2023 年 02 月 07 日
2022 年度 情報・ネットワーク工学専攻

CS プログラム 修士論文発表会

FPGA を用いた不規則形状のタイルドディスプレイシステムの開発
I 専攻 成見研究室 学籍番号:2131063

1 背景

木村智美

4 システムのハードウェア構成

近年，ディスプレイを用いて情報を発信するデジタルサイネージの本システムは FPGA と GPU, ディスプレイを図 1 のように HDMI

普及が進んでいる．主に商業施設や屋外などで広告や看板，掲示板とケーブルで接続する．映像出力に用いるコンピュータのディスプレイして利用される．特に若い世代に対してデジタルディスプレイを用い設定から回転および配置を設定する．

た情報提供が有効だという報告 [1] もあるように，効果的な情報提供や用いて 1 つの大画面を構成する．SAGE2 はネットワークを介して高FPGA ボードには Digilent 社の ZYBO を用い，1 枚から最大 3 つのディスプレイに映像を出力する（図 2）．HDMI 端子が 1 つしか搭載されていないため，出力のみ可能な HDMI 端子を 3 つ増設できる拡張基板を作成した．GPU は NVIDIA 社の GeForce GTX 1050 Tiを使用した．DVI-D, DisplayPort の端子に変換コネクタを用いて 3本の HDMI ケーブルを接続した (図 3)．ディスプレイは，EIZO 社のEV2456 を使用した．縦横比は 16:10 で，対応している解像度のうち1280x800@59.81Hz で出力する．大学の計算機室で使っていないものを借りた．木の板に VESA マウントをねじ付けして作成した専用スタ解像度のタイルドディスプレイを実現できる [3]．しかし，ソフトウェンドに取り付けた．

集客効果の向上が期待されている．しかし，多くの場合は短時間しか見ていないことやかなり遠くから見ていることが分かっている [2]．したがって，デジタルサイネージをより見てもらうために，人々の視線を集めて興味を惹くような工夫を施すことや，遠くからでも視認できるよう大型化することが重要だと考えられる．
なるべく低コストで大画面を構築するための技術として，タイルドディスプレイと呼ばれるものがある．これは，複数のディスプレイをアによる実装のためディスプレイ間でずれが生じる．完全に同期をと5 FPGA システムるためにはハードウェアでシステムを構成する必要がある．

開発した回路のブロック図を図 4 に示す．Digilent 社と Xilinx 社の2 研究目的

IP(Intellectual Property) コアを用いた．
5.1 入力解像度と出力領域の決定

本研究では，FPGA(Field Programmable Gate Array) を用いて，7セグメント形状のタイルドディスプレイシステムの開発を行う．大き入力映像の解像度は，ベゼルコレクションの考え方をもとに，ディスな７セグメントディスプレイのような配置にすることで，大画面としプレイのない部分にもコンテンツが表示されるとして計算した．領域ての利用と巨大な数字の表現を同時に可能にする．変わった形状にす全体を 3 つの FPGA に分割する（図 5）．FPGA の汎用 I/O ポートのることで注目されやすくすることも目的である．

データ転送レートは 1 ペア当たり 1.2Gbps であり，3 ペアで RGB の情システムの構築には FPGA と一般的な GPU(Graphic Processing

報を伝送する HDMI では映像データレートの限界は 3.6Gbps になる．

Unit) を用い，市販の機器のみを用いてディスプレイ間の同期がとれるようにする．映像信号は HDMI ケーブルで入出力するため，一般的なPC 用ディスプレイを使用することができ，余ったディスプレイの有効FPGA への入力解像度がこの値を超えないようにするためディスプレ
イ 1 枚あたりの解像度を 1280x800 とし，システム全体の入力解像度が2942x4322@24.002Hz となるようにした．FPGA の出力は入力映像のうちの一部を出力先のディスプレイの位置に合わせて切り出す（図 6）．

活用にも繋がる．

3 既存研究FPGA を用いた 4K タイルドディスプレイシステム [4]白井は，低コストで軽量な FPGA を用いた 4K タイルドディスプレ
イシステムを開発した．YCbCr4:2:0 の色空間をサポートしてデータを削減し，4K 解像度 (3840x2160) の映像表示に対応した．ディスプレ
3.1

イの縁であるベゼルには映像出力がされず，映像を単に分割しただけではずれたように見える，というタイルドディスプレイ固有の問題があり，ベゼル部分の映像を間引くことで補正する（ベゼルコレクション）．白井のシステムでは，動的にベゼル幅の設定ができるが 4 枚の図1ディスプレイ出力にしか対応していない．

システム概要

3.2 MovieTile[5]Ohta らは，複数のモバイルデバイスを使用してマルチディスプレイ環境を構築するシステム MovieTile を開発した．異なった画面サイズのデバイスを並べ，全体で 1 つの画面として映像を表示することができる．タッチパネルを活用した直感的なインターフェースで設定を行う．自由な形状の画面を形成可能であり，より芸術性の高い印象を与えることができる．変わった形状で目を惹くことはできるが，ソフトウェアで実現しているためディスプレイ間の同期がとれない．
図 3 GPU と HDMI の接続
図21

