CN116389811A - 一种分布式视频图像拼接的同步控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多媒体技术领域，公开了一种分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法及系统，该方法包括如下步骤：S1：构建一分布式视频图像拼接同步控制系统；S2：多个视频输入节点分别将采集的视频图像信号发送给本地主控计算机，使阵列显示装置的每组单元显示屏所显示的视频信号的视频流帧率以及时间戳均保持同步；S3：对多个异地、分布式设置的主控计算机进行同步控制，使其进一步发出到各个本地云拼接前端处理器、阵列显示装置的视频输入节点的视频流帧率以及时间戳均保持一致。本发明采用软硬件结合、本地与远程控制结合的方式，确保每帧视频时间戳一致，解决了分布式视频图像拼接大屏幕因显示不同步而出现的错位和撕裂等问题。
Description
技术领域
本发明涉及多媒体技术领域，具体为一种分布式视频图像拼接的同步控制方法及系统。
背景技术
应用在大数据分析、展示平台，以及智能监控平台、多媒体演出布景等场景下，往往需要采用阵列化的超大屏幕显示(大型视频拼接墙)被监控的目标终端设备中运行的程序，并进行智能化的分析、处理；从显示处理技术的发展传统拼接单机作业，在这些大型视频拼接墙应用已无法满足多点多分布音视频显示处理互联互通的应用。采用现有技术发展的延伸网络分布式的视频处理产品，由于受限于网络传输带宽的限制(信道阻塞)和信号波动，通常会造成视频帧的延时或丢帧。在实际应用中，由于各解码终端帧时间不同步等原因，随着组成阵列化大型视频拼接墙的单个显示屏幕单元的数量越多，在视频源拼接处理后传输到各个显示屏幕单元进行同步显示的过程中，所造成的图像不同步、图像错位、画面延时的情况就越严重；为了保证显示画面的质量，必须限制参与拼接大型视频拼接墙的单个显示屏幕单元的数量，从而使大型视频拼接墙的整体面积和功能受到了较大的限制。为了解决这些问题，就需要采用分布式同步技术。
中国发明申请号CN201210029784.1公开了一种基于网络传输的多屏幕显示系统画面同步技术，多屏幕显示系统由多个显示单元拼接而成,画面同步的过程在信号处理系统当中完成，信号处理系统由分布式的各个输入节点与输出节点构成,每个显示单元都有唯一一个与其对应的输出节点相连,输入节点负责采集画面信息并对画面信息进行预处理,传递给相应的输出节点；所有输出节点在一个同步信号的控制下,每次向各自的显示单元发出相应的画面信息,达到画面同步的目的。但是，该技术各个输入节点与输出节点之间使用的是局域网线缆连接、可扩展性较差，而且不能直接应用于无线网络连接，如果将其各个输入节点与输出节点之间采用无线网络信号连接，则其仍然不能解决在信号处理系统将各节点的输出信号分别发出后，由于外部网络传输和同步信号接收延迟等原因，所导致的各个输入节点与输出节点之间的信号不同步问题。
中国发明申请号CN201910847059.7公开了一种高精度分布式显控帧同步方法和系统，包括：对分布式拼接显示系统中的多个分布式输出节点进行网络时间同步操作；获取分布式拼接显示系统的预设帧率，以及根据预设帧率确定待同步相位；调整多个分布式输出节点之间的同步信号的相位与待同步相位一致；分别获取主节点的当前显示帧的第一时间戳信息、第一同步信号的第一时间信息，和每个从节点的第二时间戳信息、第二同步信号的第二时间信息；确定每个从节点与主节点之间的同一帧的时间偏移信息；基于时间偏移信息和预设帧率之间的关系，对每个从节点相对于主节点进行帧同步操作。该发明其核心是利用1588网络时间同步方法对所述分布式拼接显示系统中的多个分布式输出节点进行网络时间同步操作。1588v2时间同步原理是：PTP协议-IEEE 1588V2采用主从时钟方案,周期时钟发布,接收方利用网络链路的对称性进行时钟偏移测量和延时测量,实现主从时钟的频率、相位和绝对时间的同步。但是，该技术方案的同步仍然需要通过外部网络同步时间信号(如1588网络时间)才能得到每个从节点与主节点之间的同一帧的时间偏移信息，如果分布式拼接显示系统不能接收到该外部网络同步时间信号则不能完成对各节点的时间同步调整，并不能从根本上解决系统对外部网络信号的依赖问题。
此外，随着技术的发展，现有的分布式的视频处理产品，由于受限于网络传输带宽限制和波动会造成视频帧的延时或丢帧，在实际应用中，难以同时进行本地高清视频信号与远程高清视频信号的叠加、漫游、同步等的控制；并且由于网络延迟、各解码终端帧时间不同步等原因在视频源拼接显示的技术上会造成图像不同步、图像错位、画面延时、抖动、丢帧等现象，导致无法呈现出较好的图像拼接显示效果；特别应用在小间距LED时，由于没有物理的拼缝、容错性更差，画面显示同步效果要求更为严格，在播放运动剧烈的视频和叠加漫游应用时通常会产生尤为明显撕裂，是因为此时数据链路由于物理空间受限的问题，常规的分布式拼接显示系统与控制方法已无法满足其需求，只能通过新的技术思路加以解决。