2021 年 2 月 12 日
2020 年度 I 類 (情報系) コンピュータサイエンスプログラム 卒業研究最終発表会

FPGA を用いたタイルドディスプレイシステムのベゼルコレクション自動化
I 類コンピュータサイエンスプログラム 学籍番号:1710203 成見研究室 木村智美

1

はじめに

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既存技術・既存研究

2.1

業務用マルチディスプレイコントローラー
レイを実現するための FPGA ボードは既存のシステムを用G413[1]
いた．これにカメラモジュールを備えた Raspberry Pi を接4K の高解像度映像を表示することができる．それまでのFPGA によるシステムと違い，ベゼル幅の設定を変更する
1.1 背景ために FPGA 回路を再コンパイルする必要はなく，スイッ複数のディスプレイを用いて大画面を構成するタイルドチを用いて調整可能な動的ベゼルコレクション機能を備えディスプレイの普及が進んでいる．主に，駅構内などでのデている．
ジタルサイネージとして用いられている．ただし，ディス水平方向・垂直方向でそれぞれ拡大率の逆数を 15bit の 2
プレイを縁取るベゼル部分にはコンテンツが出力されない進数で指定する．2 つのスライドスイッチは下位 12 ビットために，画面数に合わせて単純な分割を行なっただけの画のどの 3 ビットか指定し，4 つのプッシュスイッチで拡大率像や映像を表示するとずれているように見えるという問題を増減する．手動で設定するため，操作方法を理解した上点がある．この違和感を軽減するためにベゼルコレクショ
で 40〜50 秒程度かかる．
ンを行う．これは，使用するディスプレイが持つベゼルの幅を考慮して映像の一部を間引き，まるでコンテンツの上 2.3 MovieTile[3]太田と田中は，複数のモバイルデバイスを使用して自由をベゼルが覆いかぶさっているかのように表示する手法でな形状のマルチディスプレイ環境を構築するシステムを開ある．
発した．対応するアプリを起動したデバイスを並べ，隣り1.2 研究目的合うデバイス同士にピンチジェスチャーを行うと，それら本研究の目的は，FPGA を用いた 4K タイルドディスプの軌跡からデバイスのペアとその相対的な位置が検出されレイシステムに対して，カメラを用いてベゼルコレクショる．これを，全てのデバイスが隣のデバイスと 1 つ以上の接ンの自動化を行うことである．ベゼルコレクションを行う
続を持つように繰り返し行うことで，一つの大きなマルチためにはベゼル幅に応じた設定が必須である．従来のシスディスプレイを構成することができる．直感的な操作で多テムでは，人の目で画面の表示状況を確認しながらコンテ様な画面配置を実現できる．ただし，画面間の同期に無線ンツの拡大率や映像の位置を手動で調整する必要があった．
ネットワークを使う必要があり，ティアリングを防げない．
この操作を自動化することによって，設置にかかる時間の短縮を実現する．
3 システム実装

3.1

システムの概要

図 1 に，本システムの概要図を示す．タイルドディスプ

GeoBox G413 は，タイルドディスプレイを構築するため続した．の業務用機器である．HDMI，DisplayPort，VGA のいず
れかで入力した映像コンテンツを最大 4 つの表示機器に拡大分割表示することができる．25 種類のプリセットパターンを内蔵しているほか，専用ツールを利用すれば任意のレイアウトで使用可能である．この機器でベゼルコレクションを行うには，レイアウト編集機能を用いてピクセル単位で水平・垂直方向に表示をずらす．調整は製品に付属しているリモコンを使用し，手動で行うため，1 分程度かかる．

2.2

FPGA を用いた 4K タイルドディスプレイ
システム [2]白井は，FPGA を用いた 4 画面タイルドディスプレイシ

図 1: システムの概要図

ステムを開発した．低コストかつ軽量な FPGA とその拡張ボードのみで構成され，4 枚のディスプレイを使用して

1

3.2

システムの使用手順

使用時にユーザーが行う手順を説明する．まず，FPGAボードに入力機器および出力機器を接続し，タイルドディスプレイを構築する．本システムではベゼル幅および画面サイズが同一な 4 枚のディスプレイを格子状に並べることを前提とする．次に，タイルドディスプレイ全体にテスト用の画像を表示する．続いて，カメラを適切な位置に固定する．

