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多通道邊緣融合的性能指標深度解析
2016-05-30
多通道邊緣融合的性能指標深度解析
 
    多通道邊緣融合系統隨著對超高清和超寬幕的需求的日益增長,處于蓬勃發展之中,但是面對市面上不同的多通道投影邊緣融合系統,無論是最終用戶還是工程用戶都存在對設備性能的客觀評價問題,本文旨在從軟硬件內部架構的角度深度解析不同產品的性能和指標,避免一些多通道邊緣融合機選擇上的誤區。
    談到多通道邊緣融合系統,常常被粗略分為兩大類,一大類是采用軟件融合的方案,即業內簡稱軟融合的方案,另一類是采用外置硬融合的硬融合方案。由于直觀認識上的誤區,很多用戶往往認為只是跑一個軟件的方案就是軟融合,有一個外置設備的就是硬融合,實際上市面很多聲稱外置硬融合機的本質也是軟件融合,其實現方式是采用計算機采集卡采集輸入圖像,再內部軟件運算處理后再通過這臺中間計算機輸出,這種方式根本上還是基于計算機軟件運算的多通道邊緣融合方式,其相對于純軟件方案的優點是可以避開純軟件融合方案對顯示內容的兼容性問題,但是這種方案的成本和硬件解決方案已經無異,卻沒有完全解決軟件融合的缺點。
圖一:邊緣融合處理機的簡單分類
    對于軟件融合,并不能一概說軟件融合技術本身相較硬件方案性能差,從技術原理上,軟件融合是可以做到良好的效果和非常高的靈活度的,但是軟件融合要達到這樣的高度的前提是融合軟件有著極高的質量且其運行的平臺也有著極高的穩定性。就目前來看,由于多通道邊緣融合軟件本身有一定的復雜性,同時其商業化開發還遠沒有達到軟件成熟度模型的基本水平,因此目前市面的多通道融合軟件方案普遍存在著運行不穩定,CPU占用率高,融合效果不好,靈活度差的問題,即使是宣稱采用GPU計算等先進技術的軟件也同樣受其軟件本身質量的限制,應該說不經過大投入的軟件研發和完善的軟件測試是不可能設計出高性能高可靠性的多通道邊緣融合專用軟件的。同時,即使假設融合軟件本身的質量沒有問題,但是因為運行的計算機平臺本身也存在一定的可靠性失敗概率,因為任何基于民用操作系統的系統都會因為操作系統本身的穩定性和受病毒等的干擾而出現問題。軟件復雜度,質量和系統平臺的不確定性使得無論是本機運行融合軟件的純軟件融合方案還是基于外置計算機采集再融合的方案都具有很大的局限性,都無法勝任高可靠性要求的場合。
    就硬件融合來說,是否硬件多通道融合方案都是具備宣稱的高性能呢?答案也是否定的,就目前市面的多通道硬件邊緣融合產品來看主要可以分為兩大類(這里不把上述基于計算機加融合軟件的外置方案作為硬融合):基于商業圖形ASIC的方案和基于FPGA的實現方案。商業圖形ASIC具有成本低的優點,其用于邊緣融合可以完成一些基本的功能,但是其最大的問題在于任何商業ASIC方案都是針對單個現實器或者投影機的,其設計之初就沒有考慮用于多通道投影的應用,這就導致使用商業ASIC方案的產品在應用于多通道邊緣融合這一特殊場合時不能靈活適應,在融合過渡帶的處理上,采用商業ASIC方案的多通道邊緣融合系統僅能通過芯片提供的圖像層的疊加功能模擬近似邊緣融合的過渡帶,但是這種近似畢竟不是真實的邊緣融合,對邊緣融合的實際像素存在損傷,且靈活度受限于商業ASIC的能力比較差,調節也不便利,同時商業圖形圖像ASIC因為從設計成本考慮,其芯片本身的處理帶寬不會超過單個顯示設備的帶寬,一般最高1920x1200分辨率,這使得基于商業ASIC方案的多通道硬件邊緣融合機的內部帶寬受到很大限制,在最終實現融合機時往往采用對輸入圖像進行縮放的方式減低內部帶寬壓力來處理,這也是以犧牲圖像質量為代價。因此從實際顯示和融合效果來看可以發現這類基于商業ASIC方案的硬件多通道邊緣融合機一是對圖像質量有損傷,二是融合過渡帶效果不好,這樣的硬件融合方案與多通道投影所追求的高分辨率,無縫平滑的要求是相背離的。