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的上述不足，本发明提供一种分布式视频图像拼接的同步控制方法及系统，通过提供一套不依赖外部同步网络信号，通过AI服务器控制各分布式主控计算机，以及本地各节点产生的时间基准信号和各节点的时间戳进行对比，通过智能的时间算法来弥补网络传输过程中所存在的缺陷，通过计算各个节点的时间差进行对比得出正确的时间戳数据同步至各个解码终端，达到传输到各单组显示屏幕单元的视频拼接信号，在线与离线状态下均能够精准同步的目的，能够彻底解决在网络分布式处理器视频流解码拼接显示时，由于网络传输延时、误码率等因素导致所拼接的图像出现不同步、错位和撕裂等现象，从而同步处理本地高清视频信号与远程高清视频信号，实现视频信号的叠加、切割、漫游、同步控制。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：构建一分布式视频图像拼接同步控制系统，该系统包括通过网络相互连接的如下多个分布式组成部分：多个由M×N多组单元显示屏组成的阵列显示装置(分布式云拼接大屏)，多个内置解码拼接矩阵处理程序的云拼接前端处理器，多个内置分布式拼接控制程序的主控计算机，多个网络交换设备，至少一个内置深度学习程序的AI服务器；每一本地主控计算机均连接有一个或者多个云拼接前端处理器，每一云拼接前端处理器均连接有一个或者多个本地阵列显示装置；每一云拼接前端处理器内均设有多个视频输入节点、多个输出节点，以其中一个视频输入节点为主控输入节点、其他为普通输入节点，以其中一个视频输出节点为主控输出节点、其他为普通输出节点；各个视频输入节点、输出节点内均设有高精度晶体振荡器；
S2：多个视频输入节点分别将采集的视频图像信号发送给本地主控计算机，由主控计算机内置的分布式拼接控制程序，对各个视频输入节点发送的视频流的时间戳进行监测、对比和时间校准，其校准方式为：由各个视频输入节点内部的高精度晶体振荡器生成时间戳、与采集的视频流处理后一并发送至AI服务器；分布式拼接控制程序不间断的实时监测每个输出节点播放输入节点的视频流帧率以及时间戳，进行对比，当对比到某个节点的时间戳出现偏差时，立即向网络内所有的视频输入节点均发出正确的时间戳进行校准，使各个视频输入节点的视频流帧率以及时间戳均保持一致，然后再处理、输出至各个视频输出节点，使各视频输出节点的视频流帧率以及时间戳均保持同步，从而使阵列显示装置(分布式云拼接大屏)的每组单元显示屏所显示的视频信号的视频流帧率以及时间戳均保持同步；
S3：由AI服务器内置的深度学习程序，通过深度学习算法和网络缓冲，对多个异地、分布式设置的主控计算机进行同步控制，使其进一步发出到各个本地云拼接前端处理器、阵列显示装置的视频输入节点的视频流帧率以及时间戳均保持一致。
一种实现前述方法的分布式视频图像拼接大屏的同步控制系统，其特征在于，其包括通过网络相互连接的如下多个分布式组成部分：多个由M×N多组单元显示屏组成的阵列显示装置(分布式云拼接大屏)，多个内置解码拼接矩阵处理程序的云拼接前端处理器，多个内置分布式拼接控制程序的主控计算机，多个网络交换设备，至少一个内置深度学习程序的AI服务器；每一本地主控计算机均连接有一个或者多个云拼接前端处理器，每一云拼接前端处理器均连接有一个或者多个本地阵列显示装置；每一云拼接前端处理器内均设有多个视频输入节点、多个输出节点，以其中一个视频输入节点为主控输入节点、其他为普通输入节点，以其中一个视频输出节点为主控输出节点、其他为普通输出节点；各个视频输入节点、输出节点内均设有高精度晶体振荡器。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法及系统，具备以下有益效果：
(1)本发明提供的分布式视频图像拼接的同步控制方法及系统，通过提供一套不依赖外部同步网络信号，通过AI服务器控制各分布式主控计算机，以及本地各节点产生的时间基准信号和各节点的时间戳进行对比，通过智能的时间算法来弥补网络传输过程中所存在的缺陷，通过计算各个节点的时间差进行对比得出正确的时间戳数据同步至各个解码终端，达到传输到各单组显示屏幕单元的视频拼接信号，在线与离线状态下均能够精准同步的目的，能够彻底解决在网络分布式处理器视频流解码拼接显示时，由于网络传输延时、误码率等因素导致所拼接的图像出现不同步、错位和撕裂等现象，从而同步处理本地高清视频信号与远程高清视频信号，实现视频信号的叠加、切割、漫游、同步控制。
(2)本发明提供的分布式视频图像拼接的同步控制方法及系统，针对性的解决了随着显示处理技术的发展传统拼接单机作业，在大型视频拼接墙应用已无法满足多点多分布音视频显示处理互联互通的应用，根据此问题技术发展从而延伸出了多种网络分布式的视频处理产品。但由于受限于网络传输波动会造成视频帧的延时或丢帧，在实际应用中由于各解码终端帧时间不同步的原因在视频源拼接显示的技术上会造成图像不同步、图像错位、画面延时，丢帧现象显示效果大打折扣，特别在小间距LED应用时由于没有物理的拼缝显示同步效果更为严格，在播放运动剧烈的视频时尤为明显撕裂，此链路由于物理受限的问题常规的网络拼接已无法满足此种应用，本发明需通过采用智能AI算法与硬件相结合的方法，来弥补现有技术存在的缺陷，通过分别远程控制与本地控制相结合的方法，使各个本地云拼接前端处理器、阵列显示装置的视频输入节点的视频流帧率以及时间戳均保持一致。
