨率/特殊分辨率信号)、超高清图像显示。先进的同步技术，保障所有屏幕同步显示；

2.2高可靠性：产品围绕节点内部高速背板交换、节点间高速ip数据交换网络构建，本地信号节点内通过高度背板送到显示设备上，节点间所有信号可权限共享通过交换机直接推送到显示设备上，组合灵活，管理运行简便可靠性；

2.3高拓展性：采用网络化信号传输，可随时随地增加输入信号源，任意拓展输出显示设备数量。易实施、易维护：产品设备标准化程度高、设备数量少，可快速实施、易于维护；

2.4综合成本低：由于系统主设备少、子节点控制器直接附着在显示屏后，没有复杂的切换设备和线缆，而用户原有的大部分计算机类信号需要处理的显示信号(媒体信号，文档/业务程序，数据报表等)都可以直接有本系统处理器内置业务模块在平台管理调度下直接运行并通过内部高速交换背板输出到显示设备，由于省掉了大部分重复配置的工作站及相应配套的办公设备和通信线路，通信成本低，整个系统有效经费用于辅助设备的开销大为减少，总体占用空间非常小，运维简单人工成本低，系统能耗小、节省运行成本。

2.5降低了日常操作强度，减轻了操作人员的使用要求：在绝大数用户环境下，可以精简掉众多的信号源操作席位和值班人员需求，仅保留最基本的管理员/操作员即可流畅操作整个系统，通过平台管理软件管理员可便捷的完成日常信号调度及信号源端的操作，执行环节快，操作效率高，摒弃了传统型方案中管理员才负责信号管理与调度，操作员席位负责各个信号源段的信号内容的操作，提高了系统的操作效率。

3.强大的信息处理、分析及管理能力：系统采用模块化集群技术，利用先进并行信息处理能力，为各类海量信息提供高效稳定的运行平台。系统软件是一个灵活的，高效的分布式可视化系统软件，可以使硬件配置在可视化集群指令下执行各种操作(如高分辨率拼接显示系统)，实现高分辨率图像的实时传输显示。系统软件克服了传统展示系统在网络环境中显示的缺陷，通过一个轻量级的基于多线程的网络通信层，对所有节点上的应用实例进行渲染。并提供友好可视化界面呈现给用户。

4.具有多媒体并行展示及控制能力，系统将超高清晰度信号源在大屏幕上显示，并同时进行多通道、多媒体(实时音频、视频等)、多画面智能化并行展示。

5.具有超高分辨率，系统采用世界最新一代分布式并行展示技术，显示单元由超高分辨率的lcd面板组成，从而使图像分辨率可高达数亿像素以上。

6.系统性价比高，系统的显示屏由lcd模块集群而成，加上先进并行处理技术的应用，使得系统控制的硬件设备成本大大降低，系统无需单独购买解码设备、矩阵等设备，而实现了在合理的成本条件下，超高精度、超大面板、多媒体、多通道信息的并行显示。

7.云数据信息实时显示，可抓取后端多系统数据在屏幕上以各种形式点对点呈现和管控，提供最合适最直观的数据展示。

8.绿色节能环保，采用本系统结构的拼接显示控制系统显示系统的物理节点数量在目前主流方案相比最少，相应通信线路及专用电缆，整体系统功耗发热量小、对机房及工作场所的环境温度控制要求相应减轻，是新一代的环保健康控制器，符合国家提倡办公及机房场所的能耗控制趋势。

9.开放性：本系统接口接口开放，利用长系统提供的sdk及api应用接口，可以方便的集成到其他控制系统或业务系统，也可以进行方便的二次开发。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

图1是传统大屏幕显示拼接2种结构图；

图2是本发明的内置业务模块的拼接显示设备拓扑图；

图3是本发明的内置业务模块的拼接显示设备中结构图；

图4是本发明的内置业务模块的拼接显示设备整体结构图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明基于业务模块应用逻辑构建的云拼接大屏显示系统的优选实施方式。

