无缝数字大屏幕显示系统项目可行性实施报告.docx
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无缝数字大屏幕显示系统项目可行性实施报告
无缝数字大屏幕显示系统项目
可行性研究报告
目 录
第一章 选题的必要性……………………………………………………4
一、项目所处技术领域产业政策………………………………………………4
二、项目所处技术领域技术发展现状…………………………………………6
三、项目技术先进性，对相关领域技术进步的推动作用………………………7
四、项目目前进展情况………………………………………………………9
第二章技术方案论述…………………………………………………10
一、项目技术关键点或创新点论述，项目完成时达到的技术水平……………10
（一）、项目关键技术………………………………………………………10
（二）、创新点………………………………………………………………11
（三）、项目完成时达到的技术水平…………………………………………11
二、项目技术方案论述………………………………………………………12
（一）、项目的技术原理………………………………………………………12
（二）、工艺流程……………………………………………………………24
三、项目技术质量指标………………………………………………………25
（一）、项目技术参术、性能指标……………………………………………25
（二）、项目执行的质量标准………………………………………………25
四、分阶段描述项目执行过程中各阶段目标…………………………………25
五、项目经费预算情况………………………………………………………26
（一）、项目的总投资………………………………………………………26
（二）、项目已完成的投资……………………………………………………26
（三）、项目新增投资、投资构成和投资预算…………………………………26
（四）、申请科技三项经费的主要用途………………………………………26
第三章 项目实施支撑条件……………………………………………27
一、项目技术来源…………………………………………………………27
二、项目实验、检测条件……………………………………………………27
三、项目申请单位人才资源情况：
技术人员总数、中高级技术人员比例………27
四、项目组人员专业结构、职称结构…………………………………………28
五、项目新增投资筹集情况…………………………………………………29
第四章 项目预期经济效益……………………………………………30
一、经济效益分析…………………………………………………………30
二、预期市场需求…………………………………………………………30
三、预期盈利水平…………………………………………………………33
四、预期产业化前景………………………………………………………33
五、项目实施风险分析……………………………………………………34
第五章项目预计社会效益、环境效益………………………………35
一、社会效益分析…………………………………………………………35
二、对社会发展的作用………………………………………………………36
三、对资源利用情况………………………………………………………36
四、对人才培养情况………………………………………………………36
五、环境影响及效益………………………………………………………37
表一、项目投资与资金筹措表………………………………………………38
表二、项目设备拟购清单……………………………………………………39
表三、申请科技三项经费使用预算表…………………………………………40
第一章选题的必要性
一、项目所处技术领域产业政策；