(3)本发明提供的分布式视频图像拼接的同步控制方法及系统，通过软件与硬件的结合，远程控制与本地控制的结合，解决了对网络分布式处理器视频流解码拼接显示时由于网络延时导致的误码率导致拼接的不同步出现错位和撕裂现象，能够支持远程与本地的多层次、多场所的输入信号实现任意位置显示，叠加漫游应用，使整个网络中的每块输出卡与显示屏幕的拼接皆使用网络交换拼接，解决了因网络的交换弊端会产生网络的丢包导致每个输出的时序不一致问题，能够保证屏幕与屏幕画面播放时需画面图像拼接每帧一致无错位撕裂现象，使得网络中阵列显示装置中的每组单元显示屏，相互之间拼接的画面每帧均能精准同步。
附图说明
图1为本发明实施例分布式视频图像拼接的同步控制系统的网络组成结构示意图。
图2为本发明实施例的同步控制方法及系统模块组成结构示意图；
图3为本发明实施例中本地云拼接前端处理器的同步控制方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中本地阵列显示装置的同步控制方法的流程示意图；
图5为本发明实施例中本地视频输入节点的时间戳同步校正控制方法的流程示意图；
图6为发明实施例中AI服务器远程控制本地主控计算机的同步控制方法的流程示意图；
图7为发明实施例中远程本地主控计算机(副机)与本地主控计算机(主机)的同步控制方法的流程示意图；
图8为发明实施例中同步控制系统的网络拓扑结构示意图。
图中：100、主控计算机；101、目标应用程序窗口信息抓取程序S端；102、编码模块；200、云拼接前端处理器；203、FPGA模块；204、解码模块；205、阵列显示输出模块；300、运行目标应用程序的终端机；301、目标应用程序窗口信息抓取程序B端；400、阵列显示装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
实施例1：
请参阅附图1-图8，本实施例是一个具体的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法及系统的应用案例，其包括多个远程视频图像拼接大屏(阵列显示装置)和至少一个本地视频图像拼接大屏(阵列显示装置)，其中本地阵列显示装置为36块拼接屏幕、采用6*6拼接，项目要求需将远程输入的信号(包括远程和本地实时抓取)实现任意位置显示，叠加漫游应用，每块输出卡与输出屏幕单元的拼接，皆使用网络交换拼接。为了解决因远程与本地网络的交换中网络丢包、迟滞等导致的每个输出画面视频流帧率以及时间戳不能保持一致，出现而产生的错位、撕裂等现象，保证全部网络中各分布式的本地阵列显示装置的每一屏幕与屏幕画面播放时，能够精准保证画面图像拼接每帧一致，采用软件与硬件相结合、远程与本地控制相结合，以实现全网任意本地阵列显示装置所拼接的画面每帧同步。
本实施例提供的分布式视频图像拼接大屏的同步控制系统，其可以采用B/S网络架构或者C/S网络架构，或者采用其他组合的异构网络架构，其包括通过网络相互连接的如下多个分布式组成部分：多个由6×6总计36多单元显示屏组成的本地阵列显示装置(即分布式云拼接大屏)，以及多个分布式的远程阵列显示装置(附图8中未示出)；多个内置解码拼接矩阵处理程序的云拼接前端处理器，多个内置分布式拼接控制程序的主控计算机，多个网络交换设备，至少一个内置深度学习程序的AI服务器(附图8中未示出，实际连接主控计算机)，多个视频信号获取终端机；其中，每一本地主控计算机均连接有一个或者多个云拼接前端处理器，每一云拼接前端处理器均连接有一个或者多个本地阵列显示装置；每一云拼接前端处理器内均设有多个视频输入节点、多个输出节点，以其中一个视频输入节点为主控输入节点、其他为普通输入节点，以其中一个视频输出节点为主控输出节点、其他为普通输出节点；各个视频输入节点、输出节点内均设有高精度晶体振荡器。
本实施例提供的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其包括如下步骤：
S1：首先构建一如图1所示的分布式视频图像拼接同步控制系统，该系统包括通过网络相互连接的如下多个分布式组成部分：多个由M×N多组单元显示屏组成的阵列显示装置(分布式云拼接大屏)，多个内置解码拼接矩阵处理程序的云拼接前端处理器，多个内置分布式拼接控制程序的主控计算机，多个网络交换设备，至少一个内置深度学习程序的AI服务器；每一本地主控计算机均连接有一个或者多个云拼接前端处理器，每一云拼接前端处理器均连接有一个或者多个本地阵列显示装置；每一云拼接前端处理器内均设有多个视频输入节点、多个输出节点，以其中一个视频输入节点为主控输入节点、其他为普通输入节点，以其中一个视频输出节点为主控输出节点、其他为普通输出节点；各个视频输入节点、输出节点内均设有高精度晶体振荡器；