    基于FPGA實現方案的硬件多通道邊緣融合,由于采用內部的編程架構,在技術上可以實現非常靈活的處理算法,同時也可以擁有很高的處理帶寬,在技術起點上遠高于采用商業ASIC方案的硬件多通道邊緣融合機,但并不能說平臺優秀就性能優秀,基于FPGA實現方案的硬件多通道邊緣融合機要發揮出優勢的前提是硬件設計上的深厚功力和邏輯算法的先進設計,對于用戶來說無法檢驗其內部結構的技術,但是對于采用FPGA實現方案的硬件多通道邊緣融合機可以從其產品的性能檢驗其硬件設計的靈活性和算法的先進性,其最主要判決標準是兩點
(1)多通道邊緣融合機輸入的視頻最高無損分辨率大小,且是否可以點對點無損輸出
(2)融合帶的完全可調節能力
    對于多通道邊緣融合投影系統而言,決定最終的整體圖像質量的也是如上兩點。目前市場上幾乎所有的多通道邊緣融合機都表明輸出總分辨率和通道數,但是這并不能真實的反應硬件多通道邊緣融合機的實際性能,因為很多多通道邊緣融合機采用內部縮放方法對圖像拉伸到更大的分辨率,而其實際有效像素并不高,也不隨通道數增加。任何圖像放大處理后的畫面質量都低于采用點對點方式直接顯示的質量,原因是放大處理的本質是插值,而插入的任何值不管使用多么先進的算法都是通過估值的方法“無中生有”的,這就是為什么一個普通VCD畫面放到高清電視上不管處理多么先進也無法達到真正的高清效果,而對于多通道邊緣融合這樣的超寬幅視頻系統而言,只是簡單的高清分辨率被拉伸到整畫面也是不可接受的,對于多通道邊緣融合顯示優秀的效果是能夠全帶寬處理輸入輸出點對點的超高清信號,一般可以支持輸入雙通道DVI且具備點對點輸出處理能力,同時支持雙通道DVI還需要支持最大達到330Mhz滿帶寬視頻處理能力,在數值指標上比如在256均勻像素融合帶條件下實現點對點輸入支持[email protected](兩通道1080P),[email protected](四通道1024x768),5248X1080P 50HZ(三通道1920x1080),[email protected](三通道1400x1050), [email protected](六通道1024x768)等分辨率。基于FPGA實現方案的硬件多通道邊緣融合機只有具備這樣的內部和外部處理能力就說明其硬件設計的先進性,也使其具備超越ASIC硬件融合方案的能力,如果是采用內部縮放能力的FPGA處理那其效果就會大打折扣甚至不如采用ASIC硬件融合方案。除了輸入分辨率的超高分辨率處理能力,采用可編程FPGA實現方案的硬件多通道邊緣融合還應具備輸入分辨率靈活的調節能力,不是僅能支持有限的幾種分辨率,而是可以點對點支持多種甚至是可配置的分辨率,這就可以說明該產品的硬件可編程實現的架構靈活,也就可以做到更高的效率和更高的可靠性。
    采用可編程FPGA實現方案的硬件多通道邊緣融合另一點檢驗其設備性能的方法是檢驗其調節融合區域融合帶的靈活性和速度,實現優秀的可編程硬件多通道邊緣融合機其融合帶不僅可以融合寬度在寬范圍內連續可調,同時其融合曲線,過度趨勢,黑位控制等都可以靈活調節,同時這些調節是可以實時完成的,不需要復雜繁瑣的設置,對于過渡帶的過渡調節利用硬件可編程的能力應該能夠做到秒級調節,直觀見效的方式,甚至是所見即所得的實時調節效果,如果具備這樣的能力說明該可編程硬件多通道邊緣融合機在融合帶處理方面的設計完善,能夠提供很好的融合效果。除了上述輸入超高分辨率點對點能力和融合帶調節實時性能指標以外,硬件融合機的處理時延,融合機的啟動時間,融合機的功耗性能也都是重要的參考指標,優秀的硬件融合機具有無論任何分辨率下可控的確定性時延,且時延性能為微妙級,而啟動時間為妙級,功耗單通道為十瓦以內。
圖二:兩種架構硬件融合機性能的比較
    綜合看來,能夠通過上面的幾項檢驗標準來判斷硬件融合機的性能,對于采用內部硬件可編程的硬件融合機,上述指標可以直接檢驗出產品內部架構的先進性。總體上來看,多通道無縫邊緣融合技術還處于不斷發展之中,軟件融合必須解決軟件的質量和平臺可靠性問題才能真正有競爭力,而架構設計完善的可編程多通道硬件融合機性能要遠高于采用ASIC方案的硬件融合機,且具備硬件可編程特性適應性和可升級性更好,因此建議用戶采用硬件可編程方案多通道硬件融合機,相信新型產品的涌現,更多的用戶可以享受到可編程多通道硬件融合機帶來的性能優勢,實現真正意義上的無縫超高清顯示。
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