図 3: ベゼルコレクション設定前（左）と設定後（右）なお，あらかじめ Raspberry Pi では本システムのプログラムを実行しておき，フラットケーブルで FPGA と接続し

表 1: それぞれの処理 1 回あたりにかかる時間(a)(b)(c)(d)(e)+(f)ておく．テスト画像が正しく認識できていれば，Raspberry

Pi 本体に接続した LED が点灯する．最後に，FPGA ボード上のスイッチを 1 にすると自動ベゼルコレクションが開始され，数秒で終了する．

3.3

時間/msec

71.94

13.70

10.15

65.24

0.8378

ベゼルコレクションを行うのにかかる時間を 10 回ずつ計システムの実装測した結果，明るい部屋では平均 4.14 秒，暗い部屋では平ベゼルコレクションのプログラムは Rapberry Pi 上で均 5.79 秒かかった．ただし，どちらの場合も 10 回のうち 1Python と OpenCV を用いて実装した．プログラムの処理手順は以下である．

回はベゼル幅の設定に失敗したため，原因を調査する必要がある．ディスプレイが発光していて周囲の明るさによる(a) カメラから 1 フレーム画像を読み込む

視認性の変化が小さいことから，部屋の明るさが本システ

ムの性能に与える影響は小さいと考えられる．
(b) 画像からオブジェクトを検出する
また，プログラム内のどの部分にどれだけの時間がかかっキャプチャした画像上の赤い部分に注目し，オブジェているかを調べた．表
1 は 5 回ずつ計測した平均である．(a)クトを検出する．オブジェクトとは，同じ色もしくは強度を持つ連続点を結ぶ曲線（輪郭）に囲まれた領域 〜(f) は 3.3 節と対応している．この結果から，カメラからの画像取得と直線検出に特に多くの時間を費やしているこを指す．
(c) 検出したオブジェクトをソートするとがわかった．これは，(a) ではカメラとの通信に時間がかオブジェクトは，輪郭の座標として得られる．画面上 かっていること，(d) では大量の計算を必要とするハフ変換に表示されている位置と対応するように座標の値に応 をいくつものオブジェクトに対して行っていることが原因
じて並び替え，順にラベル番号 0〜9 とする（図 2 左）． であると考えられる．

(d) オブジェクトから直線を検出する
ラベル番号 0,2,3,4,5,6,7,9 のオブジェクトの輪郭線に対してハフ変換を行なって直線を検出する．直線のパラメータ ρ と θ の値を確認し，必要とする直線（図 2右）の式を決定する．
(e) 対応する直線のズレに基づき FPGA へ信号を送る
対応する直線のパラメータを比較し，ずれている場合は拡大率を上げる．
(f) 拡大率の変更対象のビットを下位に移動する
最も下位まで来たら終了する．

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まとめ
本研究では，タイルドディスプレイに必要なベゼルコレクションの設定を Raspberry Pi とカメラを用いて自動化した．ディスプレイ上の画像をプログラムで認識することで，人の目による設定作業が必要なくなった．本システムを使用することで 3〜10 秒ほどでベゼルコレクションが行えるようになり，時間が短縮できる．これによって，ディスプレイの変更やタイルドディスプレイ全体の移動が今までより容易になったと言える．
今後の課題として，カメラの位置が正面でない場合やディ評価スプレイが傾いている場合にも対応するため台形補正を実開発したシステムによってベゼルコレクションのベゼル装すると，実用性が高まる．また，直線検出以外の方法を幅設定の操作が自動化できた．ベゼルコレクション設定後用いるなどして，さらなる高速化が実現できれば，移動すのタイルドディスプレイの画面は，設定前に比べて，ベゼる複数のディスプレイに対してベゼル補正をしながらコンル部分の表示ズレが修正され，画面を見たときの違和感はテンツを表示することも可能になる．

軽減している（図 3）．

参考文献[1] ”GeoBox G413 多機能マルチディスプレイコントローラー”, https://jmgs.jp/products/vns_g413.html,(最終アクセス日 2021 年 2月 7 日)
[2] 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[3] Takechi Ohta, Jun Tanaka. MovieTile: interactively adjustable
free shape multi-display of mobile devices, SIGGRAPH Asia
2015 Mobile Graphics and Interactive Applications, Kobe, Article No. 18, 2015

図 2: オブジェクトのラベル番号のイメージ

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