S2：多个视频输入节点分别将采集的视频图像信号发送给本地主控计算机，由主控计算机内置的分布式拼接控制程序，对各个视频输入节点发送的视频流的时间戳进行监测、对比和时间校准，其校准方式为：由各个视频输入节点内部的高精度晶体振荡器生成时间戳、与采集的视频流处理后一并发送至AI服务器；分布式拼接控制程序不间断的实时监测每个输出节点播放输入节点的视频流帧率以及时间戳，进行对比，当对比到某个节点的时间戳出现偏差时，立即向网络内所有的视频输入节点均发出正确的时间戳进行校准，使各个视频输入节点的视频流帧率以及时间戳均保持一致，然后再处理、输出至各个视频输出节点，使各视频输出节点的视频流帧率以及时间戳均保持同步，从而使阵列显示装置(分布式云拼接大屏)的每组单元显示屏所显示的视频信号的视频流帧率以及时间戳均保持同步；
S3：由AI服务器内置的深度学习程序，通过深度学习算法和网络缓冲，对多个异地、分布式设置的主控计算机进行同步控制，使其进一步发出到各个本地云拼接前端处理器、阵列显示装置的视频输入节点的视频流帧率以及时间戳均保持一致。
更为具体的，在所述的步骤S1中，所述的多个视频输入节点的信号源，包括：远程视频输入信号源和本地视频输入信号源；所述的网络包括有线网络和无线网络；所述的每个输出节点分别连接一组对应的单元显示屏。
所述的步骤S1中，其构建的分布式视频图像拼接大屏的同步控制系统还包括多个通过网络与主控计算机连接的多个远程移动控制终端；各远程移动控制终端通过无线网络发送控制信号给主控计算机，再由其控制网络内的其他设备，实现分布式视频图像拼接大屏的同步播放。
所述的步骤S1中的AI服务器内置的AI深度学习程序，根据网络内各分布式主控计算机连接的每个输入节点、输出节点，特别是主控输入节点和主控输出节点的波动的网络波动频率，通过主AI深度学习算法，得到由每一主控计算机控制的本地主控输入节点和主控输出节点对其他节点进行时间校正、并使频差同步减小到设定范围内的算法，确保每个节点出现时间差和频差同步调整到一致。
所述的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，所述的步骤S2中，主控计算机在网络内对本地各视频输入节点所发送视频帧的同步步骤为：
S21：启动网络内各输入节点、输出节点，对启动后各输入节点的接口时钟进行连接、校准，确保时间一致；
S22：在系统初始化前配置各输出节点的时钟参数，在初始启动输出视频作业时，先按照输出的流程，调用初始输出节点的时钟接口；
S23：各输入节点启动视频采集作业，AI服务器调用各个输入节点时钟接口，开启或者关闭时钟接口，在出现误码时重新启动时钟接口、获取正确的时钟数据；
S24：云拼接前端处理器(解码拼接矩阵处理程序)在AI服务器的控制下，解码拼接矩阵处理程序将输入节点的视频信号解码发送给输出节点时，对各个输出节点的时钟进行重新关闭、开启动作，保证各个输出节点的时间戳一致；关闭时钟和开启时钟是对时钟相应的bit位进行操作，关闭、启动时钟所需的时间时效益1毫秒，不影响正在显示的图像效果；
S25：AI服务器的控制下依次启动远程的各分布式主控计算机、云拼接前端处理器及阵列显示装置，各分布式云拼接前端处理器启动本地解码，发送输入节点的视频帧动作至输出节点解码，确保各输入节点视频帧到各输出节点时的帧率一致、时间一致，各输出节点输出至对应的单元显示屏呈现，达到阵列显示装置的各组单元显示屏视频图像的完全同步拼接；
S26：AI服务器的控制下，各阵列显示装置的输入节点、输出节点启动后，如发现任一输入节点出现时间差，则AI服务器执行对网络内全部的输入节点进行时间戳对比动作，如AI服务器监听到误码后重复以上步骤S23、S24、S25，重新校准，从使各个阵列显示装置的输入节点和输出节点的帧率与时间保持一致；
S27：所述云拼接前端处理器的每个主控输出节点，均内置可编程差分式的高精度晶振震荡器，该晶振震荡器基于时钟生产的基础电路，通过校准每个输出节点的网络传输的误码率得出信号误码波动范围；通过主控输出节点编辑可编程晶振的震荡频率偏频数据，调用AI服务器中预设的对比深度学习计算方法，计算出主控的校正频率数据，再利用该校正频率数据校正同一网络内的其他全部输入节点的频率数据，使全面输入节点的频差均减小到设定的范围内。
所述的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，在所述的步骤S3中，对各输出节点视频进行同步控制、校准时间戳的步骤为：
S31：AI服务器通过控制解码拼接矩阵处理器，分别对多个输出节点的时间戳校正：各输入节点的视频流发送到各个输出节点播放时，对各输出节点的视频流的帧率以及时间戳进行对比计算；主控输出节点实时监测正在播放视频流的节点时间戳对比，如发现其中的A节点出现误码时，该主控输出节点立即发送正确时间戳给同一网络内的B节点、C节点全部的输出节点进行校准，确保每帧视频时间戳均一致，实现各个阵列显示装置的各单元显示屏的视频均同步输出。
S32：AI服务器对各输出节点视频进行同步控制、校准时间戳的步骤为：由AI服务器控制各输出节点先进行视频帧缓存处理、然后再进行帧同步调用，具体为：先将一个需要输出视频的视频帧进行缓存在各输出节点的渲染器中，缓存完成后把缓存帧的时间戳实时同步到AI服务器；AI服务器决定渲染某一帧时，同时向多个分布式主控计算机发送渲染某缓存帧指令；如果要播放的视频是30帧每秒，则AI服务器将每秒向所有输出节点的主控计算机送30次渲染缓存帧指令；缓存在内存中的视频帧渲染后、在呈现到屏幕前，先将渲染后的数据复制到各有输出节点的显存中，各输出节点在收到渲染指令后，能实现无渲染延时地输出。