图1、图2、图3和图4出示本发明基于业务模块应用逻辑构建的云拼接大屏显示系统的具体实施方式：

如图2所示，以普通4行8列大屏拼接显示为例，其系统拼接原理如下，系统通过交换机构成一个整体局域网。主节点控制器和分布节点控制器通过交换机接口接入高速局域网。传统不同工作站的工作内容(图片视频媒体文件，多格式文档，web应用、app客户端)不再部署相应的工作站，直接由主业务节点控制器完成信号生成，对于特殊平台的信号源，如视频会议终端，专用sdi等形式的视频输入仍直接接入采集端口，对于ip类流媒体及安防类ip监控视频直接由流媒体服务模块负责解码输入，特殊的终端(如linux、嵌入式系统，)显示视频输出则有分布节点完成信号输入编码和控制信号(鼠标键盘rs232红外等)的传输。

视频信号的处理流程为：

信号输入部分：特殊类的音视频信号如视频会议终端、sdi/dp、嵌入式设备等信号仍经物流采集端口直接进入主拼接控制器；媒体文件信号、web、app应用通过管理平台部署到对应的媒体模块，由对应模块负责直接处理输入进控制器输出；流媒体、安防类ip视频由平台管理接入并分配给对应的流媒体解码模块，完成解码并输出图像给控制器；分散的特殊的输入终端设备(如linux工作站、嵌入式系统，)显示视频输出则有分布节点完成信号输入编码和控制信号(鼠标键盘rs232红外等)的传输。

信号传输部分：从图2中可以看出，信号传输的输入由于去掉了传统的大部分的工作席位以及因此需要附加的专用电缆、分配器、信号转接延长设备，同时消减了对应的部分传统分布式的编码ip设备，仅保留特殊的以及不可代替的或者安全冗余的输入源(工作站、操作席位)，使得整个传统系统接线路的最为复杂的前端部分结构大为精简，节约大量的布线，辅助设备的图维护管理工作，符合信号传输链路中转换/转接节点越少，质量损失/故障概率越小的基本原则。

信号输出部分：本地控制器的输出模块将处理过的最终高清音视频信号经过电缆信号线送给本地的主显示屏/墙体，远端的分布式节点.控制器通过高速ip网络分享由本地控制器提供的共享信号，不需要专用信号线路，根据设计共享通道容量足够稳定的网络及相应交换机组环境即可。

主要处理设备部分：主节点控制器、分布式节点控制器、管理平台

主节点控制器

输入板卡负责处理输入输出种类比较多，多屏显示墙体比较大或显示设备比较多的应用场合，接入原则为本地就近直接接入，业务数据、媒体、web及应用不经传输直接由对应的业务模块处理送入、远端的ip信号及其他的主控制器的分享信号接入流媒体处理模块并输出给的高速交换总线。输出办卡完成信号图像的分割拼接处理及显示输出给本地显示墙/屏幕。

控制板卡负责处理控制器接收的来自客户端及管理平台发送的控制指令，实时操作本地信号的处理及显示工作的调度。并可以按着管理服务器或管理平台设定的多种场景模式按照时间和日期进行无人值守的自动播放管理。

信号分享共享卡可处理1～4通道的共享信号的音视频编码及控制信号，并送入高速网络交换机，以便其他节点或控制器使用。可根据设计的系统通道容量灵活配置。

分布式节点(控制器)

具备高清hdmi/dvi输入接口，本地环出hdmi/dvi接口，3.5mm立体声输入与输出接口，rs232，usb键盘鼠标等外设控制接口，以及千兆网络接口。具备1-4路h264/265解码及1路编码功能。适合单体显示器(led液晶显示器，高清电视)使用，在接入工作站显示信号可同时环出输入信号给工作站，在不增加信号分配设备的情况下，可同时把工作站的显示器作为整个显示系统的一个受控节点，随时地显示系统调度的信号组合和消息给每个操作席位，并能通过权限设置允许显示系统操作员或远端系统操作员直接操作本地工作站的键盘鼠标。

管理平台(或单节点管理服务器)