国际经济格局发生了深刻变化，随着我国加入WTO，经济全球化、一体化的趋势已成为必然，由技术进步引发的产业革命正深刻地改变着人类社会经济和生活面貌，技术创新对经济增长的贡献日益突出，科学技术成为国际竞争的关键因素。
世界各国为取得更有利的国际分工地位，竞相调整产业结构与技术结构，对高新技术领域加大投入力度、扩大应用领域，加快科技成果转化为现实生产力的步伐，提升产业技术水平，以增强国际竞争力。
未来５到１０年，是我国经济和社会发展的重要时期，也是我国实现现代化第三步战略目标的关键阶段。
面对科技革命与知识经济浪潮的兴起，经济全球化步伐加快，国际竞争日趋激烈的新形势，加快经济结构调整，实现两个根本性转变，提高国际竞争力，已成必然选择。
为此国家经贸委会同财政部、科技部、国家税务总局，共同研究制定和实施适应新形势的《国家产业技术政策》，明确了在这一时期国家产业技术发展的战略目标和重点，积极推动技术创新能力与产业技术水平的提高，推进我国产业结构优化升级。
只有在增强技术创新能力上走出符合我国国情特点的发展道路，才可能在未来的国际竞争中立于不败之地。
这次制定的国家产业技术政策力争在重点行业、重点企业、重点产品和重点工艺、重大技术装备上，有重大技术突破，部分接近或达到同期国际先进水平；优先发展具有优势和对传统产业改造关系密切的高新技术；大力推进以企业为主体的技术创新体系的建设，培育一批具有自主创新能力和国际竞争力的大型企业和企业集团，带动一大批中小型企业向“专、精、特、新”方向发展。
体现在高新技术领域具体包括：
信息通信领域要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息家电技术，大力发展系统集成和信息服务、信息管理、信息安全技术，积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。
我公司研发的《无缝数字大屏幕显示系统》是基于计算机视觉的采用图像融合技术和分布式计算技术等研究设计而成的，是综合采用了数字图像处理、计算机网络、计算机软件、分布式计算、计算机视觉等技术的新一代数字终端显示设备，是对传统分割屏、拼接屏技术的颠覆性的革新，无论从技术、视觉效果、功耗、运行成本、调校、维护、性价比及对操作人员的辐射等方面都是传统技术无可比拟的。
支持文本、图形、图像、HDTV、高清电影、DVD、流媒体显示播放；支持GIS地理信息系统矢量地图；支持GPS卫星导航及定位显示；支持各类型网络及远程控制，更进一步支持Windows/Linux/Unix等跨平台操作。
因此该项目符合国家对数字、网络技术为基础的新一代信息产品产业政策。
二、项目所处技术领域技术发展现状；
随着计算机技术、监控技术及数字视频网络化技术日新月异的发展，为方便各级决策指挥部门直观全面地指挥调度，大屏幕显示技术也得到了不断的提升，从LED单显、三基色显示、到目前的全彩LED显示屏幕，再到DLP真彩拼接屏幕，反映了人们对亮丽的超大画面、纯真的色彩、高分辨率的视觉显示效果的潜在追求和对显示技术更新的强烈要求。
GIS地理信息系统、GPS卫星定位导航等高新管理技术与手段的出现再一次对大屏幕显示技术提出了新的挑战：
虽然传统DLP大屏幕拼缝技术在一定程度上也可以实现超大画面、真彩、高分辨率的视觉效果，拼缝技术也从原来的一厘米拼边、五毫米拼缝到目前的三毫米拼缝，但不论怎么减少，这样的物理拼缝是不能从根本上消除的，并直接影响使用者的应用效果。
另一方面，传统的DLP拼接大屏幕高昂的造价、功耗、散热、难维护以及辐射问题也让很多使用单位难以接收，其主要由显示单元、图像处理器、视频矩阵、RGB矩阵、大屏幕显示控制系统集成软件、控制端等组成，仅显示单元的成本价就约为12-16万元/平方米，用户安装价约为18-22万元/平方米，一块十平方米的大屏的总造价（含集成）就将近四百万元人民币，另一方面它的“昂贵”不仅体现在前期的硬件投入，更体现在后期的维护成本和耗材费用。