S33：主控计算机的各输出节点在收到渲染指令后，对应主屏的输出节点在渲染前，先检查所有对应副屏的输出节点的缓存，如果所有副屏的缓存中都有当前要渲染的帧，则立即同步渲染，以实现播放视频时各输出节点的时间戳一致、帧率一致，使各组单元显示屏的视频数据播放同步。
参见附图3-4，本实施例中对网络本地各组单元显示屏的的分布式拼接显示，由主控输出节点，从输出节点，信号接入输入节点，网络交换设备组成，各个节点间通过网络由主控节点进行视频流的时间戳进行监测对比，时间校准依据为内部高精度晶振进行处理不断监测每个输出节点播放输入节点的视频流帧率以及时间戳进行对比，对比到某个节点时间偏差时发出正确的时间戳进行校准处理各个输出的节点保持时间一致达到同步。例如，主控输出节点1启动对从节点发送时间戳到从节点2、3、4、输入节点从节点校准时间，各个节点收到主控节点后不断向主控节点发送时间戳信息，各个节点输出的时间戳保持一致，如某一个节点或多个节点时间戳发送偏差时或多主控实时监测到错误的时间戳信息重新发送正常的时间信息进行实时校准，处理时间为毫秒级不影响屏幕拼接显示的效果。
其中，在一个在本地网络内多个视频输入节点、输出节点组成发送视频帧的同步业务工作流程步骤为：
步骤1：使各输入输出节点启动开启设备的接口时钟进行连接校准确保时间一致；
步骤2：启动业务，系统初始化前配置模块时钟参数，在初始启动输出业务时依旧按照输出的流程调用节点时钟接口
步骤3：调用各个节点时钟接口调用开启关闭时钟接口，实现出现误码时重新启动获取正常时钟；
步骤4：在输入节点给信号给输出节点解码时对各个输出节点的时钟进行重新关闭，开启动作保证各个节点是时间戳一致，关闭时钟开启时钟仅仅对时钟相应的bit位进行操作，关闭启动时为毫秒级处理不影响正在显示的图像效果；
步骤5：启动各设备启动解码发送输入节点的视频帧动作至输出节点解码确保视频帧到输出节点帧率一致，时间一致达到拼接完全同步；
步骤6：各业务功能启动后出现时间差主控节点进行时间戳对比动作，主控节点监听到误码后重复以上步骤3、4、5动作重新校准从节点保持拼接一致。
本实施例提供的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法及系统，支持对实时监控、实时抓取信号的处理和分发,能够实时同步,覆盖多个城市、多场景的实时视频分发,支持多线下同步部署,支持画面灵活切换，无漫游，监控中心、数据中心、展示中心等均可随时访问，完全突破了不同地域分布的限制。
本实施例采用的云拼接前端处理器(即解码拼接矩阵处理器)，支持多画面拼接分割，最大支持36画面分割，在1-36画面内任意分割；支持多种控制方式(键盘、鼠标、平板、手机等)。
本实施例采用的多个由M×N多组单元显示屏组成的阵列显示装置，是采用6*6面LED拼接组成的整体无缝拼接幕墙大屏；每面LED分辨率为4K，播放的视频源分辨率也为4K，每面LED均连接本地的主控计算机(电脑主机)，本地通过局域网通信实现视频同步播放。由于整个大屏空间显示的是一个完整的画面，就要求每个LED的视频帧均能精确同步，否则就会出现画面割裂。传统的同步方法是等每台主机就绪后由中控端同时向这几台主机发送播放指令，使得视频一起播放，这样往往在播放一段时间后就会出现偏差，所以必须采用本发明提供的控制方法，才能实现本地与远程的分布式同步控制。
本实施例采用的视频帧缓存处理过程为：一个视频的播放通常经过分离器->解码器->渲染器，我们在渲染器中对视频帧进行缓存，并把缓存帧的时间戳实时同步到服务器。服务器决定渲染某一帧时，同时向多个主机发送渲染某缓存帧指令。如果要播放的视频是30帧每秒，那么服务器将每秒向所有主机发送30次渲染缓存帧指令。缓存在内存中的视频帧要呈现到屏幕上需要先将数据复制到显存，由于分辨率通常很高这个复制也需要耗时，好在现在的显卡显存都很高，为了更精确本发明把视频帧直接缓存在显存中。这样保证了在收到渲染指令后能无延时地渲染。
参见附图5，本发明采用的分布式视频同步的高精度晶振振荡器校准判断依据方法，包括如下步骤：
每个输出节点主控使用可编程差分式高精度晶振震荡器基于时钟生产的基础电路，通过校准每个节点的网络传输的误码率得出信号误码波动范围，通过主控编辑可编程晶振的震荡频率偏频数据制定一套对比计算方法，如A节点出现0，B节点出现1时主控利用以上所述结构得出计算公式将判断每个节点的基本误码率进行数据判断校准达到时间一致的方法，结合网络的每个节点输入节点、输出节点、主控节点等波动的网络波动频率通过主控进行校正达到频差减小的，确保每个节点的时间出现时间差的频率减小达到时间准确的方法
参见附图6-7，本实施例采用的视频同步播放通信协议协议基于UTP协议。其中主屏为服务器端，副屏为客户端，在副屏登记主屏的IP地址和端口。其中副屏主动连接主屏，如果连接断开则无限次重连；在主屏维护一个状态数组，实时记录所有的副屏的状态；每个连接使用一个线程维护。
1、数据包格式
数据包起始标识：以0x02开头，以0x03结尾。数据包内容格式：内容为14个ascii字符，前4个字符表示命令，后面10个字符表示参数。每个数据包为16个字节。
2、命令定义实例