管理平台为一台该性能x86架构服务器，配有大容量的存储设备，具有多路或多路千兆网络接口，部署平台管理服务，承担多个主拼接控制器、分布式节点控制器的注册、接入，配置和任务管理工作，同时承担业务文件，音视频多媒体及流媒体、app，web等业务资源的输入与分发、及主拼接控器之间，平台之间的信号分享及分配调度工作，并能以直观的网络拓补图形式展现多个系统之间的连接情况和工作状态。

单节点管理服务器为板卡式，实现简化版的主拼接控制器的硬件及业务管理功能，一般嵌入在主控制器中，主要用于局域网内规模不大的系统中独立主拼接控制器及配合工作的分布式节点控制器的日常操作和管理工作。

如图3所示，本系统中分布式实时云拼接显示结构图说明数据流、控制流在结构图中的流向，客户端通过连接管理平台服务器，以消息驱动的方式，将主处理器及及节点处理器需要显示内容的来源类型端口及图像坐标和显示时间等显示控制指令发送到高速网络。各处理器通过节点管理模块(图中只画出1个处理器作为示意)依照客户端发出的指令完成显示控制动作并输出制定的画面组合。同时，各节点控制处理器通过ail(应用接口库)实现与各处理器之间的控制信息及信号源交互，根据用户端/管理平台的控制指令，以并行处理方式对整体图像需要在自己连接屏幕显示部分进行分割、解码和渲染处理。由于每各节点控制器图像处理范围只限于自身连接的n块屏幕及给远端的共享通道，系统整体通过高速网络实现互联，在高速网络的支持下，可实现图像的超高分辨率、低延延时显示。

与传统大屏拼接控制系统进行对比(图1与图2、图3进行对比)可以明显看出新的系统具有以下特点：

1.本系统图像显示原理系统与传统系统的根本性区别在于采用了并行计算系统。不再狭隘的区分集中式和分布式结构概念，集中式设备和分布式设备并存与系统中，总体分布式并行工，集中管理和独立管理模式同时有效。严格意义个及诶但处理器设备没有主从之分，可灵活配置。

2.业务功能模块化：

与传统的集中式/分布式不同，系统的做大特点内置了显示拼接行业常用信号源的业务模块，可直接生成所需的信号经交换总线给输出处理，与传统解决方案相比，不论传统集中式还是分布式，都没有脱离一直延续下来的采集-电缆传输/编码-输入端口-交换总线---输出处理---显示端口-显示屏整个链路，而本发明新的链路是业务模块-交换总线---输出处理---显示端口-显示屏，最大限度的去除了传统前端所需的信号电缆/分配器/编码器/综合布线/延长放大设备等既增加系统成本和施工难度，又影响显示效果(超长距离的采集传输或编码不可避免的增加信号的损失，根据不同的周围电磁环境可有可能出现难以排除的间隙性故障)。

3.系统管理及操作成本低，减少了值班人员数量的占用，一人即即可管理本地所有的处理器及信号源，必要时还可以通过权限设置管理异地的系统互联设备，或者在异地管理本地的系统。将专业显示系统中传统方案设计时必须考虑的多名操作管理维护人员的数量压缩到了最低的水平。

4.图像输入方式兼容多种格式，扩充性强；

a.图像输入方式：数字流媒体可直接接入网络交换机，模拟/非压缩数字信号经过采集模块进入设备交换总线，特定业务的显示图像有内置的业务模块中处理直接生成经总线给输出。需要和其他设备共的信号经信号分享模块一次编码接进核心交换网络。

b.输入图像的格式灵活多样，理论上不受限制，只需在控制器中增加相应的图像格式转换模块即可，不须任何硬件上的投资；

c.输入图像的数量，理论上不受限制；

5.系统的稳定性、可靠性高；采用新结构后，大量显示屏的工作由多台控制器承担，各控制器可以实现多机冗余，千兆网络系统也可以多台设备的冗余，很容易保证系统的稳定性；

6.系统更易维护和升级：在硬件设备不需要任何更新的情况下，更新软件即可使系统的功能更完善和强大；且软件的更新可通过远程操作完成，不需软件工程师人员到现场。

如图4所示，在本系统的拼接显示设备中云拼接控制器是集合分布式拼接墙图像处理功能，内嵌多种用户业务数据处理模块，及ip流解码数字矩阵功能及监控视频图像综合处理功能于一身的综合图像处理平台。融合云计算技术拼接显示控制器可以任意配置输出个数和排列，不同配置的服务器可以通过客户端管理排列成用户需要的拼接墙排列使不同类型的输入信号在这个拼接墙上任意移动位置，大小漫游，叠加等方式显示。