某些品牌一年仅灯泡的更换费用（以十块屏为例）就高达七、八万人民币，因此很多用户虽急需这一系统，但因价格等因素而最终望而却步。
多通道《无缝数字大屏幕显示系统》是由图像无缝融合处理器、控制端、投影机、屏幕等组成，可根据用户不同的需求将不同的信号源（VGA、Video、DVI、SDI、HD等）数字图像信息进行显示发布，其显示单元由投影机和金属软、硬质投影屏幕代替了原来的DLP显示屏，该系统三通道大屏的显示面积等同于DLP十二个显示单元的显示面积，如以相同的利润率来计算：
每通道用户平均安装造价约为35万元（国外相类似产品每通道均价约为80万元），通道显示面积取决于投影机的流明，一个十平方米的显示大屏的总造价（含集成）约为120万元人民币，比DLP大屏的造价低了三分之二，并且其使用寿命、维护成本、显示效果、故障率均优于DLP系统，因此多通道“无缝数字大屏幕显示系统”具有显著的市场竞争能力和易于普及的特性。
三、项目技术先进性，对相关领域技术进步的推动作用；
《无缝数字大屏幕显示系统》是采用多投影图像融合处理的方式来实现其无缝拼接的，系统采用的计算机视觉技术是将摄像技术和计算机技术的完美结合，实现对图像融合像素进行智能化、自动化的分布式数字分析，该技术为图像处理技术提供了一个全新的理念。
采用的融合技术包括以下四个方面:
1、图象的融合:
基于计算机视觉技术，通过计算机高速的处理，使多台不同的投影机播放同一容；
2、投影机参数的融合:
不同的投影机有不同分辨率、亮度、色度和γ曲线，经计算机处理后左右上下应基本对称；
3、边缘的融合:
实现图像的几何形状的矫正,裁去多余部分，调整重叠部分等等；
4、图像源与投影机的融合:
通过软件，使得不同分辨率的图象源能按要求在投影机中播放。
与传统拼接大屏幕技术相对比，这一融合技术目前在国具有领先水平：
对比容
无缝数字大屏幕显示技术
传统DLP拼接屏技术
采用的技术
计算机视觉处理技术
图像几何拼接（电视墙硬拼接技术）
视觉效果
无缝、高清
有拼接缝
辐射性
无
有
物理及光学拼缝
无
有
功耗及散热
小
大
工作原理
图像边缘自动融合
人工拼接
显示方式
正投背投均可
仅背投
图像分割方式
随意组合、自动分割
专用图像分割机
设备空间占用
小
大
可视化处理
可以
不能完全实现
可扩展性
可根据需求任意扩展
受分割系统硬件限制
冗余显示
可以
不可以
运行成本
低
高
性价比
高
低
维护成本及方式
成本低、维护简便
成本高、维护周期长
通过以上对比分析，该技术的实现将对所在领域的同类型或不同类型技术的发展产生深远的影响，也将推动这一领域显示技术的进一步提高。
四、项目目前进展情况。
目前该项目已完成了市场调查分析及需求分析，技术上将重点研究自动几何形状矫正技术和边缘融合技术，建立相应的评价体系和方法，制订严格的质量目标和质量保证计划。
确定项目的软硬件方案，对初步方案进行评价，在理论分析通过的基础上，购买设备进行试验，以得到关键性的实验数据并以此为基础，最终确定系统方案，进入项目实施阶段并完成软硬件系统的概要设计和详细设计。
第二章技术方案论述
一、项目技术关键点或创新点论述，项目完成时达到的技术水平；
（一）、项目关键技术：
1、自动几何形状矫正技术：
在多投影仪组合显示中，投影仪只有与投影幕垂直时才能得到矩形的图像，否则就会产生梯形失真，而实际上各台投影仪是不可能与投影幕严格垂直的，如果这样要求，那就非常不利于实际使用。
虽然一般的投影仪都提供梯形校正功能，但手工较正是一项很耗时的工作，当用于拼接的投影仪达到一定的数量，如24（6×4）台以上时，手工校正变得非常困难。
而且由于场地的限制，有时根本就无法产生矩形的图像。
投影仪位置很小的变化就可能造成投射图像的较大偏差，而震动及热胀冷缩等因素使得投影仪位置的变化在所难免，这就使得拼接系统需要经常的维护。