发送HELO字符；副屏连接上主屏后主动发送HELO，主屏收到HELO后需要立即回复一个HELO；副屏在发送HELO后两秒还没有收到主屏的回复，可以认为连接没有成功；参数格式为10个0；发送PLAY，主屏向副屏发送，从头播放视频，参数格式AA0000+4位视频编号，AA是两位数字，缓存视频帧最大量；如果视频编号为"OPEN"，或者副屏没有这个视频编号，则表示需要显示打开文件对话框；发送REND，主屏向副屏发送，渲染视频帧，参数格式为10位时间戳，发送JUMP，主屏向副屏发送跳转，参数格式为10位时间戳；跳转后副屏自动清空，发送CACH，副屏向主屏发送，已缓存视频帧，参数格式为10位时间戳，发送CACR；副屏向主屏发送已删除缓存视频帧，参数格式为10位时间戳；CLCA，副屏向主屏发送已删除所有缓存视频帧。
主屏在渲染前，先检查所有副屏的缓存，如果所有副屏的缓存中都有当前要渲染的帧，则立即同步渲染，使播放视频时时间戳一致、帧率一致，实现视频播放同步。
本实施例提供的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法及系统，支持本地与异地共4处、6*6拼接的大屏，经过实际测试，本发明能够实现4K超高清解码，分辨率达4KX2K(4096*2160)，支持图像漫游、无缝切换，可以广泛适用于公安、消防、军事、气象、铁路、航空等多个领域的控制中心等建设工程。
参见附图2，本发明实施例采用的实时视频信号采集与网络推送方法，其包括如下步骤：
(1)设置一主控计算机100及分别与该主控计算机100网络连接的云拼接前端处理器200和多个运行目标应用程序的终端机300；所述主控计算机100及各终端机300内置的控制程序中分别安装有B/S架构的S端与B端目标应用程序窗口信息抓取程序；所述的主控计算机100还内置有编码模块102；该内置的B/S架构程序可以为一个单独工作，例如可以采用FastStone Capture程序进行屏幕截图、抓屏、屏幕录像；也可以同时采用多个程序并行工作：例如可以采用snipaste软件进行截图、贴图；采用调用Win32 API来捕获屏幕或当前活动窗口的源代码(如具体调用API函数"BitBlt"，或使用GDI32.dll来实现捕获屏幕或者当前活动窗口)；采用c#开发的窗口信息获取器、窗口信息提取器等软件；采用Pazera FreeAudio Extractor、Abelssoft MusicExtractor等提取音频数据；各程序并行运行、各自抓取对应的数据，并发送给主控计算机100。
所述的云拼接前端处理器200包括相互连接的：目标应用程序窗口信息接收模块201、FPGA模块203、解码模块204和阵列显示输出模块205；
(2)通电运行，各终端机中的目标应用程序窗口信息抓取程序B端，抓取各终端机正在运行的应用程序的窗口信息(包括并不限于UI界面)数据，并通过网络发送到S端的主控计算机100，由S端的目标应用程序窗口信息抓取程序对其进行排序、编组、打包等数据处理，然后由编码模块102按照设定的编码标准进行音视频编码；
(3)主控计算机100将处理后的窗口信息(音视频、图像)编码数据，通过流媒体传输网络，发送给云拼接前端处理器200的目标应用程序窗口信息接收模块201，其接收后转给FPGA模块203；
(4)FPGA模块203对窗口信息编码数据进行处理，包括：将一个编码窗口图像切换分割成多个窗口图像、或者将多个编码窗口图像拼接成一个窗口图像，然后进行编组、打包、排序，生成新的窗口信息编码数据；
其中，云拼接前端处理器200的FPGA模块203，对接收到的窗口信息，进行画面任意窗口排列显示、图层叠加、窗体漫游及画面分割运算处理后，再将得到的流媒体(图像视频流)信息发送至所述阵列显示输出模块205，进行最终的集成化阵列窗口信息显示；
(5)解码模块204对新的窗口信息编码数据进行解码，并按照编组、打包、排序，将解码后的数据还原为窗口信息，然后根据用户设定的规则生成流媒体信号，发送给用户指定的阵列显示输出模块205；
(6)阵列显示输出模块205将该流媒体信号，发送给外部阵列显示装置(400)，进行集成化阵列窗口信息显示，完成信息推送。
所述的目标应用程序窗口信息抓取程序S端或B端，通过窗口监听及流媒体网络远程控制，抓取各终端机上运行的目标应用程序的窗口信息；所述的目标应用程序窗口信息，包括出现在目标应用程序的活动窗口、窗口/对象、矩形区域、手绘区域、整个屏幕、滚动窗口、固定区域内的，文字、符号、视频、音频或图像信息。
所述的目标应用程序窗口信息抓取程序S端101或B端301，通过流媒体传输协议的动态控制，进行单台终端机(电脑)的多层应用程序窗口信息的动态抓取。
本发明实施例中，流媒体可采用一下列网络协议之一，包括：实时传输协议RTP(Real-time Transport protocol)；实时传输控制协议RTCP(Real-time TransportControl protocol)，实时流协议RTSP(Real Time Streaming protocol)。
本发明采用的编码模块(102)为海思HI3521A编码芯片；所述解码模块