拡張基板と ZYBO

図7

システム全体に表示した画像とその撮影画像の重ね合わせ

図 4 FPGA システムのブロック図

図 8 3 つの数字表現モードで 4 つのコンテンツを表示

図5

入力領域と FPGA への分割

5.2

図6

出力範囲の切り出し

映像入力部

映像入力部では，HDMI 信号を RGB 形式に変換したあと AXI4Stream インターフェースに対応させ，「AXI Video DMA(VDMA)」を用いて DMA(Direct Memory Access) 方式で DDR メモリ上のフレームバッファに書き込む．VDMA は Zynq の CPU から設定を行い，入力サイズを各 FPGA の入力解像度と対応させた．また，EDID
出力回路からは EDID を入力用 HDMI ポートの DDC チャネルを介して PC に伝送する．EDID は FPGA の入力解像度を伝える役割をする
ため，このシステムに適応する EDID を Digilent 社の E-EDID Editor

図 9 60fps の動画内で色が切り替わる前後の 4 コマ

6.3 ディスプレイ間の同期についての評価
24fps で画面全体が緑から黄色に変化する動画を本システムで表示
し，スマートフォンで 60fps 動画で撮影してコマ送りすることでディスプレイ間での同期を評価した．出力映像の一部が次のフレームになっを用いて作成した．

た状態が 2 コマ表示されたが，これは入力周波数と出力周波数のずれ映像出力部によるものだと考えられる．また，同一の FPGA ボードに接続された5.3映像出力部では，VDMA を用いて DDR メモリから必要な映像信号ディスプレイでは完全に同期がとれている．異なる FPGA ボード間でを読み出し，「VTC」で生成したビデオタイミングに合わせてビデオ信はタイミングがずれているが，24fps の 1 フレーム以内に収まっている号に変換する．この信号を自作した映像加工用回路を通し，RGB 形式ため大きな問題ではないと考えられる．

から HDMI 信号に変換して拡張基板を接続した Pmod へと出力する．

7 まとめと今後の課題

DDR メモリからの読み出しは VDMA を用いる．1 個は読み書き用に，2 個は読み出し用に使用する．読み出し開始位置は，図 6 に示した左上のピクセルの座標となるように各 VDMA で異なるアドレスを指定した．複数の「AXI4-Stream to Video Out」に対して一つの VTC本研究では，巨大な数字と映像コンテンツを同時に表示することができる 7 セグメント形状という新たな配置のタイルドディスプレイシス
テムを開発した．異なる FPGA に接続したディスプレイ間でも同期ずれはわずかであり，1 つの大きな画面として使用できる．数字表現としからタイミング信号を供給することで出力を同期している．て 3 つのモードを提案し，表示するコンテンツに合わせて最適なモー映像加工回路では，スイッチで 3 つの数字表現モードを切り替える．

ドを選ぶことで人々の興味を惹くこれまでにないデジタルサイネージ

HIDE モードでは，消灯画面の RGB 値を (0,0,0）にする．BW モード
では，消灯画面の RGB 値をグレースケールに変換する．RED モード
では，点灯画面の R の値を +100 し，B と G の値を-100 する．ボタンの可能性を示した．
今後の課題としては，解像度やリフレッシュレートの向上，全ディスプレイ間の厳密な同期，表示領域のボタンでの変更，カメラを用いを押すと次の数字に切り替わる．

た配置のキャリブレーション，7 セグメント以外の形状への対応などがある．

6 評価
6.1

参考文献

ベゼルコレクションの評価[1] Mari Ervasti, Juha Häikiö, Minna Isomursu, Pekka Isomursu and Tiina Liuska,Digital Signage Eﬀectiveness in Retail Stores, Human-Computer Interaction –INTERACT 2015 , Lecture Notes in Computer Science, vol.9297, pp.455–462,
2015.
[2] Nicholas S. Dalton, Emily Collins and Paul Marshall. Display Blindness? Looking Again at the Visibility of Situated Displays using Eye Tracking, CHI ’15:
Proceedings of the 33rd Annual ACM Conference on Human Factors in Computing Systems, pp.3889-3898, 2015.
[3] The University of Illinois, ”SAGE2”, https://sage2.sagecommons.org/, (最終アクセス日 2023 年 2 月 3 日)
[4] 白井暁， FPGA を用いた 4K タイルドディスプレイシステムの開発 ，電気通信大学 情報・ネットワーク工学専攻 修士論文, 2019．
[5] Takashi Ohta, Jun Tanaka. MovieTile: interactively adjustable free shape multidisplay of mobile devices, SIGGRAPH Asia 2015 Mobile Graphics and Interactive Applications, Article No.18, pp.1-7, 2015.

全体に一枚の画像を表示したものを撮影し，元の画像と撮影画像を重ね合わせることでベゼルコレクションの評価を行った（図 7）．おおむね合っているが，中央下の 1 枚など大きなズレが生じている部分もある．

6.2

7 セグメント形状を用いた数字表現

使用シーンを想定して用意した表示コンテンツに 3 つの数字表現モードを適用して見え方を確認した．コンテンツの色味が重要か，表示されない部分があってもいいか，数字表現を強調したいかなどの条件によって適するモードが異なる．

2