因此本项目系统必须在投影仪的位置大致对齐的条件下，能够快速、准确、自动地实现几何形状矫正。
2、边缘融合技术：
为了实现无缝显示，需将相邻图像的边缘部分重叠，这样会在边缘形成一条亮带，重叠部分的亮度为整幅图像其余部分的2倍；另外，由于设备的原因，会使得两台投影仪之间色谱、色彩围不同。
因此，多投影仪重叠区域的颜色亮度是影响组合显示质量最关键的问题。
本项目系统将根据人眼对颜色缓慢变化要迟钝得多的特性，对相邻图像的重叠部分，采用数字图像处理技术中的图像融合技术使颜色平滑地从一边过渡到另一边，使得能够在整个投影屏幕上实现颜色（亮度）一致。
3、实时融合显示：
在整个多投影仪图像融合显示过程中，必须要对每一个投影仪图像的每一象素的颜色、亮度、对比度等信息进行计算处理，计算量非常大，而且每一次的所有计算处理必须在40ms以完成，随着投影仪数量的增多，单台图像融合服务器显然是不可能胜任这样的计算工作量。
为了解决实时融合显示问题，我们将采用计算机网络技术和分布式计算技术，增加图像融合工作站，将任务分配给图像融合服务器和图像融合工作站，让它们分布式计算。
4、分布式计算的同步控制：
在多投影仪融合显示过程中，各投影仪协作完成一个超大屏幕、高亮度、高分辨率的图像显示，可是各投影仪是分别输出的，为了避免图像画面的跳跃抖动，必须对多个输出节点的图像输出进行同步控制。
（二）、创新点：
创新点之一：
基于图像融合的边缘融合技术，实现多投影的无缝拼接，很大程度上保证了画面的完美性和色彩的一致性。
创新点之二：
基于PC集群的分布式计算技术，从而实现了系统的快速实时性。
创新点之三：
基于计算机视觉的自动参数调整技术，从而使图像融合自动、方便、快捷、准确。
创新点之四：
“虚拟的Windows操作系统平台”技术，使系统具有良好的应用接口。
（三）、项目完成时达到的技术水平：
《无缝数字大屏幕显示系统》将综合运用数字图像处理技术、计算机视觉技术、计算机网络技术和分布式计算技术等，使系统具有技术先进、数据源类型多、可扩展性强、超高分辨率、超高亮度、可视角度大和安装调试方便等特点。
根据我司的大量市场调查和技术查新，项目完成时可达到国领先水平。
二、项目技术方案论述：
（一）、项目的技术原理：
1、自动图像融合显示
利用多台投影仪进行投影拼接显示以提供超高分辨率图像所必须面临的一个问题是如何校正投影仪图像，使得整个屏幕看上去像一个完整的屏幕，而不是一块一块拼接起来的马赛克图像。
投影仪图像校正的一个终极目标就是任一用户仅从投影墙上的图像不能分辩出这到底是由多少台投影仪拼接显示出来的。
由于人的视觉系统异常挑剔，只要两个小分屏的色差色调亮度等稍微有一点点差异，拼缝就会无所遁形。
而从目前的制作工艺来说，挑选颜色参数几乎一致的投影仪无疑是困难而且代价昂贵的。
于是，近年产生了通过相邻显示区域小部分重叠（基于投影仪）的拼缝消除技术，通常称为边缘融合技术，也被称为软拼接。
重叠部分分别作过显示淡化的处理，使重叠起来的部分亮度色度等和原来该场景部分相差无几。
边缘融合技术就是将一组投影仪投射出的画面进行边缘重叠，并通过图像融合技术显示出一个没有缝隙、更加明亮、超大、高分辨率的整幅画面，画面的效果就好像是一台投影仪投射的画质。
当两台或多台投影仪组合投射一幅画面时，会有一部分影像灯光重叠，边缘融合的最主要功能就是把两台投影仪重叠部分的灯光亮度色彩逐渐调低，使整幅画面的亮度色彩一致。
边缘融合投影技术经历了三个发展阶段：
硬边拼接、重叠拼接和边缘融合拼接。
◆硬边拼接（又称简单拼接）：
即两台投影仪的边沿对齐，无重叠部分。
显示效果上表现为整幅画面被一道缝分割开。
如果投影仪边缘未做亮度增强处理，该接缝显示为黑色；如果投影仪边缘做了亮度增强处理，该接缝显示为白色。
◆ 简单重叠：
即两台投影仪的画面有部分重叠，但没有作淡进淡出处理，因此重叠部分的亮度为整幅其余部分的2倍，在显示效果上表现为重叠部分为一亮条。