(204)为海思HI3536解码芯片，该解码芯片内置的SOC应用处理程序，对窗口信息进行数据的接收、编组、打包、排序的数据处理。
所述云拼接前端处理器(200)为GS6000云拼接图像处理器；所述的多个运行目标应用程序的终端机，为电脑终端、智能设备终端或PLC终端之一；
本发明实施例可以实现多目标应用程序窗口信息抓取、截图功能，可以捕捉：活动窗口、窗口/对象、矩形区域、手绘区域、整个屏幕、滚动窗口、固定区域，可以进行屏幕录像(输出格式为WMV)，并对其进行处理后，根据客户的需求进行网络推送系统。本发明的多目标视频信息抓取，包括了全屏截取，当前活动窗口截取，截取选定区域，多边形截取和截取滚动页面等。
本发明采用软硬件结合、本地与远程控制结合的方式，对分布式拼接处理器多个输出节点的时间戳校正，输入节点视频流给到各个输出节点播放时输出节点根据视频流的帧率以及时间戳进行对比计算，主控实时监测正在播放视频流的节点时间戳对比，如A节点出现误码时主控立即发送正确时间戳给网络内的B节点或C节点进行校准，确保每帧视频时间戳一致达到视频同步效果，解决了对网络分布式处理器视频流解码拼接显示时由于网络延时导致的误码率导致拼接的不同步出现错位和撕裂等不良现象，让大屏幕的各拼接单元的显示屏，相互之间显示的视频画面流畅、平滑，完全杜绝时快时慢与抖动、错误、撕裂等现象。
本发明通过网络设备对本地与异地的信号源进行分布式抓取、编辑和集成化展示，全部使用网络连接，使用的设备少、运行效率高，可广泛应用于大数据平台、集成化智能监控等技术领域。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：构建一分布式视频图像拼接同步控制系统，该系统包括通过网络相互连接的如下多个分布式组成部分：多个由多组单元显示屏组成的阵列显示装置(分布式云拼接大屏)，多个内置解码拼接矩阵处理程序的云拼接前端处理器，多个内置分布式拼接控制程序的主控计算机，多个网络交换设备，至少一个内置深度学习程序的AI服务器；每一本地主控计算机均连接有一个或者多个云拼接前端处理器，每一云拼接前端处理器均连接有一个或者多个本地阵列显示装置；每一云拼接前端处理器内均设有多个视频输入节点、多个输出节点，以其中一个视频输入节点为主控输入节点、其他为普通输入节点，以其中一个视频输出节点为主控输出节点、其他为普通输出节点；各个视频输入节点、输出节点内均设有高精度晶体振荡器；
S2：多个视频输入节点分别将采集的视频图像信号发送给本地主控计算机，由主控计算机内置的分布式拼接控制程序，对各个视频输入节点发送的视频流的时间戳进行监测、对比和时间校准，其校准方式为：由各个视频输入节点内部的高精度晶体振荡器生成时间戳、与采集的视频流处理后一并发送至AI服务器；分布式拼接控制程序不间断的实时监测每个输出节点播放输入节点的视频流帧率以及时间戳，进行对比，当对比到某个节点的时间戳出现偏差时，立即向网络内所有的视频输入节点均发出正确的时间戳进行校准，使各个视频输入节点的视频流帧率以及时间戳均保持一致，然后再处理、输出至各个视频输出节点，使各视频输出节点的视频流帧率以及时间戳均保持同步，从而使阵列显示装置(分布式云拼接大屏)的每组单元显示屏所显示的视频信号的视频流帧率以及时间戳均保持同步；
S3：由AI服务器内置的深度学习程序，通过深度学习算法和网络缓冲，对多个异地、分布式设置的主控计算机进行同步控制，使其进一步发出到各个本地云拼接前端处理器、阵列显示装置的视频输入节点的视频流帧率以及时间戳均保持一致。
2.根据权利要求1所述的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中，
所述的多个视频输入节点的信号源，包括：远程视频输入信号源和本地视频输入信号源；
所述的网络包括有线网络和无线网络；
所述的每个输出节点分别连接一组对应的单元显示屏。
3.根据权利要求2所述的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中，还包括多个通过网络与主控计算机连接的多个远程移动控制终端；各远程移动控制终端通过无线网络发送控制信号给主控计算机，再由其控制网络内的其他设备，实现分布式视频图像拼接大屏的同步播放。
4.根据权利要求1所述的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中的AI服务器内置的AI深度学习程序，根据网络内各分布式主控计算机连接的每个输入节点、输出节点，特别是主控输入节点和主控输出节点的波动的网络波动频率，通过主AI深度学习算法，得到由每一主控计算机控制的本地主控输入节点和主控输出节点对其他节点进行时间校正、并使频差同步减小到设定范围内的算法，确保每个节点出现时间差和频差同步调整到一致。
5.根据权利要求1所述的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其特征在于，所述的步骤S2中，主控计算机在网络内对各视频输入节点所发送视频帧的同步步骤为：
S21：启动网络内各输入节点、输出节点，对启动后各输入节点的接口时钟进行连接、校准，确保时间一致；
S22：在系统初始化前配置各输出节点的时钟参数，在初始启动输出视频作业时，先按照输出的流程，调用初始输出节点的时钟接口；