本控制器最大优势是保留传统型嵌入式硬拼稳定性和分布式组合灵活的特点，增加了信号自生成能力配合不同的软件业务模块来强化系统设备的最终使用目的：以最短距离最少中转节点最大程度的还原需要显示的原始信号。降低系统连接复杂程度的同时也降低了成本、故障率、及维护难度。其业务模块的软件部分可随时跟新以适应新的业务数据图像的要求，而载体硬件模块支持热插拔，也可以随后其计算要求随时更换而无需更换整体设备。通过统一客户端管理多个不同配置的控制器，实现驱动不同规模排列的拼接墙。由于可以采用多个控制器能同时分布式工作。使整个系统同时的解码能力和图像处理能力几乎不受限制。多个图像处理器驱动的拼接墙可看作一个整体的大监视器，使不同类型的输入信号(包括模拟视频，rgb，dvi，hdmi，dp，sdi信号经过通用编码变成ip流及ip视频流信号)在这个拼接墙上任意移动位置，大小漫游，叠加等方式显示，用户可以把拼接墙的每一个监视器作为多个监控画面的任意合成，轮循作为底图，对需要在拼接墙上任意位置，大小漫游的信号在监控画面底图上叠加显示。云拼接控制器具有兼容输入目前主流厂家的各类ip监控码流，具有输出预览、录像、灵活画面组合、快速切换、定时轮循、统一预案、虚拟电视墙、时间检索同时多画面输出回放、直接控制电视墙上图像云台，二次输出控制、报警、远程编码设备配置等强大功能，可为大型监控系统提供高效、可靠的专业解决方案。

针对拼接显示控制器的市场需求，不同系统的解决方案中拼接墙可选用lcd、led、mpdp、dlp、投影仪等显示单元，软件采用多媒体控制显示系统。

本设备应用于通过功能强大的数据处理设备，使会场中的音频、视频、文档图片等轻松展示，并且能够自由互动交流。为满足不同客户的应用需求，使用本发明的系统可以提供多种灵活的解决方案，从便捷灵巧的桌面型会议到功能强大的视频会议管理平台，从设计的角度出发，充分满足各类型客户的使用需求，并具有以下特点：

1)网络自适应功能：拥有网络带宽自动调节功能，保证不同会场网络环境下，会议流畅进行。在384kbps低带宽条件下，4cif分辨率可以达15～30帧；在768kbps带宽下，4cif分辨率可以达25～30帧；

2)支持usb读取：拥有方便的高级数据共享能力，支持通过插拔usb硬盘，来发送数据双流的方法。支持视频剪辑(avi、mpeg、wmv等)音频剪辑(wma、mp3)图形文件(bmp、gif、tif)等格式的数据共享。

3)支持超高清互动展示拼接墙：完美融合超高清拼接显示系统，以超高清内容输出，将音视频、文件等内容显示与大型视频墙上。并通过控制系统，轻松实现窗口拖动、放大，内容切换等多样的展现形式。更可接入多点互动触摸设备，实现小屏触摸控制，大屏实时播放，互动同步预览功能；可自由切换4∶3、16∶9显示模式，并支持本地、异地双显显示。1080p/60hz全高清摄像机，无限放大图像仍然清晰；热点跟踪技术，轻松捕捉与会者画面。

4)支持移动终端参与会议：当发生紧急事件或者举行重大活动时，满足使用主流的移动终端(如ipad、android等)通过3g/4g或wifi与参与到内网的视频会议当中，且根据现场情况多个移动终端可无缝切换参与会议。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。