◆边缘融合：
与简单重叠方法相比，左投影仪的右边重叠部分的亮度线性衰减，右投影仪的左边重叠部分的亮度线性增加。
在显示效果上表现为整幅画面亮度完全一致。
边缘融合的应用来源于模拟仿真/立体影院系统。
是适应人们追求亮丽的超大画面、纯真的色彩、高分辨率的显示效果的这一需求而产生的，它在增大画面、提高亮度、分辨率等方面有着十分明显的优势。
简单拼接 简单重叠
边缘融合
硬边（简单拼接）
简单重叠（亮条）
软边（边缘融合）
图1几种图像拼接方法比较
自动图像融合显示的处理要经过几何校正、边缘融合、颜色校正等处理过程。
（1）几何校正
几何校正主要是指将多台投影仪投影显示的图像无缝的拼接成一幅完整的图像。
从实现方式来看，可以分为硬件校正和软件校正。
图2是Princeton大学和Argonne实验室联合设计的一套硬件校正设备，提供5个自由度上的校正。
图2基于硬件的几何校正
但是，即便每台投影仪装备有此类精确的校正仪器，这一校正工作还是需要熟练的技师手工对每台投影仪进行校正，这是一个十分烦琐和费时的工作；而且当投影仪的数量较大时，这一工作尤其困难，因为对整个投影阵列中的任意一台投影仪进行调节，必将影响其相邻的4台投影仪的位置，从而影响所有投影仪的位置。
因此，我们放弃硬件机械校正的方法，转而利用软件对投影仪进行校正。
软件校正的一个难点是如何准确的获取投影图像的畸变情况，并加以数学描述。
软件校正的基本思路是采用了基于计算机视觉的自动调整方法，该方法不去改变投影仪的位置、亮度等属性，而是去改变投影容的位置、大小、角度、亮度和颜色。
首先通过显示系统输出一些样点和样线，使用一个高保真度、高分辨率的照相机采集到它们在屏幕上实际的投影图像，然后通过计算机视觉和图像处理技术计算获得每个投影设备的偏差矩阵，由此可以计算出为克服这种偏差所需的对各个投影容的变换矩阵，将这些矩阵在投影仪输出前，首先作用于待输出的图像，自动计算出各个投影图像的矫正后的各个像素的数值，即可获得排列整齐的大屏幕显示（参见图3）。
整个过程大部分由软件来实现，用户手动调节的工作大大降低。
整个融合参数的确定仅仅需要几分钟而已。
因此，基于计算机视觉的图像融合方法具有方便、快捷、准确的特点。
图3投影图像的校正
图4基于照相机的校正系统
（2）边缘融合
经过几何校正，投影幕上得到的图像是非扭曲的。
相邻的两个子图像有两种排列方法：
图像不重叠，让它们紧密地排列在一起；相邻的图像部分重叠。
第一种方法被称之为硬拼，处理简单，但会形成一条无法消除的缝，因为人的视觉特性对颜色的突变非常敏感，所以两台投影仪之间的色差必须小于人眼对于突变的阈值，这一点是很难做到的。
另外，即使两个投影仪的颜色一样，两个子图像的边缘距离只有与图像部两个象素之间的距离相近时，才不会感觉到缝隙，这一点也是很难做到的。
根据人眼对颜色缓慢变化要迟钝得多的特性，将相邻的图像部分重叠，使颜色平滑地从一边过渡到另一边，这种方法被称之为边缘融合（软拼）。
具体实现时，可以采取AlphaMask的方法，赋给重叠区每个象素的亮度一个权值，并使同一位置的权值和为1。
在讨论之前，假定：
（a）所有投影仪的RGB三基色的色度是相同的。
对于红色来说就是将RGB颜色（r，0，0）转变到CIEXYZ空间时，只有Y值不同，x、z是相同的（对于同一型号的投影仪来说，亮度Y的差异比色度x、z的差异要明显得多；
（b）投影仪的亮度响应（LuminanceResponse）对红绿蓝三通道是相互独立的，即L（r，g，b）=L（r，0，0）+L（0，g，0）+L（0，0，b）其中L（r，g，b）是对输入RGB值为（r，g，b）时，投影仪的输出亮度（CIEY）（实际的投影仪并不满足这个条件，因为每个投影仪都有一个最低亮度（blackoffset），即L（0，0，0）≠0。
并且DLP投影仪有4个通道而不是3个。