S23：各输入节点启动视频采集作业，AI服务器调用各个输入节点时钟接口，开启或者关闭时钟接口，在出现误码时重新启动时钟接口、获取正确的时钟数据；
S24：云拼接前端处理器(解码拼接矩阵处理程序)在AI服务器的控制下，解码拼接矩阵处理程序将输入节点的视频信号解码发送给输出节点时，对各个输出节点的时钟进行重新关闭、开启动作，保证各个输出节点的时间戳一致；关闭时钟和开启时钟是对时钟相应的bit位进行操作，关闭、启动时钟所需的时间时效益1毫秒，不影响正在显示的图像效果；
S25：AI服务器的控制下依次启动远程的各分布式主控计算机、云拼接前端处理器及阵列显示装置，各分布式云拼接前端处理器启动本地解码，发送输入节点的视频帧动作至输出节点解码，确保各输入节点视频帧到各输出节点时的帧率一致、时间一致，各输出节点输出至对应的单元显示屏呈现，达到阵列显示装置的各组单元显示屏视频图像的完全同步拼接；
S26：AI服务器的控制下，各阵列显示装置的输入节点、输出节点启动后，如发现任一输入节点出现时间差，则AI服务器执行对网络内全部的输入节点进行时间戳对比动作，如AI服务器监听到误码后重复以上步骤S23、S24、S25，重新校准，从使各个阵列显示装置的输入节点和输出节点的帧率与时间保持一致。
6.根据权利要求5所述的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其特征在于，所述的步骤S2中，对各输入节点视频进行同步控制、校准时间戳的步骤还包括：
S27：所述云拼接前端处理器的每个主控输出节点，均内置可编程差分式的高精度晶振震荡器，该晶振震荡器基于时钟生产的基础电路，通过校准每个输出节点的网络传输的误码率得出信号误码波动范围；通过主控输出节点编辑可编程晶振的震荡频率偏频数据，调用AI服务器中预设的对比深度学习计算方法，计算出主控的校正频率数据，再利用该校正频率数据校正同一网络内的其他全部输入节点的频率数据，使全面输入节点的频差均减小到设定的范围内。
7.根据权利要求1所述的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其特征在于，所述的步骤S3中，对各输出节点视频进行同步控制、校准时间戳的步骤为：
S31：AI服务器通过控制解码拼接矩阵处理器，分别对多个输出节点的时间戳校正：各输入节点的视频流发送到各个输出节点播放时，对各输出节点的视频流的帧率以及时间戳进行对比计算；主控输出节点实时监测正在播放视频流的节点时间戳对比，如发现其中的A节点出现误码时，该主控输出节点立即发送正确时间戳给同一网络内的B节点、C节点全部的输出节点进行校准，确保每帧视频时间戳均一致，实现各个阵列显示装置的各单元显示屏的视频均同步输出。
8.根据权利要求7所述的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其特征在于，所述的步骤S3还包括：
S32：AI服务器对各输出节点视频进行同步控制、校准时间戳的步骤为：由AI服务器控制各输出节点先进行视频帧缓存处理、然后再进行帧同步调用，具体为：先将一个需要输出视频的视频帧进行缓存在各输出节点的渲染器中，缓存完成后把缓存帧的时间戳实时同步到AI服务器；AI服务器决定渲染某一帧时，同时向多个分布式主控计算机发送渲染某缓存帧指令；如果要播放的视频是30帧每秒，则AI服务器将每秒向所有输出节点的主控计算机送30次渲染缓存帧指令；缓存在内存中的视频帧渲染后、在呈现到屏幕前，先将渲染后的数据复制到各有输出节点的显存中，各输出节点在收到渲染指令后，能实现无渲染延时地输出。
9.根据权利要求8所述的分布式视频图像拼接大屏的同步控制方法，其特征在于，所述的步骤S3还包括如下步骤：
S33：主控计算机的各输出节点在收到渲染指令后，对应主屏的输出节点在渲染前，先检查所有对应副屏的输出节点的缓存，如果所有副屏的缓存中都有当前要渲染的帧，则立即同步渲染，以实现播放视频时各输出节点的时间戳一致、帧率一致，使各组单元显示屏的视频数据播放同步。
10.一种实现权利要求1-9任一项所述方法的分布式视频图像拼接大屏的同步控制系统，其特征在于，其包括通过网络相互连接的如下多个分布式组成部分：多个由多组单元显示屏组成的阵列显示装置(分布式云拼接大屏)，多个内置解码拼接矩阵处理程序的云拼接前端处理器，多个内置分布式拼接控制程序的主控计算机，多个网络交换设备，至少一个内置深度学习程序的AI服务器；每一本地主控计算机均连接有一个或者多个云拼接前端处理器，每一云拼接前端处理器均连接有一个或者多个本地阵列显示装置；每一云拼接前端处理器内均设有多个视频输入节点、多个输出节点，以其中一个视频输入节点为主控输入节点、其他为普通输入节点，以其中一个视频输出节点为主控输出节点、其他为普通输出节点；各个视频输入节点、输出节点内均设有高精度晶体振荡器。
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Cited By (2)
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