这里为了讨论的方便，假设满足上述条件，实际的LCD投影仪也接近此假设；
（c）投影仪的每个象素，其亮度响应满足如下形式：
L=k（c/255）γ，L为投影仪输出亮度（CIEY），c为输入的r、g或b，k与r为与投影仪相关的常数；
（d）所有投影仪的所有象素k值相同。
有了上面的假设，先来考虑左右两个图像重叠的情况。
如图3所示，对于重叠区的某一象素P（d，w），d为P到重叠区边缘的距离，W为重叠区的宽度，使用亮度线性插值，则左边图像P点处的Alpha值，右边图像P点处的Alpha值。
将P点处两个图像的亮度相加：
相加后的亮度正好等于不重叠时的亮度。
由于假定投影仪的三通道是相互独立的，上面的算法对于任意的（r，g，b）都适用。
图5边缘融合
4个图像重叠时，只要分别从两个方向作线性插值，上述算法仍然适用。
（3）颜色校正
Alpha值的推导依赖于投影仪的亮度响应满足L=k的形式，然而投影仪并不满足这种形式，每台投影仪都有自己独特的亮度响应曲线。
图6中，g（c）、h（c）分别是两台投影仪的实际亮度响应曲线，他们不仅曲线的形状不同，而且亮度围也不一样。
要使投影仪显示的亮度统一，取两者的公共亮度区间作为期望亮度区间，然后将两台投影仪的实际输出亮度都映射到f（c）所表示的这个公共亮度区间（，γ为期望的任意值）。
具体的映射方法：
对校正前的输入象素P（r,0,0）,期望的亮度响应为f（r），因此在曲线g（c）和h（c）上各找到一点Q1（r1，0，0），Q2（r2，0，0）使得f（r）=g（r1）=h（r2），即、，（r1，0，0）、（r2，0，0）即为校正后新的输入值。
图6亮度响应曲线
可以用色度仪分别测出每个颜色通道的每个输入等级的亮度响应，作图得到曲线g（c）、h（c）。
知道了投影仪的每个通道的实际亮度响应曲线，以及公共的期望亮度响应曲线，就可以对每台投影仪的每个通道建立一个查找表。
2、实时融合显示（大量图像数据实时计算问题）
在整个投影仪图像融合显示过程中，必须要对每一个投影仪图像的每一象素的颜色、亮度、对比度等信息进行计算处理，计算量非常大，而且所有的计算处理必须在40ms以完成，随着投影仪数量的增多，单台图像融合服务器显然是不可能胜任这样的计算工作，我们采用了计算机网络技术和分布式计算技术，增加图像融合工作站，将任务分配给图像融合服务器和图像融合工作站，让它们分布式计算。
通常每一台图像融合服务器或图像融合工作站负责4台投影仪图像的计算处理，但为了减轻图像融合服务器的负担，一般图像融合服务器只负责2～3台投影仪图像的计算处理。
图7分布式实时图像融合显示系统组成图
3、分布式计算的同步问题
本系统使用了时间戳技术来保持所有结点之间的同步，在系统初始化时对图像融合服务器和图像融合工作站进行校时，使图像融合服务器结点和各图像融合工作站结点的时钟严格保持一致。
这里设图像融合服务器的时钟为Tc，设某个图像融合工作站结点的时钟为Tr，校时的目的就是为了精确的得出Toffset=Tc-Tr的值。
首先测试该图像融合工作站结点和图像融合服务器之间的平均反应时间tdelay=tread+tnet+twrite，该反应时间由数据包的读出、写入以及网络延时三部分构成。
图像融合服务器发出一个数据包，图像融合工作站结点将该数据包立即弹回，送出和收到之间的时间差为Trecv-Tsend，由上面的定义不难看出Trecv-Tsend=2tdelay，所以多次测试的结果表示为：
为了避免由于网络的抖动引起的偶然误差，需要统计平均反应时间的方差：
当
时，认为发生了偶然误差，需要重新进行测试。
这里h是常数，可以根据实际的网络环境和所需要达到的精度进行调节。
在获得了平均网络反应能力
后，图像融合工作站结点向图像融合服务器发送一
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